كان تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) مصمماً خصيصاً لمعالجة بعض من أعظم الأسئلة غير المحلولة في علم الكون. تشمل هذه الأسئلة جميع الأسئلة الرئيسية التي تتأمل فيها العلماء منذ أن قام تلسكوب هابل الفضائي (HST) بأعمق مشاهداته للكون: توتر هابل، كيف اجتمعت النجوم والمجرات الأولى، كيف تشكلت أنظمة الكواكب، ومتى ظهرت الثقوب السوداء الأولى. على وجه الخصوص، اكتشف هابل شيئاً مثيراً جداً للاهتمام في عام 2003 أثناء مراقبته لنجم يكاد يكون في قدم عمر الكون نفسه.
كان يدور حول هذه النجمة القديمة كوكب ضخم تتناقض وجوده تمامًا مع النماذج المقبولة لتكوين الكواكب، حيث إن النجوم في الكون المبكر لم يكن لديها الوقت لإنتاج كميات كافية من العناصر الثقيلة لتكوين الكواكب. بفضل الملاحظات الأخيرة التي أجراها تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST)، أعلنت فريق دولي من العلماء أنهم قد يكونوا قد حلوا هذه المعضلة. من خلال مراقبة النجوم في السحابة الماجلانية الصغيرة (LMC)، التي تفتقر إلى كميات كبيرة من العناصر الثقيلة، وجدوا نجومًا تحتوي على أقراص لتكوين الكواكب تعيش لفترة أطول من تلك التي تُرى حول النجوم الشابة في مجرتنا درب التبانة.
قادت الدراسة غيدو دي ماركي، وهو عالم فلك في المركز الأوروبي لبحوث الفضاء والتكنولوجيا (ESTEC) في نوردفيك، هولندا. وانضم إليه باحثون من مرصد INAF الفلكي في روما، ومعهد علوم التلسكوب الفضائي (STScI)، ومرصد جمنائي/مختبر NSF NOIRLab، والمركز البريطاني لتكنولوجيا الفلك (UK ATC)، ومعهد الفلك في جامعة إدنبرة، ومرصد لايدن، ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA)، ومركز أبحاث أيمز التابع لناسا، ومختبر الدفع النفاث التابع لناسا. وظهرت الورقة التي توضح نتائجهم في 16 ديسمبر في المجلة الفلكية.
“[[“IMAGE0”]]
”
وفقًا للنماذج الكونية المقبولة، فإن النجوم الأولى في الكون (نجوم السكانية الثالثة) تشكلت قبل 13.7 مليار سنة، بعد بضع مئات من الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم. كانت هذه النجوم شديدة الحرارة والسطوع، ضخمة وقصيرة العمر، ومكونة من الهيدروجين والهليوم، مع وجود القليل جدًا من العناصر الثقيلة. تم تشكيل هذه العناصر تدريجيًا في داخل نجوم السكانية الثالثة، التي وزعتها في جميع أنحاء الكون بمجرد أن انفجرت في سوبرنوفا وأزالت طبقاتها الخارجية لتشكل سُحب النجوم التشكيلية.
ستشكل هذه السديمات وآثارها من العناصر الأثقل الجيل التالي من النجوم (السكان II). بعد أن تشكلت هذه النجوم من الغاز والغبار في السديم الذي خضع لانهيار جاذبي، سقطت المادة المتبقية حول النجوم الجديدة لتشكل أقراص كوكبية أولية. ونتيجة لذلك، احتوت الأجيال اللاحقة من النجوم على تركيزات أعلى من المعادن (المعروفة أيضًا باسم المعدنية). أدى وجود هذه العناصر الثقيلة، التي تتراوح من الكربون والأكسجين إلى السيليكا والحديد، إلى تشكيل الكواكب الأولى.
وبالتالي، فإن اكتشاف هابل لكوكب ضخم (يبلغ وزنه 2.5 مرة وزن كوكب المشتري) حول نجم وُجد قبل مليار سنة فقط من الانفجار العظيم حير العلماء، حيث كانت النجوم المبكرة تحتوي على كميات ضئيلة فقط من العناصر الأثقل. وهذا يوحي بأن تكوين الكواكب بدأ عندما كان الكون صغيرًا جدًا، وأن بعض الكواكب كانت لديها الوقت لتصبح ضخمة بشكل خاص. شرحت إيلينا سابي، العالمة الرئيسية لمراصد جمنين في مختبر NOIRLab التابع لمؤسسة العلوم الوطنية، في بيان صحفي لوكالة ناسا [[LINK21]]:
“تتنبأ النماذج الحالية أنه مع وجود عدد قليل جدًا من العناصر الأثقل، فإن الأقراص حول النجوم لها عمر قصير، قصير جدًا في الواقع لدرجة أن الكواكب لا يمكن أن تنمو كبيرة. لكن هايل رأى تلك الكواكب، فماذا لو لم تكن النماذج صحيحة وأن الأقراص يمكن أن تعيش لفترة أطول؟”
“
”
لاختبار هذه النظرية، استخدم الفريق تلسكوب ويب لمراقبة العنقود النجمي الضخم الذي يتشكل فيه النجوم NGC 346 في السحابة الماجلانية الصغيرة، وهي مجرة قزمة واحدة من أقرب جيران درب التبانة. يُعرف هذا العنقود النجمي أيضًا بوجود كميات منخفضة نسبيًا من العناصر الثقيلة وكان بمثابة نموذج قريب للبيئات النجمية خلال الكون المبكر. كشفت الملاحظات السابقة لـ NGC 346 بواسطة تلسكوب هابل أن العديد من النجوم الشابة في العنقود (عمرها حوالي 20 إلى 30 مليون سنة) لا تزال تبدو وكأنها تحتوي على أقراص أولية حولها. وكان هذا أيضًا مفاجئًا نظرًا لأن هذه الأقراص كان يُعتقد أنها تتلاشى بعد 2 إلى 3 مليون سنة.
بفضل ويب، تمتلك العلماء الآن أول طيف على الإطلاق للنجوم الشبيهة بالشمس الشابة وبيئاتها في مجرة قريبة. كما قال قائد الدراسة غيدو دي ماركي من مركز أبحاث الفضاء الأوروبي والتكنولوجيا في نوردوويك [[LINK23]]:
“كانت نتائج هابل مثيرة للجدل، حيث كانت تتعارض مع الأدلة التجريبية في مجرتنا وأيضًا مع النماذج الحالية. كان هذا مثيرًا للاهتمام، ولكن دون وسيلة للحصول على طيف لتلك النجوم، لم نتمكن حقًا من تحديد ما إذا كنا نشهد فعلاً تجمعًا حقيقيًا ووجود أقراص، أو مجرد بعض التأثيرات الاصطناعية.”
“نرى أن هذه النجوم محاطة بالفعل بأقراص ولا تزال في عملية ابتلاع المواد، حتى في العمر النسبي الذي يبلغ 20 أو 30 مليون سنة. وهذا يعني أيضًا أن الكواكب لديها المزيد من الوقت لتتشكل وتنمو حول هذه النجوم مقارنة بالمناطق القريبة من تكوين النجوم في مجرتنا.”
هذه النتائج تثير بشكل طبيعي السؤال عن كيفية تحمل الأقراص التي تحتوي على عناصر ثقيلة قليلة (وهي اللبنات الأساسية للكواكب) لفترة طويلة. اقترح الباحثون آليتين متميزتين يمكن أن تفسرا هذه الملاحظات، سواء بشكل منفصل أو مجتمعة. إحدى الاحتمالات هي أن ضغط إشعاع النجم قد يكون فعالًا فقط إذا كانت العناصر الأثقل من الهيدروجين والهيليوم موجودة بكميات كافية في القرص. ومع ذلك، فإن مجموعة NGC 346 تحتوي فقط على حوالي عشرة في المئة من العناصر الأثقل الموجودة في شمسنا، لذا قد يستغرق الأمر وقتًا أطول لنجم في هذه المجموعة لتفريق قرصه.
الاحتمال الثاني هو أنه في الأماكن التي تكون فيها العناصر الثقيلة نادرة، سيحتاج نجم مشابه للشمس إلى التكون من سحابة غاز أكبر. وهذا سيؤدي أيضًا إلى إنتاج قرص أولي كوكبي أكبر وأكثر كثافة، والذي سيستغرق وقتًا أطول ليتبدد بواسطة الإشعاع النجمي. قال سابي:
”
“مع وجود مزيد من المادة حول النجوم، تستمر عملية الالتحام لفترة أطول. تستغرق الأقراص عشرة أضعاف الوقت للاختفاء. وهذا له تأثيرات على كيفية تشكيل الكواكب، ونوع بنية النظام الذي يمكن أن يكون لديك في هذه البيئات المختلفة. هذا مثير جداً.”
“مع ويب، لدينا تأكيد قوي جداً لما رأيناه مع هابل، ويجب علينا إعادة التفكير في كيفية نمذجة تشكيل الكواكب والتطور المبكر في الكون الشاب،” أضاف ماركي.
مثل العديد من ملاحظات ويب، فإن هذه الاكتشافات تذكير مناسب بما تم تصميم تلسكوب الفضاء من الجيل الجديد للقيام به. بالإضافة إلى تأكيد توتر هابل، رصدت JWST المزيد من المجرات (وأكبر منها!) في الكون المبكر أكثر مما توقعته النماذج. كما رصدت أن بذور الثقوب السوداء العملاقة (SMBH) كانت أكثر كتلة مما كان متوقعًا. في هذا الصدد، تقوم JWST بعملها من خلال دفع علماء الفلك لإعادة التفكير في النظريات التي تم قبولها لعقود. من هذا، ستتبع نظريات واكتشافات جديدة قد تقلب ما نعتقد أننا نعرفه عن الكون.
قراءة إضافية: ناسا, المجلة الفيزيائية الفلكية