يسمع علماء الفلك همسات خافتة من الهيدروجين الكوني من الماضي البعيد

بنى العلماء التلسكوب الراديوي “MeerKAT”، الذي يتكون من 64 طبقًا هوائيًا، في مقاطعة كيب الشمالية بجنوب إفريقيا، لدراسة الهيدروجين الكوني وتكوين المجرات وتطورها، بالإضافة إلى مصادر الراديو العابرة. يُعتبر MeerKAT مقدمة لتلسكوب مصفوفة الكيلومتر المربع المزمع إنشاؤه، حيث يهدف إلى رسم خريطة للسماء الراديوية تمهيدًا لدراسات أكثر طموحًا تجمع بين البيانات من المصفوفات في جنوب إفريقيا وأستراليا.

في دراسة حديثة، كشف فريق من علماء الفلك من جامعة مانشستر في بريطانيا وجامعة ويسترن كيب في جنوب أفريقيا عن إشارة راديوية خافتة من غاز الهيدروجين، وُجدت على بُعد مليارات السنين الضوئية من الأرض. تشير هذه النتائج إلى إمكانية رسم خرائط كثافة الهيدروجين، وهي تقنية تسمح بدراسة نطاقات واسعة من الكون بكفاءة عالية.

يتكون الفريق البحثي من مختصين من مركز “جودريل بانك” للفيزياء الفلكية بجامعة مانشستر، وجامعة ويسترن كيب، ومعهد المرصد الملكي لعلم الفلك بجامعة إدنبرة، ومرصد علم الفلك الراديوي بجنوب إفريقيا (SARAO)، وجامعة ماكجيل في كندا. وقد كتب الباحث سوراب بول، الذي هو مؤلف رئيسي للورقة العلمية، أنه تم اكتشاف إشارة الهيدروجين لدى انزياحات حمراء تقارب ض = 0.32 و0.44، ما يعني أنها تعود لمسافات 3.67 و4.76 مليار سنة ضوئية.

الهيدروجين المكتشف كان موجودًا في الزمن الكوني عندما كان عمر الكون حوالي 10 و9 مليار سنة، على التوالي. تشمل تقنية رسم خرائط كثافة الهيدروجين اكتشاف وقياس الهيدروجين المحايد، الذي يصدر إشارة راديوية خافتة معروفة باسم خط 21 سم. مع تمدد الكون، يزداد طول موجة هذه الإشارة، مما يتيح للعلماء دراسة الكون في مراحل زمنية مختلفة.

تم استخدام هذه التقنية بواسطة أدوات مثل تجربة رسم خرائط كثافة الهيدروجين الكندية (CHIME) لقياس تاريخ توسع الكون ومراقبة تأثير الطاقة المظلمة. بدلاً من محاولة اكتشاف مصادر راديوية فردية، تقوم تقنية HIM بقياس الانبعاثات الراديوية المجمعة للعديد من المجرات. قام الفريق بتحليل 96 ساعة من بيانات MeerKAT التي جُمعت في عام 2018 واكتشفوا إشارتين سافرتا ما يقرب من أربعة وخمسة مليارات سنة للوصول إلى الأرض.

يعتبر هذا الاكتشاف الأول من نوعه حيث تم الكشف عن الهيدروجين الكوني بشكل مباشر باستخدام مرصد واحد، عوضًا عن دمج البيانات من مراصد متعددة. وأشار بول إلى أهمية هذا الاكتشاف بقوله: “هذا إنجاز مثير للغاية.. كانت فكرة رسم خرائط كثافة الهيدروجين تُعتبر منذ زمن بعيد كطريقة واعدة لرسم خريطة الكون بكفاءة، لكن الإشارة كانت ضعيفة بما فيه الكفاية لجعل عزلها عن التداخلات محتملًا. اكتشافها بشكل مباشر باستخدام MeerKAT يظهر أن هذه التقنية أصبحت أداة عملية لعلم الكونيات.”

الأمر المثير للإعجاب أن البيانات قد تم جمعها قبل ما يقرب من عقد من الزمن عندما كان MeerKAT قد بدأ للتو عملياته العلمية. يشير هذا الاكتشاف المبكر إلى أنه قد تكون هناك إشارات قيمة أخرى في بيانات المرصد الأرشيفية يمكن استخدامها لتوسيع الجهود في رسم خرائط الكون. لكن عملية الاكتشاف كانت صعبة، حيث تطلبت أخذ العديد من مصادر التلوث الراديوي في الاعتبار، والتي يمكن أن تحجب الإشارة الخافتة.

وأعربت البروفيسور لورا فولس، المؤلفة المشاركة من مركز جودريل بانك، عن تفاؤلها بالنتائج، حيث قالت: “يستمر MeerKAT في فتح نوافذ جديدة لعلم الكونيات. إن القدرة على استخلاص هذه الإشارة من عمليات الرصد التي لم تُصنع أساسًا لرسم خرائط كثافة الهيدروجين تبين القيمة العلمية الكبيرة لبيانات MeerKAT وتشير إلى الاتجاه المرغوب فيه للاستكشافات المستقبلية.”

يوفر هذا العمل فرصًا جديدة لدراسة كيف تتشكل المجرات وتحدث عبر الزمن الكوني بكفاءة أعلى مقارنة بالدراسات الفردية. كما أن له تداعيات رئيسية على المسوحات الكونية المستقبلية، والتي ستشمل دراسات HIM تُجرى باستخدام مرصد مصفوفة الكيلومتر المربع (SKAO). ستجمع هذه المجموعة بين البيانات من MeerKAT وInyarrimanha Ilgari Bundara، المعروف أيضًا باسم مرصد مورشيسون لعلم الفلك الراديوي (MRAO) في أستراليا، الذي من المتوقع أن يبدأ العمل في العام المقبل.

ستغطي الرصدات المستقبلية التي يقوم بها هذا المرصد ومراصد الجيل التالي مناطق أكبر من السماء لفترات زمنية أطول، مما يمكّن علماء الفلك من إجراء HIM بمزيدٍ من التفصيل. هذه الجهود ستوفر دلائل إضافية حول كيفية تشكل المجرات، ودور المادة المظلمة والطاقة المظلمة في تشكيل الشبكة الكونية، وستسمح للعلماء بتتبع التطور الكوني منذ العصور المبكرة من الكون.

قال الدكتور تشاوتينغ تشين، الباحث المشارك من جامعة إدنبرة: “يعتبر الهيدروجين المحايد مكونًا أساسيًا لفهم كيفية تشكل المجرات وتطورها. فعند رسم خرائط الكثافة، لم نعد في حاجة إلى اكتشاف كل مجرة على حدة، بل يمكننا قياس الإشارة الجماعية من الهيدروجين عبر مجالات كونية واسعة، مما يتيح لنا دراسة جديدة لتطور المجرات وتوزيع المادة الأساسية في الكون.”