اكتشف تلسكوب ويب الفضائي مجرات تتحدى النظريات الفلكية

أكدت عمليات الرصد اللاحقة في عنقود باندورا وجود المجرتين الثانية والرابعة الأكثر بعدًا على الإطلاق، وهي أبعد من أي مجرة ​​أخرى.

تم اكتشاف المجرتين الثانية والرابعة الأكثر بعدًا على الإطلاق في منطقة من الفضاء تُعرف باسم مجموعة باندورا أو أبيل 2744. ناساس تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST). بعد التصوير العميق للمنطقة (انظر الصورة أدناه)، حدد فريق دولي بقيادة باحثين من ولاية بنسلفانيا مسافات هذه المجرات القديمة واستدل على خصائصها باستخدام بيانات طيفية جديدة – معلومات حول الضوء المنبعث عبر الطيف الكهرومغناطيسي. JWST. على بعد حوالي 33 مليار سنة ضوئية، تقدم هذه المجرات البعيدة بشكل لا يصدق نظرة ثاقبة حول كيفية تشكل المجرات الأولى.

مظهر فريد وأهمية

وعلى عكس المجرات الأخرى المؤكدة الموجودة على هذه المسافة، والتي تظهر في الصور كنقاط حمراء، فإن المجرات الجديدة تبدو أكبر، أشبه بالفول السوداني والكرات الرقيقة، حسبما ذكر الباحثون. يظهر مقال يصف المجرات اليوم (13 نوفمبر) في مجلة العلوم. رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.

يقدر علماء الفلك وجود 50000 مصدر للضوء تحت الأحمر في هذه الصورة ذات المجال العميق لعنقود باندورا من تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا. وقد قطع ضوءها مسافات مختلفة للوصول إلى كاشفات التلسكوب، وهو ما يمثل مساحة شاسعة من الفضاء في صورة واحدة. الائتمان: العلوم: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، إيفو لابي (سوينبورن)، راشيل بيزانسون (جامعة بيتسبرغ)، معالجة الصور: أليسا باغان (STScI)

وقال بينجزي وانج، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة بنسلفانيا: “لا يُعرف سوى القليل جدًا عن الكون المبكر، والطريقة الوحيدة للتعرف على ذلك الوقت واختبار نظرياتنا حول تكوين المجرات المبكرة وتطورها هي من خلال هذه المجرات البعيدة جدًا”. كلية الدولة إيبرلي للعلوم وعضو فريق JWST UNCOVER (ملاحظات Ultradeep NIRSpec وNIRCam قبل عصر إعادة التأين) أجرت دراسة ذلك “قبل تحليلنا، كنا نعرف فقط ثلاث مجرات مؤكدة تقع على هذه المسافة القصوى. وقد كشف فحص هذه المجرات الجديدة وخصائصها عن تنوع المجرات في الكون المبكر ومدى ما يمكن تعلمه منها.

رؤى في الكون المبكر

ولأن الضوء المنبعث من هذه المجرات كان عليه أن يسافر مسافة طويلة للوصول إلى الأرض، فإنه يوفر نافذة على الماضي. ويقدر فريق البحث أن الضوء الذي اكتشفه تلسكوب جيمس ويب الفضائي انبعث من مجرتين عندما كان عمر الكون حوالي 330 مليون سنة، وسافر حوالي 13.4 مليار سنة ضوئية للوصول إلى تلسكوب جيمس ويب الفضائي. ومع ذلك، قال الباحثون إنه بسبب توسع الكون خلال هذا الوقت، أصبحت المجرات الآن على بعد 33 مليار سنة ضوئية من الأرض.

وقال جويل ليجا، الأستاذ المساعد في علم الفلك والفيزياء الفلكية في ولاية بنسلفانيا وعضو في UNCOVER: “الضوء الصادر من هذه المجرات قديم، ويبلغ عمره ثلاثة أضعاف عمر الأرض”. “هذه المجرات المبكرة تشبه المنارات، تتدفق بالضوء عبر غاز الهيدروجين الرقيق جدًا الذي شكل الكون المبكر. فقط من خلال ضوئها يمكننا أن نفهم الفيزياء الرائعة التي حكمت المجرة بالقرب من الفجر الكوني.”

باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، اكتشف العلماء مجرتين بعيدتين في مجموعة باندورا، مما يوفر رؤى جديدة حول الكون المبكر. هذه المجرات الفريدة من حيث الحجم والمظهر تتحدى فهمنا لتكوين المجرات في بداية الكون. الائتمان: ناسا

ومن اللافت للنظر أن كلتا المجرتين أكبر بكثير من المجرات الثلاث الموجودة سابقًا على هذه المسافة القصوى. أحدهما أكبر بست مرات على الأقل عبر 2000 سنة ضوئية. وبالمقارنة، فإن درب التبانة يبلغ عرضها حوالي 100.000 سنة ضوئية، لكن كما قال وانغ، يُعتقد أن الكون المبكر كان مضغوطًا للغاية، لذلك من المدهش أن تكون المجرة كبيرة جدًا.

وقال وانغ: “المجرات التي تم اكتشافها سابقًا على هذه المسافات هي مصادر نقطية، فهي تظهر كنقطة في صورنا”. “لكن أحدنا يبدو طويلاً، مثل حبة الفول السوداني تقريبًا، والآخر يشبه الكرة الرقيقة. من غير الواضح ما إذا كان الاختلاف في الحجم يرجع إلى كيفية تشكل المجرات أو ما حدث لها بعد تشكلها، لكن الاختلاف في الخصائص النجمية مثير للاهتمام حقًا. ومن المتوقع أن تكون هذه المجرات المبكرة قد تشكلت من مواد مماثلة، لكنها تظهر بالفعل علامات على أنها مختلفة تمامًا عن بعضها البعض.

مناهج البحث العلمي

تعد المجرتان من بين 60 ألف مصدر ضوئي في مجموعة باندورا التي التقطتها أول صور المجال العميق التي التقطها تلسكوب جيمس ويب الفضائي في عام 2022، وهو العام الأول للعمليات العلمية. تم اختيار هذه المنطقة من الفضاء جزئيًا لأنها تقع خلف العديد من مجموعات المجرات التي تخلق تأثير تكبير طبيعي يُعرف باسم عدسة الجاذبية. تعمل قوة الجاذبية لكتلة العنقود مجتمعة على ثني الفضاء المحيط به، مما يؤدي إلى تركيز وتكبير أي ضوء يمر وتوفير رؤية مكبرة خلف العنقود.

على مدار بضعة أشهر، قام فريق UNCOVER بتقليص 60 ألف مصدر ضوئي إلى 700 مرشح لدراسة المتابعة، ثمانية منها يعتقدون أنها قد تكون من بين المجرات الأولى. بعد ذلك، أشار تلسكوب جيمس ويب الفضائي مرة أخرى إلى عنقود باندورا وسجل أطياف المرشحين، وهو نوع من البصمات التي تصف كمية الضوء المنبعثة عند كل طول موجي.

وقال ليجا: “تستخدم العديد من الفرق المختلفة أساليب مختلفة للبحث عن هذه المجرات القديمة، ولكل منها نقاط القوة والضعف الخاصة بها”. “إن توجيه هذه العدسة المكبرة العملاقة نحو الفضاء يعطينا نافذة عميقة بشكل لا يصدق، لكنها نافذة صغيرة جدًا، لذلك نحن نرمي النرد. لم يكن العديد من المرشحين حاسمين، وكان أحدهم على الأقل خطأ في التعرف عليه – وهو قريب جدًا “عكست مجرة ​​بعيدة. لكننا كنا محظوظين، حيث تحولت اثنتان من هذه المجرات القديمة إلى مجرات. إنه أمر لا يصدق.”

الخصائص والآثار

استخدم الباحثون أيضًا نماذج تفصيلية لاستنتاج خصائص هذه المجرات المبكرة عندما بعثت الضوء الذي اكتشفه تلسكوب جيمس ويب الفضائي. وكما توقع الباحثون، كانت كلتا المجرتين فتيتين، وكان تركيبهما يحتوي على عدد قليل من المعادن، وكانتا تنموان بسرعة وتنشطان في تكوين النجوم.

وقال ليجا: “تشكلت العناصر الأولى في نوى النجوم المبكرة من خلال عملية الاندماج”. “من المنطقي أن هذه المجرات المبكرة لا تحتوي على عناصر ثقيلة مثل المعادن لأنها من أوائل المصانع التي أنتجت تلك العناصر الثقيلة. وبطبيعة الحال، يجب أن تكون فتية وأول المجرات التي شكلت النجوم، ولكن مما يؤكد هذه تعد الخصائص اختبارًا أساسيًا مهمًا لنماذجنا وتساعد في تأكيد النموذج بأكمله. .الانفجار العظيم عقيدة.”

وأشار الباحثون إلى أنه إلى جانب عدسة الجاذبية، يمكن لأدوات الأشعة تحت الحمراء القوية في تلسكوب جيمس ويب الفضائي اكتشاف المجرات البعيدة، إذا كانت موجودة.

وقال ليجا: “كانت لدينا نافذة صغيرة في هذه المنطقة، ولم نلاحظ أي شيء خارج هاتين المجرتين، حتى لو كان تلسكوب جيمس ويب الفضائي لديه القدرة”. “هذا يعني أن المجرات لم تتشكل قبل ذلك الوقت ولن نتمكن من العثور على أي شيء بعيدًا. أو أننا لم يحالفنا الحظ بنافذتنا الصغيرة.”

أدى هذا العمل إلى تقديم اقتراح ناجح إلى وكالة ناسا للتوصية بكيفية استخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي في عامه الأول من العمليات العلمية. في الجولات الثلاث الأولى من التقديمات، تلقت ناسا مقترحات أكثر بأربعة إلى عشرة أضعاف من وقت المراقبة المتاح للتلسكوب، وكان عليها اختيار جزء صغير فقط من تلك المقترحات.

وقال ليجا: “كان فريقنا متحمسًا للغاية وتفاجأ قليلاً عندما تم قبول اقتراحنا”. “إنه التنسيق، والعمل البشري السريع، والتلسكوب يشير إلى نفس الشيء مرتين، وهو أمر كثير يمكن طلبه من التلسكوب في عامه الأول. كان هناك الكثير من الضغط لأنه لم يكن لدينا سوى بضعة أشهر لاتخاذ قرار بشأن الأجسام التي سنرسلها”. تابع. ولكن تم إنشاء تلسكوب جيمس ويب الفضائي للعثور على هذه المجرات الأولى، ومن المثير حقًا القيام بذلك الآن.

المرجع: “الكشف: إلقاء الضوء على الكون المبكر — تأكيد JWST/NIRSpec لـ z> 12 مجرة” بقلم بينجي وانج، 冰洁 王، سيجي فوجيموتو، إيفو لابي، لوكاس جيه فورتاك، تيم جيليتر، تيم جيليتر. زيترين، حكيم عتيق، راشيل بيزانسون، غابرييل برامر، جويل ليجا، باسكال أ. أوش، سيدونا إتش. برايس، إيرينا تشيميرينسكا، سام إي. كاتلر، براتيكا ديال، بيتر فان دوكوم، أندي دي جولدينج، جيني إي. جرين، واي. فوداموتو، جوراف خلار، فاسيلي كوكوريف، دانيلو مارشيسيني، ريتشارد بان، جون آر ويفر، كاثرين إي ويتاكر وكريستينا سي ويليامز، 13 نوفمبر 2023، رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/2041-8213/acfe07

وبالإضافة إلى ولاية بنسلفانيا، يضم الفريق باحثين من جامعة تكساس في أوستن، وجامعة سوينبورن للتكنولوجيا في أستراليا، وجامعة بن غوريون في النقب في إسرائيل. جامعة ييلجامعة بيتسبرغ، جامعة السوربون في فرنسا، جامعة كوبنهاجن في الدنمارك، جامعة جنيف في سويسرا، جامعة ماساتشوستس، جامعة جرونينجن في هولندا، جامعة برينستونجامعة واسيدا، وجامعة تافتس، والمختبر الوطني لأبحاث علم الفلك البصري بالأشعة تحت الحمراء (NOIR) في اليابان.

تم دعم هذا العمل من قبل وكالة ناسا، ومؤسسة العلوم الثنائية الأمريكية الإسرائيلية، ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، ووزارة العلوم والتكنولوجيا الإسرائيلية، والمركز الوطني الفرنسي لأبحاث الفضاء، والمعهد الوطني الفرنسي لعلوم الأرض والفلك، والأبحاث. مؤسسة النهوض بالعلوم، ومجلس البحوث الهولندي، والمفوضية الأوروبية، والصندوق المشترك لمشروع روزاليند فرانكلين التابع لجامعة جرونينجن، والمرصد الفلكي الوطني الياباني، ومختبر NOIR.