تبدو المجرات ونجومها في بداية الكون أغرب كثيرًا من تلك التي نراها اليوم، ويريد علماء الفلك معرفة السبب. قرر فريق من الباحثين في جامعة يوتا مسح نجوم معينة في المجرات القريبة لتمثيل تلك التي كانت موجودة عندما كان الكون لا يزال في مهده. استخدم المسح، الذي أطلق عليه اسم “خزانة النجوم الفقيرة للغاية بالمعادن (TEMPOS)، الضوء فوق البنفسجي المتدفق من تلك النجوم القريبة نسبيًا كما تم اكتشافه بواسطة مطياف الأصول الكونية التابع لتلسكوب هابل الفضائي.

يمكن للدراسة الناتجة أن تعطي علماء الفلك نماذج أفضل بكثير لنجوم “السكان III” الوحشية التي تشكلت لأول مرة بعد بضع مئات الملايين من السنين بعد الانفجار الكبير، وفقًا لقائدة الدراسة جريس تيلفورد (أستاذ مساعد في الفيزياء وعالم الفلك في ولاية يوتا). تحدد مجموعة بيانات فريقها من المسح تلك النجوم لإجراء دراسات فيزيائية فلكية عميقة. إن المجرات الضخمة مثل تلك الموجودة في المسح (والتي تحاكي ما كانت عليه النجوم في بدايات الكون) لها تأثير كبير على تطور مجراتها.

وقال تيلفورد: “إنها تحترق بشدة، وساطعة، وسريعة، وتنتهي حياتها القصيرة على شكل انفجارات مستعرات أعظمية تودع الكثير من الطاقة والمواد في الغاز المحيط”. “إنها تتحكم في تطور المجرات المضيفة لها عن طريق التسخين وتنظيم الغاز المتاح بعد ذلك للتبريد والتشكل إلى نجوم جديدة.”

الحجم النسبي للشمس (أعلى اليسار) مقارنة بنجمين في النظام الثنائي Wolf-Rayet 140. النجوم من النوع O قصيرة العمر وهي من أكبر وألمع النجوم في الكون. نجوم Wolf-Rayet هي نجوم من النوع O تقترب من نهاية حياتها، وتطلق كميات هائلة من الكتلة إلى الفضاء عبر الرياح النجمية، مما يكشف طبقاتها الداخلية الساخنة. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

لماذا تعتبر النجوم الضخمة والمبكرة غريبة؟

كانت إحدى المهام الرئيسية لتلسكوب هابل الفضائي دائمًا هي النظر إلى أبعد ما يمكن في الزمن الكوني. بدأت رؤيته للمجرات البعيدة مع أول مسح ميداني عميق له، في عام 1995. وحتى ذلك الحين، بدت المجرات الصغيرة البعيدة التي عثر عليها غريبة، وليست تمامًا مثل تلك التي نراها اليوم. أراد علماء الفلك معرفة قصة تكوين الكون المبكر؛ هل النجوم أولاً أم المجرات؟ ما وجدوه هو أن النجوم الأولى كانت على الأرجح تلك الوحوش، والتي تشكلت من الوفرة الهائلة من الهيدروجين المتوفر في الكون الوليد. كانت تلك النجوم أكبر بعشر مرات من كتلة الشمس، وسلوكها – تألق ساطعًا واحتراقًا ساخنًا وسريعًا – يعني أنها لم تعيش تقريبًا لمدة طويلة مثل النجوم مثل الشمس (وهي نجمة من الفئة I).

وكانوا أيضًا ما يسميه علماء الفلك “فقراء المعادن”. كانت تلك النجوم الأولى تتكون أساسًا من الهيدروجين والهيليوم. ويشار إلى العناصر الأثقل من هذين العنصرين، مثل الكربون والأكسجين والنيتروجين وما إلى ذلك، باسم “المعادن”. لذلك، فإن النجم الفقير بالمعادن يتكون في الغالب من الهيدروجين. هذه الأوائل تناسب الوصف. ولكن، كما تفعل معظم النجوم، فإنها تقوم بتحويل الهيدروجين إلى هيليوم، ومن ثم إلى معادن أثقل، وصولاً إلى الحديد. عندما ماتوا في انفجارات سوبر نوفا ضخمة وكارثية، تناثرت العناصر التي تم إنشاؤها في الصياغة النجمية إلى الوسط بين النجوم.

وكانت المجرات الأولى في الكون، والتي كانت تتكون من الهيدروجين وهذه النجوم، فقيرة أيضًا بالمعادن. تغير ذلك عندما ماتت نجومهم وتناثرت بقاياهم في الفضاء. توفر دراسة هذه النجوم الضخمة والغريبة في العصور المبكرة الكثير من الأفكار الفريدة حول الظروف التي كانت عليها المجرات الأولى. وفقًا لتيلفورد، لا توفر النجوم الضخمة في العصر الحديث نفس “الإحساس” بالظروف القديمة. ولهذا السبب كان من المهم البحث عن النجوم الفقيرة بالمعادن في المجرات التي تشبه الكون المبكر. وقال تيلفورد: “إن النجوم الضخمة ذات المعدن المنخفض لها أهمية خاصة لبناء نماذج دقيقة للمجرات المبكرة”. “ولا يمكننا أن ندرس فقط كيف تتصرف النجوم الضخمة الغنية بالمعادن في درب التبانة لتفسير تلك الملاحظات.”

TEMPOS والمجرات

يشتمل كتالوج TEMPOS على نظرة على المجرات القزمة القريبة ذات الكتلة المنخفضة والتي تشبه المجرات القديمة أكثر من مجرة ​​درب التبانة. من المؤكد أن مجرة ​​درب التبانة (والشمس) ليست فقيرة بالمعادن، ولهذا السبب بحث الفريق خارج مجرتنا عن الإجابات. ركز بحث TEMPOS على 29 نجمًا ضخمًا فقيرًا بالمعادن في مجرات ذات معادن أقل بكثير من الشمس. وأظهرت أطياف الأشعة فوق البنفسجية من تلك النجوم محتواها المعدني بالإضافة إلى خصائص رياحها النجمية. وتحمل هذه الرياح المواد بعيدًا عن النجوم، مثلما تفعل الرياح الشمسية لشمسنا.

تعتبر الرياح الصادرة عن النجوم الضخمة وسيلة رئيسية لفقد هذه الأجسام كتلتها إلى الفضاء (قبل موتها). تحدد المعدن مدى قوة تلك الرياح، حيث تربط الأيونات المعدنية إشعاع النجم بالمادة التي يفقدها. بشكل عام، بالنسبة لهذه النجوم، كلما انخفضت معدنها، كانت الرياح أضعف. وهذا يعني أنهم يفقدون كتلة أقل خلال حياتهم من خلال الرياح النجمية. تعكس بيانات TEMPOS تلك الخصائص. لقد انخفضت سرعة الرياح في النجوم ذات المعادن المنخفضة للغاية. إذا فقدت هذه النجوم كتلة أقل خلال حياتها (قبل أن تنفجر كمستعرات عظمى)، فإن تطورها وموتها في نهاية المطاف يلعب دورًا في الطريقة التي تتطور بها المجرات المضيفة لها.

هناك عنصر واحد على وجه الخصوص يلعب دورًا في الرياح النجمية، وهو الحديد. فقط النجوم الأكثر ضخامة هي التي تشكل الحديد في قلوبها، تلك التي تموت في انفجارات المستعرات الأعظم. إنه أمر نادر إلى حد ما في المناطق الفقيرة بالمعادن، لكن علماء الفلك يريدون معرفة مقدار وجوده في المجرة. اكتشف فريق TEMPOS ميزات امتصاص الحديد في أطياف الأشعة فوق البنفسجية المأخوذة باستخدام Hubble COS، وكانت النتيجة مثيرة للاهتمام وستتطلب المزيد من الدراسة والبيانات. وبشكل أساسي، وجدوا أن النجوم الضخمة في المجرات ذات المعادن العالية لديها إشارات حديدية أقوى من النجوم الموجودة في المجرات الفقيرة بالمعادن. إذا ظهرت هذه النتيجة في المجرات المبكرة البعيدة، فمن المحتمل أن النجوم الفقيرة بالمعادن في العصور المبكرة لا تزال تتمتع بمجموعة من وفرة الحديد. سيخبر هذا علماء الفلك كيف تعمل فيزياء النجوم الضخمة وكيف تتغير مع كمية الحديد، حتى في المناطق المعدنية المنخفضة جدًا في الكون الوليد.

إن عمل TEMPOS له تطبيق فوري على عمليات رصد الكون المبكرة التي قام بها تلسكوب جيمس ويب الفضائي. إنها حاليًا توسع نطاق رؤيتنا لتشمل بعضًا من أقدم العصور للكون المرئي وربما تكون على وشك الحصول على مناظر جيدة لأقرب النجوم التي ولدت. البيانات من المسح متاحة للجمهور عبر أرشيف ميكولسكي للتلسكوبات الفضائية التابع لمعهد علوم التلسكوب الفضائي.

صورة JWST هذه عبارة عن منظر عميق للكون يعرض جزءًا من مجال COSMOS-Web الذي تم الحصول عليه باستخدام التلسكوب الفضائي القوي. أنه يحتوي على مجموعة واسعة من المجرات. المجرات الأكثر احمرارًا والتي تشبه النقطة هي من أبعد وأقدم المجرات التي شوهدت على الإطلاق. مصدر الصورة: ESA/Webb، NASA & CSA، G. Gozaliasl، A. Koekemoer، M. Franco، وفريق COSMOS-Web

لمزيد من المعلومات

المجرات في الكون المبكر غريبة هؤلاء النجوم قد يفسرون السبب

خزانة النجوم الفقيرة للغاية بالمعادن