تم الكشف عن سر النمو السريع للمجرات العملاقة في فجر الكون

على مدى عقدين من الزمن، ظل علماء الفلك في حيرة من أمرهم من ملاحظة تتحدى التوقعات: توجد مجرات ضخمة ومتطورة بعد عدة مليارات من السنين من الانفجار الكبير. يفرض المنطق أنه في التاريخ المبكر للكون، لا يمكن العثور إلا على المجرات التي تحتوي على نجوم شابة وتكوين نجوم نشط. في الواقع، المجرات الإهليلجية ذات التجمعات النجمية القديمة والغياب شبه الكامل للغاز البارد، المادة الخام لولادة النجوم الجديدة، موجودة في كل مكان. تتحدى هذه النتائج النماذج المقبولة عمومًا لتكوين الهياكل الكونية.

ساعدت عمليات الرصد الراديوي لأحد المصانع النجمية الأكثر إنتاجية في حل هذا اللغز الكوني. شارك العلماء النتائج التي توصلوا إليها في مجلة الفيزياء الفلكية.

“في الصورة الهرمية المقبولة عمومًا، حيث تزيد المجرات الكبيرة كتلتها تدريجيًا – من خلال تفاعلات الجاذبية واندماج “لبنات بناء” أصغر – يجب أن يتبع تكوين بعض المجرات الإهليلجية العملاقة مسارًا مختلفًا تمامًا عما كان يُعتقد سابقًا. فبدلاً من تراكم الكتلة ببطء على مدى 14 مليار سنة، يمكن لمجرة إهليلجية ضخمة أن تظهر بسرعة – في بضع مئات الملايين من السنين فقط. ويمكن أن تولد نتيجة لانهيار واندماج بنية أولية كبيرة في يقول المؤلف الرئيسي نيكولاس سولزيناور من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي: “لقد وجدنا أن الهياكل ذات الكثافة الأعلى كان ينبغي أن تكون أول من انفصل عن توسع الكون عندما كان 10٪ فقط من عمره الحالي، ثم قام بتجميع العناقيد الأولية بأكملها بسرعة”.

مع توسع الفضاء، تباعدت أيضًا الهياكل المملوءة بالغاز الأولى التي تغلغلت في الكون بعد ذلك، إلى الجانبين. يؤدي ضغط الغاز إلى إنتاج ألعاب نارية كونية، مشرقة بشكل مبهر بسبب التسخين في مراكز تكوين النجوم. يعد هذا التوهج منارة حقيقية في الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء البعيدة والمليمترية، ويمكن رؤيتها بأدوات مثل ALMA وAPEX.

أقوى مصنع النجوم

قام الباحثون بدراسة الغاز البارد والغبار الموجود في المركز SPT2349-56 – مجموعة أولية نراها كما كانت بعد 1.4 مليار سنة فقط من الانفجار الكبير. تقع في كوكبة فينيكس الجنوبية. يقدم SPT2349-56 لمحة نادرة عن مجموعات المجرات الأولى – المراكز الرئيسية لتشكيل الأنظمة الإهليلجية الضخمة.

يقول أكسل فايس، الذي شارك في الاكتشاف الأصلي لهذا الجسم باستخدام تلسكوب APEX: “يحمل SPT2349-56 الرقم القياسي باعتباره أقوى مصنع للنجوم”.

ويؤكد رايلي هيل من جامعة كولومبيا البريطانية: «وجدنا في مركزها أربع مجرات متفاعلة بشكل وثيق تنتج معًا نجمًا واحدًا كل 40 دقيقة».

للمقارنة: في مجرتنا درب التبانة، يولد ثلاثة أو أربعة نجوم سنويا.

“تطلق هذه المجرة الرباعية أذرع مد وجزر عملاقة متماسكة تتحرك بسرعة 300 كيلومتر في الثانية وتمتد على مساحة أكبر بكثير من درب التبانة. وهي تتألق بشكل مشرق في نطاق أقل من المليمتر، ويتم تعزيز لمعانها بمقدار عشرة أضعاف بواسطة موجات الصدمة التي تثير ذرات الكربون المتأينة. وقد سمح لنا هذا الانبعاث الساطع بقياس حركة الغاز بدقة في هذا الحلزون المقذوف بفعل الجاذبية، والذي، مثل الخرز على الخيط، يطوق قلب الكتلة الأولية. ولدهشتنا، فإن كتلًا من حطام المد والجزر ترتبط في سلسلة واحدة بعشرين مجرة ​​متصادمة أخرى على محيط البنية المنهارة. وهذا يدل على أصل مشترك. ولأول مرة، نشهد بداية التحول المتسلسل الناجم عن سلسلة من عمليات الاندماج. يقول سولزيناور: “معظم المجرات الأربعين الغنية بالغاز الموجودة في هذا المركز محكوم عليها بالانهيار والتحول في النهاية إلى مجرة ​​إهليلجية عملاقة في أقل من 300 مليون سنة، وهي لحظة من الناحية الكونية”.

تبقى الأسئلة

كشفت عمليات المحاكاة العددية التفصيلية عن وجود روابط بين ملاحظات هذه المجموعة الأولية المنهارة والدراسات السابقة لمجموعات المجرات الناضجة. إن أوجه التشابه المذهلة بين الأجسام من العصور الكونية المختلفة لا تؤكد فقط الدور الحاسم للاندماجات الكبرى المتزامنة في تكوين المجرات الضخمة، ولكنها قد تفسر أيضًا كيفية تسخين العناصر الثقيلة (مثل الكربون) وتوزيعها داخل مجموعات المجرات الأولى.

“بينما تفتح نتائجنا آفاقًا مثيرة لفهم التكوين السريع للمجرات الإهليلجية، تظل هناك العديد من الأسئلة: تفاعل موجات الصدمة الناتجة عن عمليات الاندماج، وتسخين الغاز أثناء نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة، وتأثيرها على إمدادات الوقود اللازمة لتشكيل النجوم، كلها لا تزال ألغازًا كبيرة. لذا، قد يكون من السابق لأوانه القول بأننا قد استوعبنا تمامًا “الطفولة المبكرة” للمجرات الإهليلجية العملاقة – لكننا أحرزنا تقدمًا كبيرًا في هذا الاتجاه،” يلخص سكوت تشابمان من جامعة دالهوزي.