علمي

تطور علم الكونيات مع صورة جيمس ويب العميقة

صدمت الصور الأولى لتلسكوب جيمس ويب الفضائي للكون البعيد علماء الفلك. هل من المستحيل اكتشاف المجرات البعيدة أم أن ثورة في علم الكونيات آتية؟

روهان نايدوكان جالسًا في المنزل مع زوجته عندما وجد مجرة ​​كادت أن تحدث ثورة في علم الكونيات. عندما فحصت الخوارزمية الخاصة به صورًا مبكرة من تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) في وقت متأخر من ليلة واحدة من شهر يوليو ، لاحظت وجود بقعة ، عند الفحص الدقيق ، تبين أنها جسم ضخم جدًا – ضخم بشكل غير مفهوم – ومؤرخ فقط 300 مليون سنة إنها تعود بعد الانفجار العظيم – أقدم من أي مجرة ​​رأيناها على الإطلاق.

يقول نايدو: “اتصلت على الفور بزميلي وأخبرته بتفاصيل هذا الاكتشاف الجديد”. “قال إنه ربما يكون أبعد ضوء نجم رأيناه على الإطلاق.”

بعد أيام قليلة نشروا ورقة بحثية عن المجرة المرشحة أطلقوا عليها “الزجاج- z13اتصلوا انفجر العالم الافتراضي. انتشر هذا الخبر بسرعة في جميع أنحاء العالم وأصبح أحد أهم الأخبار على الشبكات الاجتماعية.

كان الاكتشاف الاستثنائي لهذه المجرة ، بعد دقائق فقط من نشر جيمس ويب لبياناته ، بعيدًا عن تصديق علماء الكونيات. أكبر وأقوى تلسكوب فضائي تم بناؤه على الإطلاق ، تمكن جيمس ويب من إظهار قوته في مراحله الأولى – تم تصميمه خصيصًا لإحداث ثورة في فهمنا للكون. جيمس ويب في المسافة 1.5 مليون كيلومتر تقع من الأرض ، وهي مجهزة بمعدات متطورة يمكنها تغيير نظرتنا إلى العالم.

نادرًا ما يُدرس الكون المبكر – أكثر من بضعة ملايين من السنين بعد الانفجار العظيم الذي اندمجت فيه النجوم والمجرات الأولى. تعتمد الطريقة الدقيقة التي تشكلت بها النجوم والمجرات الأولى كثيرًا على النظرية المقترحة لوصفها. تسمح التلسكوبات مثل جيمس ويب لعلماء الكون باختبار نظرياتهم المختلفة والتأكد من صحتها أو إيجاد فجوات فيها تتطلب مزيدًا من البحث.

في البداية ، اعتقد علماء الفلك أن الأمر سيستغرق وقتًا طويلاً لاكتشاف النجوم أو المجرات في مثل هذه المسافات. قدرت التنبؤات المبكرة أن المجرات الأولى ستكون صغيرة جدًا وخافتة لدرجة أن جيمس ويب سيجد في أحسن الأحوال عددًا قليلاً من المرشحين البعيدين جدًا في تحقيقاته التجريبية. لم يسير كل شيء كما هو مخطط له. بدلاً من ذلك ، بمجرد أن أصدر العلماء صور التلسكوب الأولى للكون البعيد ، بدأ علماء الفلك مثل Naidu من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في العثور على مجرات متعددة فيها تجاوزت جميع التوقعات في العمر والحجم واللمعان الظاهري.

كان السباق على الاكتشاف شديدًا: بدا كل يوم وكأنه فجر بزعم اكتشاف آخر قياسي لأقدم مجرة ​​في الكون.

في الأسابيع والأشهر التي تلت ذلك ، سارع المنظرون لشرح نتائج جيمس ويب المثيرة. في البداية ، كان هناك اعتقاد بأن مجموعة المجرات الكبيرة والمشرقة بشكل غير عادي يمكن أن تكون وهمًا ، ربما بسبب خلل في تحليل ملاحظات التلسكوب الأولية. من ناحية أخرى ، جادل البعض بأنه إذا كانت هذه المجرات حقيقية ، فهل يمكن تفسيرها من خلال النماذج الكونية القياسية؟ أو ربما يُظهر اكتشاف هذه المجرات أن الكون أكثر تعقيدًا وغرابة مما تستطيع حتى أكثر نظرياتنا جرأة تخيله.

اهده لب  لونا 16 يهبط على سطح القمر

يمكن أن تكون اكتشافات جيمس ويب المبكرة مهيأة لإعادة كتابة الفصول الافتتاحية للتاريخ الكوني ، ليس فقط فيما يتعلق بالعصور والمجرات البعيدة ، ولكن يمكن أيضًا أن تكمل معرفتنا بدرب التبانة. “مارك مكوجرانيقول العالم جيمس ويب وكبير مستشاري العلوم والاستكشاف في وكالة الفضاء الأوروبية: “نحن نبني هذه الآلات لتحطيم الأرقام القياسية ، وليس لتأكيد ما نعرفه بالفعل”.

على الرغم من أن جيمس ويب قد حطم أرقامًا قياسية مذهلة في مراقبة الأجسام البعيدة في الكون ، فمن الضروري إلقاء نظرة على معهد علوم تلسكوب الفضاء (STScI) في “بالتيمور” في السنة 1985 دعنا نرمي

في ذلك الوقت ، كان التلسكوب الفضائيهابلكان لا يزال على بعد خمس سنوات من إطلاق مكوك الفضاء. ذات يوم ، ريكاردو جياشيني ، مدير STScI آنذاك ، من نائبهجارث إلينجورثأراد أن يجيب على هذا السؤال: ماذا سيحدث بعد هابل؟ إلى أي مدى يتطور علم الكونيات؟ يتذكر إيلينجورث أنه قال: “من الصعب التكهن بما سيكشفه لنا هابل من أسرار في المستقبل. لكن هذا التلسكوب قوي للغاية لدرجة أنه سيحدث ثورة في عالم علم الكونيات “. لكن هذا لم يكن مقنعًا لجياسيني ، وخطرت فكرة مفاهيمية عن تلسكوب الفضاء من الجيل التالي (NGST) إلى أذهان العلماء مثله ، والذي تمت إعادة تسميته لاحقًا إلى جيمس ويب بعد مدير ناسا السابق.

بينما كان هابل ثوريًا ، عرف علماء الفلك أن هذا التلسكوب كان قادرًا فقط على مراقبة الكون في الطيف الانتقالي. عندما ينتقل الضوء القادم من مجرة ​​بعيدة جدًا عبر الكون ، فإنه يتمدد بسبب تمدد الكون – وهي ظاهرة نرى فيها تمدد الطول الموجي يسمىانتقل إلى اللون الأحمر” معروف. كلما زاد الانزياح نحو الأحمر ، زاد رسم الضوء. إن الانزياح الأحمر للمجرات المبكرة مرتفع للغاية لدرجة أن الضوء المرئي الذي تبعثه يصل إلى الأشعة تحت الحمراء بحلول الوقت الذي يصل فيه إلى تلسكوباتنا. لهذا السبب لم يستطع هابل رصد ضوءها. للمقارنة ، يجب أن تعلم أن تلسكوب جيمس ويب يراقب الكون بأطوال موجية تحت الحمراء وله مرآة كبيرة جدًا تجمع الضوء وبالتالي فهي قادرة على إلقاء نظرة عميقة على الكون المبكر. يقول Lillingworth: “بينما كان هابل ثوريًا ، أدرك الجميع أن هذا التلسكوب يمكن أن ينظر إلى الكون المبكر ، وأصبح ذلك هدفًا علميًا له”.

الحاجة لهذا المنظار في ديسمبر 1995 أصبح أكثر وضوحًا عندما وجه علماء الفلك هابل إلى بقعة فارغة على ما يبدو في السماء لمدة 10 أيام متتالية. توقع العديد من الخبراء أن المراقبة طويلة المدى لمثل هذه المنطقة ستكون مضيعة للموارد ، وفي أحسن الأحوال ، قد تكشف فقط عن عدد قليل من المجرات الباهتة. أظهرت الصورة المأخوذة من منطقة يُفترض أنها فارغة أن هذه المنطقة مليئة بآلاف المجرات. قال إلينجورث ، عالم الفيزياء الفلكية بجامعة كاليفورنيا: “أظهرت صورة هابل ديب فيلد أن المجرات موجودة في كل مكان. “هذه الصورة أثبتت لنا أن الكون المبكر كان مزدحمًا أكثر مما توقعه أي شخص.” هذا جعل علماء الكونيات أكثر تصميمًا على بناء تلسكوب أكثر قوة.

اهده لب  إنجاز عالم إيراني: التعرف على مادة لها ذاكرة مشابهة للدماغ البشري

بعد أكثر من عقدين من الجهد بتكلفة تقريبية 10 مليار دولارتم إطلاق James Webb في يوم عيد الميلاد عام 2021. بحلول يوليو 2022 ، وصل التلسكوب إلى وجهته في الفضاء السحيق ، وكانت أدواته تستعد بسرعة لإطلاق صورها الأولى. يمكن أن تبدأ الآن السنة الأولى التي طال انتظارها من الملاحظات العلمية من التلسكوب – المعروفة باسم الدورة الأولى -.

تم تخصيص جزء من هذه الفترة لبرامج مهمة في مجموعة واسعة من فروع المراقبة التي كانت بياناتها متاحة على الفور للجمهور. في البداية ، لم يكن متوقعًا كثيرًا ، اعتقد البعض أن جودة الصور ستتحسن قليلاً ، لكن كل شيء تغير.

سجل هابل لأبعد مجرةGN-z11شوهد في عام 2015 عندما انتقل إلى Red 11. يرتبط الانزياح الأحمر لـ 11 بعمر كوني يبلغ حوالي 400 مليون سنة ، أي قبل وقت قصير من بدء تشكل المجرات. ولكن من البيانات الأولى التي نشرها جيمس ويب ، يُدعى مرشح لمجرة أبعدالزجاج- z13»وجدت في الانزياح الأحمر 13 – حوالي 70 مليون سنة.

نظرًا لأن علماء الفلك كانوا متعطشين لنتائج أسرع ، فقد اعتمدوا على تقديرات الانزياح نحو الأحمر من القياسات القائمة على اللمعان. من الأسهل الحصول على هذه النتائج ، ولكنها أقل دقة من قياسات الانزياح الأحمر المباشر – التي تتطلب وقتًا أطول. ومع ذلك ، فإن هذه التقنية أيضًا دقيقة للغاية وقد كشفت بشكل غير متوقع عن وجود مجرة ​​كبيرة ومشرقة يبلغ كتلتها حاليًا عدة مئات من المرات أقل من مجرة ​​درب التبانة. يقول علماء الفلك إنه بالنسبة للخطوة الأولى ، فإن اكتشاف مثل هذه المجرة يتجاوز توقعاتنا الأكثر تفاؤلاً.

هذا السجل لم يدم طويلا. في الأيام التالية ، تم تقديم العشرات من المجرات البعيدة المرشحة ، والتي تقدمت إلى الانزياح الأحمر نحو 20 – وهذا الرقم يعادل ولادة مجرة ​​واحدة. 180 مليون سنة بعد الانفجار الكبير. كان لبعض هذه المجرات بنية شبيهة بالقرص ، والتي يجدها علماء الفلك غريبة. في غضون ذلك ، وجد فريق آخر دليلاً على مجرات بحجم مجرة ​​درب التبانة عند انزياح أحمر بمقدار 10 ، أي أقل من 500 مليون سنة ضوئية بعد الانفجار العظيم. هذه الشركات العملاقة ، التي نقوم بتطويرها بسرعة ، تتحدى النموذج القياسي لعلم الكونيات وتثبت وجودها بمساعدة البيانات.

النموذج القياسي لعلم الكونيات ، وهو ما يسمىلامدا آلية التنمية النظيفة“، كما نعلم ، يحتوي على أفضل التقديرات التي تصف ظهور بنى كونية واسعة النطاق. تشير “لامدا” إلى الطاقة المظلمة وتشير “آلية التنمية النظيفة” إلى المادة المظلمة ، والتي تكون باردة نسبيًا.

أما بالنسبة لما حدث بالضبط ، فقد أجرى علماء الفلك مراجعة موجزة: في الثانية الأولى بعد الانفجار العظيم ، كان كوننا عبارة عن حساء كثيف وحار جدًا من الجسيمات البدائية. خلال الدقائق الثلاث التالية ، بدأت نوى الهيليوم وعناصر أخرى خفيفة جدًا في التكون مع توسع الكون وبرودة. بعد أربعمائة ألف سنة ، برد كوننا بما يكفي لظهور الذرات الأولى. يقول المنظرون أنه عندما يكون الكون محدودًا 100 مليون سنة العمر ، خُلقت الظروف لميلاد النجوم الأولى. تتكون هذه الكرات النارية العملاقة بشكل أساسي من الهيدروجين والهيليوم لأن العناصر الأثقل لم تتشكل بعد – لذلك فإن لهذه النجوم خصائص مختلفة عن النجوم اليوم.

اهده لب  ما مدى قرب ألوان صور جيمس من الواقع؟

في ذلك الوقت ، كانت النجوم الأولى مرتبطة ببعضها البعض بواسطة سقالات ضخمة وغير مرئية من المادة المظلمة. سيطرت الجاذبية على التفاعلات بين هذه النجوم حتى اندمجت في النهاية وشكلت مجرات. يُعتقد أن عملية التحول هذه – من فوضى الكون المبكر إلى الكون المنظم الذي نعرفه اليوم – قد استغرقت حوالي ملياري سنة.

اكتشاف المجرات اللامعة بواسطة جيمس ويب يتحدى هذا النموذج. “ستايسي ماك أسكت“عالم الكونيات الجامعي”الحالة الغربيةيقول في ولاية أوهايو: “توقعنا أن نلاحظ سحبًا من الغاز والغبار لم تتحول بعد إلى مجرات”. الآن ما نراه مجرات كبيرة ، وهذا غريب. “قد تكون بعض هذه المجرات محتالة ، بمعنى آخر ، إنها مجرات قريبة جدًا ولكن يحجبها الغبار ، مما يؤثر على قياساتها القائمة على لمعانها.”

ومع ذلك ، فإن الملاحظات اللاحقة للمجرات المرشحة واستخدام بيانات المرصدألماأظهر أنه لم يتم ملاحظة كميات كبيرة من الغبار التي يمكن أن تؤثر على تقدير الانزياح الأحمر.

أفضل مبرر هو أن النظرية المعيارية لعلم الكونيات التقليدي خاطئة وتحتاج إلى مراجعة. الحل الأبسط هو أن المجرات في بدايات الكون يمكن أن تحتوي على القليل من الغبار أو لا تحتوي على غبار ، مما يجعلها تبدو أكثر إشراقًا. قد يعيق هذا السيناريو الجهود المبذولة لحساب الكتلة الحقيقية للمجرات ، ويمكن أن يتسبب في مشاكل ألما شرح الكشف عن مجرة ​​GLASS-z13.

أندريا فيرارا“عالم الفلك الجامعي”سكولا نورمال سوبريوريفي إيطاليا ، يقول: “قد لا يكون لدى المستعرات الأعظمية الوقت الكافي لإنتاج الغبار ، أو ربما يخرج الغبار من المجرة في المراحل المبكرة (من تكوين المجرات)”.

من ناحية أخرى ، يقترح بعض علماء الكونيات أنه في ملاحظات جيمس ويب الأولية ، ربما رأى هذا التلسكوب فقط المجرات الشابة الأكثر سطوعًا لأنه يجب أن يكون اكتشافها أسهل.

ديفيد سبيرجيليقول عالم الفيزياء الفلكية النظرية الشهير: “أعتقد أن ضغط الغاز ودرجة الحرارة المرتفعة في بدايات الكون تسببا في اختلاف آلية تكوين المجرات قليلاً. هذه المسألة لها تأثير كبير على البيئة في تكوين النجوم والمجرات. “ربما حتى المجال المغناطيسي بدأ يلعب دورًا في الكون في وقت أبكر مما كنا نظن ولعب دورًا مهمًا في ولادة الهياكل.”

ليس من قبيل المصادفة أن ملاحظات جيمس ويب المبكرة نُشرت بأعداد كبيرة. عندما أصبحت البيانات الأولى من هذا التلسكوب متاحة للجمهور ، بدأ علماء الفلك في الإعلان عن نتائج قياسية. “نانسي ليفنسونيقول مدير STScI: “نشاط الناس في تحليل البيانات وتحديدها فاق توقعاتنا”. أدى هذا إلى نشر النتائج العلمية ومناقشتها بسرعة. لكن هذا مقلق بعض الشيء. “جيمس ويب هو منصة انطلاقنا لزيادة العلم والوعي بالكون ، ولكن الانغماس في الإثارة لتحليله أو التخلف عن فهم ما حدث في الكون يجعل الأمر معقدًا وصعبًا بعض الشيء.”

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

زر الذهاب إلى الأعلى