من المحرج بقدر ما هو محفز أن نفكر في مقدار ما لا زلنا بحاجة لتعلمه عن الكون. لقد تعاملت وزملائي للتو مع أحد الألغاز الدائمة في الفيزياء الفلكية: كيف يمكن أن تتشكل المجرات البيضاوية الضخمة.
الآن، للمرة الأولى، لدينا دليل رصدي قوي يوفر إجابة. لقد نُشرت نتائجنا مؤخراً في مجلة Nature.
تنقسم المجرات في الكون الحالي إلى فئتين عريضتين. هناك المجرات الحلزونية، مثل مجرتنا درب التبانة، التي تحتوي على غاز وفير وتستمر في تشكيل النجوم في قرص دوار. وهناك أيضاً المجرات البيضاوية، التي هي كبيرة وكروية بدلاً من أن تكون مسطحة، مشابهة لكرة الرجبي. الأخيرة لا تنتج نجوم جديدة ولكن تسودها نجوم تشكلت قبل أكثر من 10 مليارات سنة.
لقد كان تشكيل المجرات البيضاوية صعبًا منذ فترة طويلة في شرحه باستخدام النماذج الكونية التي تصف تطور الكون من الانفجار العظيم حتى الآن. أحد التحديات هو أن تشكيل النجوم خلال العصر الذي تشكلت فيه المجرات البيضاوية (من 10 إلى 12 مليار سنة مضت) كان يعتقد أنه يحدث داخل أقراص دوارة كبيرة، مشابهة لمجرة درب التبانة الخاصة بنا.
فكيف تحولت المجرات من شكل الأقراص المسطحة إلى المجرات البيضاوية ثلاثية الأبعاد؟
الملاحظات باستخدام ألما
من خلال تحليل البيانات من مرصد أتاكاما الكبير للمليمتر/ما دون المليمتر (ألمى)، حددنا مواقع ولادة المجرات البيضاوية العملاقة. اكتشفنا أن المجرات البيضاوية المحلية يمكن أن تتشكل من خلال حلقات مكثفة وقصيرة الأمد من تشكيل النجوم في وقت مبكر من الكون، بدلاً من أن تبدأ كقرص دوار وتصبح أكثر بيضاوية مع مرور الوقت.
ويكيبيديا, CC BY-SA
دراستنا فحصت توزيع الغبار في أكثر من 100 مجرة بعيدة، والتي نعلم أنها كانت تشكل الكثير من النجوم عندما كان عمر الكون بين 2.2 مليار و 5.9 مليار سنة. يشير الغبار إلى وجود الغاز — المادة التي تتشكل منها النجوم الجديدة — ويمكننا من دراسة المناطق داخل المجرة التي تشكل نجومًا جديدة بنشاط.
باستخدام تقنية رصد جديدة، وجدنا أن الغبار في هذه المجرات البعيدة مضغوط للغاية وليس كما توقعنا من المجرات ذات الشكل القرصي المسطح. علاوة على ذلك، تمكنا من استنتاج الهندسة ثلاثية الأبعاد لمناطق انبعاث الغبار. تشير هذه التحليلات إلى أن معظم المجرات المبكرة التي تشكل النجوم كانت في الواقع كروية الشكل بدلاً من أن تكون ذات شكل قرصي. في الواقع، إنها تشبه إلى حد كبير شكل المجرات البيضاوية القريبة منا اليوم.
ثم استخدمنا محاكيات كمومية كونية لتفسير النتائج الرصدية وفهم الآليات الفيزيائية التي قد تكون قد تسببت في غرق الغبار والغاز في مراكز هذه المجرات البعيدة التي تشكل النجوم.
يكشف تحليلنا أن الفعل المتزامن لجداول الغاز البارد من المجرات المحيطة مع تفاعلات المجرات والاندماجات يمكن أن يدفع الغاز والغبار إلى نوى مركزة تشكل النجوم داخل هذه المجرات. كما تظهر لنا المحاكيات أن هذه العملية كانت شائعة في الكون المبكر، مما يوفر تفسيرًا رئيسيًا للتشكل السريع للمجرات البيضاوية.
تضيف نتائجنا قطعة حاسمة إلى هذا اللغز، مما يعزز فهمنا لتشكيل المجرات وتطورها.
تقنية رصد جديدة
لقد جعلت هذه الاكتشافات ممكنة من خلال تقنية جديدة لتحليل ملاحظات ألما. بيانات ألما مختلفة عن الصور التي اعتدنا رؤيتها من التلسكوبات البصرية. في الواقع، تعمل ألما عن طريق دمج الإشارات من عدة هوائيات تعمل معًا كتلسكوب عملاق واحد.
تُعرف هذه التقنية بالتداخل، وعلى الرغم من أنها تُتيح الحصول على صور حادة لمجرات بعيدة، فإن تحليل البيانات أكثر تعقيدًا من الصور البصرية التقليدية. تمكن تقنيتنا الجديدة من قياسات أكثر دقة لتوزيع الغبار مقارنةً بالطرق السابقة، مما يقدم تقدمًا كبيرًا في هذا المجال.
في هذه الدراسة استخدمنا بيانات ألما الأرشيفية، البيانات المفتوحة الوصول من ألما التي تم جمعها على مدى عدة سنوات. يُبرز هذا قوة البيانات مفتوحة المصدر، حيث يشارك العلماء نتائجهم، والتعاونات العالمية في دفع الإنجازات العلمية.
ستساعد الملاحظات المستقبلية مع تلسكوب جيمس ويب وتلسكوب يوكليد الفضائي في رسم خريطة توزيع النجوم في أسلاف المجرات البيضاوية اليوم. وسيقدم التلسكوب العملاق جداً، بمرآته التي يبلغ عرضها 39 مترًا، تفاصيل غير مسبوقة عن نوى تكوين النجوم في المجرات البعيدة.
بالإضافة إلى ذلك، ستكشف الملاحظات الأكثر دقة لديناميات الغاز باستخدام ألما والتلسكوب الكبير جداً كيف يتحرك الغاز نحو مراكز المجرات، مما يغذي تكوين النجوم ويشكل المجرات التي نراها اليوم.
المصدر: المصدر