نفدت المجرات “الميتة” وقودها في ظروف غامضة لتصنع نجومًا في الكون المبكر

مجموعات المجرات MACS J1341. الائتمان: المؤلف الرئيسي: NASA، ESA، Katherine E. Whitaker (UMass)، Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

اكتشف هابل مجرات مبكرة ضخمة تعمل على فارغة

يمكن أن يكون شعار “عش سريعًا ، مت شابًا” هو شعار ست مجرات مبكرة ضخمة “ميتة” نفدت من غاز الهيدروجين البارد اللازم لتكوين النجوم في وقت مبكر من حياة الكون. عاشت هذه المجرات حياة سريعة وغاضبة ، وخلقت نجومها في وقت قصير بشكل ملحوظ. ولكن بعد ذلك نفد الغاز حرفياً وأوقف تكوين النجوم. بدون المزيد من الوقود لتكوين النجوم ، كانت هذه المجرات تعمل فارغة. لماذا حدث هذا في مثل هذه الأوقات المبكرة هو لغزا.

ناسا‘س تلسكوب هابل الفضائي، جنبًا إلى جنب مع مصفوفة أتاكاما كبيرة المليمتر / المتر (ألما) في شمال تشيلي ، وجدت هذه المجرات الغريبة أثناء النظر إلى الوراء بلايين السنين إلى ذروة ولادة النجوم في الكون. لتحديد موقع المجرات البعيدة جدًا ، جمع العلماء قوة Hubble و ALMA مع مجموعات المجرات الأمامية الضخمة للغاية التي تعمل كتلسكوبات طبيعية. من خلال ظاهرة تسمى عدسة الجاذبية القوية ، فإن الجاذبية الهائلة لمجموعة المجرات العملاقة تشوه الفضاء ، وتثني وتضخم الضوء من أجسام الخلفية. عندما يتم وضع مجرة ​​مبكرة ضخمة وبعيدة جدًا خلف مثل هذا العنقود ، فإنها تبدو ممتدة ومكبرة بشكل كبير ، مما يسمح لعلماء الفلك بدراسة التفاصيل التي كان من المستحيل رؤيتها لولا ذلك.

هذه الصور هي مواد مركبة من تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا ومصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية / الفرعية (ALMA). تُظهر الصور المعبأة والمنسوبة اثنتين من المجرات الست البعيدة الضخمة حيث وجد العلماء أن تكوين النجوم قد توقف بسبب استنفاد مصدر الوقود – غاز الهيدروجين البارد.
وجد هابل ، مع ALMA ، هذه المجرات الغريبة عندما جمعت قواها مع “العدسة الطبيعية” في الفضاء التي خلقتها عناقيد مجرية ضخمة في المقدمة. تمتد جاذبية العناقيد وتضخم ضوء المجرات الخلفية في تأثير يسمى عدسات الجاذبية. تسمح هذه الظاهرة لعلماء الفلك باستخدام مجموعات المجرات الضخمة كنظارات مكبرة طبيعية لدراسة التفاصيل في المجرات البعيدة التي كان من المستحيل رؤيتها لولا ذلك.
يتتبع اللون الأصفر توهج ضوء النجوم. يتتبع اللون الأرجواني الاصطناعي الغبار البارد من ملاحظات ALMA. يستخدم هذا الغبار البارد كمؤشر لغاز الهيدروجين البارد اللازم لتكوين النجوم.
حتى مع حساسية ALMA ، لا يكتشف العلماء الغبار في معظم المجرات الست التي تم أخذ عينات منها. أحد الأمثلة هو MRG-M1341 ، أعلى اليمين. يبدو مشوهًا بواسطة التأثيرات البصرية لـ “مرآة المرح” للعدسات. في المقابل ، النقطة البنفسجية على يسار المجرة هي مثال على مجرة ​​غنية بالغبار والغاز.
أحد الأمثلة على اكتشاف الغبار البارد الذي أحدثته ALMA هو المجرة MRG-M2129 في أسفل اليمين. تحتوي المجرة فقط على الغبار والغاز في المركز. يشير هذا إلى أن تكوين النجوم ربما يكون قد توقف من الضواحي إلى الداخل.
الائتمان: المؤلف الرئيسي: NASA، ESA، Katherine E. Whitaker (UMass)، Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

عندما كان عمر الكون حوالي 3 مليارات سنة ، أي 20٪ فقط من عمره الحالي ، شهد أكثر فترات ولادة النجوم غزارة في تاريخه. ولكن عندما نظر تلسكوب هابل الفضائي التابع لوكالة ناسا ومصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية / ما دون المليمتر (ALMA) في شمال تشيلي نحو الأجسام الكونية في هذه الفترة ، وجدوا شيئًا غريبًا: ستة مجرات مبكرة ضخمة “ميتة” نفدت من الهيدروجين البارد الغاز اللازم لصنع النجوم.

بدون مزيد من الوقود لتشكيل النجوم ، كانت هذه المجرات تعمل على أرض فارغة. تم نشر النتائج في المجلة طبيعة سجية.

“في هذه المرحلة من كوننا ، يجب أن تشكل جميع المجرات الكثير من النجوم. أوضحت الكاتبة الرئيسية كيت ويتاكر ، الأستاذة المساعدة في علم الفلك في جامعة ماساتشوستس ، أمهيرست ، “إنها ذروة حقبة تشكل النجوم”. ويتاكر هي أيضًا هيئة تدريس مشاركة في مركز الفجر الكوني في كوبنهاغن ، الدنمارك. “إذن ما الذي حدث لكل الغازات الباردة في هذه المجرات في وقت مبكر جدًا؟”

هذه الدراسة هي مثال كلاسيكي على الانسجام بين ملاحظات Hubble و ALMA. حدد هابل مكان وجود النجوم في المجرات ، موضحًا مكان تشكلها في الماضي. من خلال اكتشاف الغبار البارد الذي يعمل بمثابة وكيل لغاز الهيدروجين البارد ، أظهر ALMA لعلماء الفلك أين يمكن أن تتشكل النجوم في المستقبل إذا كان هناك وقود كافٍ.

مجموعات المجرات MACS J1341 و MACS J2129. الائتمان: المؤلف الرئيسي: NASA، ESA، Katherine E. Whitaker (UMass)، Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

استخدام تلسكوبات الطبيعة

كانت دراسة هذه المجرات الميتة المبكرة والبعيدة جزءًا من برنامج REQUIEM المسمى بشكل مناسب ، والذي يرمز إلى حل المجرات المكبرة QUIEscent عند الانزياح الأحمر العالي. (يحدث الانزياح الأحمر عندما يتمدد الضوء من خلال تمدد الفضاء ويظهر متحركًا نحو الجزء الأحمر من الطيف. وكلما كانت المجرة أبعد بالنسبة إلى الراصد ، كلما بدت أكثر احمرارًا.)

يستخدم فريق REQUIEM عناقيد المجرات الأمامية الضخمة للغاية كتلسكوبات طبيعية. الجاذبية الهائلة لمجموعة المجرات تشوه الفضاء ، وتثني وتضخم الضوء من أجسام الخلفية. عندما يتم وضع مجرة ​​مبكرة ضخمة وبعيدة جدًا خلف مثل هذا العنقود ، فإنها تبدو ممتدة ومكبرة بشكل كبير ، مما يسمح لعلماء الفلك بدراسة التفاصيل التي كان من المستحيل رؤيتها لولا ذلك. وهذا ما يسمى “عدسات الجاذبية القوية”.

فقط من خلال الجمع بين الدقة الرائعة لـ Hubble و ALMA مع هذه العدسة القوية ، تمكن فريق REQUIEM من فهم تكوين هذه المجرات الست ، والتي ظهرت كما فعلوا بعد بضعة مليارات من السنين فقط بعد الانفجار العظيم.

قال ويتاكر: “باستخدام عدسة الجاذبية القوية كتلسكوب طبيعي ، يمكننا العثور على المجرات البعيدة والأكثر ضخامة والأولى لإيقاف تشكل نجومها”. “أحب أن أفكر في الأمر مثل ممارسة العلوم في ثلاثينيات أو أربعينيات القرن الماضي – باستخدام تلسكوبات فضائية قوية من الجيل التالي – ولكن اليوم بدلاً من ذلك من خلال الجمع بين قدرات Hubble و ALMA ، والتي يتم تعزيزها من خلال العدسة القوية.”

قال محمد أخشيك ، الباحث الرئيسي في برنامج رصد هابل: “لقد جمعت REQUIEM معًا أكبر عينة حتى الآن من هذه المجرات النادرة ذات العدسة القوية والميتة في بدايات الكون ، والعدسة القوية هي المفتاح هنا”. “إنه يضخم الضوء عبر جميع الأطوال الموجية بحيث يسهل اكتشافه ، كما تحصل أيضًا على دقة مكانية أعلى عندما تكون هذه المجرات ممتدة عبر السماء. يمكنك بشكل أساسي أن ترى ما بداخلها بمقاييس مادية أكثر دقة لمعرفة ما يحدث “.

عش سريعا تموت صغيرا

لا يبدو أن هذه الأنواع من المجرات الميتة تتجدد ، حتى من خلال عمليات اندماج وتراكم ثانوية لاحقة لمجرات وغازات صغيرة قريبة. التهام الأشياء من حولهم في الغالب مجرد “نفث” المجرات. إذا تم إعادة تشكيل النجوم ، فقد وصفه ويتاكر بأنه “نوع من الصقيع”. بعد حوالي 11 مليار سنة في الكون الحالي ، يُعتقد أن هذه المجرات المضغوطة سابقًا قد تطورت لتصبح أكبر ولكنها لا تزال ميتة من حيث أي تشكل نجم جديد.

عاشت هذه المجرات الست حياة سريعة وغاضبة ، وخلقت نجومها في وقت قصير بشكل ملحوظ. لا يزال سبب إيقاف تكوين النجوم مبكرًا يمثل لغزًا.

يقترح ويتاكر عدة تفسيرات محتملة: ثقب أسود في مركز المجرة تشغيل وتسخين كل الغاز؟ إذا كان الأمر كذلك ، فقد لا يزال الغاز موجودًا ، لكنه ساخن الآن. أو كان من الممكن طرده والآن يتم منعه من العودة مرة أخرى إلى المجرة. أم أن المجرة استخدمت كل شيء فقط ، وانقطع العرض؟ هذه بعض الأسئلة المفتوحة التي سنواصل استكشافها بملاحظات جديدة في المستقبل “.

المرجع: “خزانات الغاز المنهكة تؤدي إلى تبريد المجرات الهائل في بدايات الكون” بقلم كاثرين إي ويتاكر وكريستينا سي ويليامز ولامي مولا وجوستين إس سبيلكر وسون توفت وديسيكا نارايانان وألكسندرا بوب وجورجيوس إي.ماجديس وبيتر جي فان دوكوم ، محمد أخشيك ، راشيل بيزانسون ، غابرييل ب. برامر ، جويل ليجا ، أليسون مان ، إريكا ج.نلسون ، جوهان ريتشارد ، كاميلا باسيفيكي ، كيرين شارون وفرانشيسكو فالنتينو ، 22 سبتمبر 2021 ، طبيعة سجية.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03806-7

تلسكوب هابل الفضائي هو مشروع تعاون دولي بين وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية (وكالة الفضاء الأوروبية). يدير التلسكوب مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند. يجري معهد علوم تلسكوب الفضاء (STScI) في بالتيمور بولاية ماريلاند عمليات علوم هابل. يتم تشغيل STScI لصالح وكالة ناسا من قبل اتحاد الجامعات لأبحاث علم الفلك ، في واشنطن العاصمة