لقد مر الكون بالعديد من التغييرات الحاسمة على مدار تاريخه الذي يزيد عن 13 مليار عام. كانت إحدى مراحلها هي العصور المظلمة، والتي بدأت بعد إعادة التركيب واستمرت حتى ما بين حوالي 150 ألف إلى مليار سنة بعد الانفجار الكبير. وانتهت بعصر إعادة التأين (EoR)، عندما تم إعادة تأين ذرات الهيدروجين المحايدة في الكون المبكر. في ذلك الوقت، كان الضوء قادرًا على السفر بحرية عبر الكون، وانتهت العصور المظلمة.
يقول التفكير القياسي أن العصور المظلمة انتهت بسبب تشكل النجوم والمجرات والكوازارات/النوى المجرية النشطة. لقد كانوا مسؤولين عن إعادة تأين الهيدروجين باستخدام الأشعة فوق البنفسجية. لكن هناك نقص في الوضوح عندما يتعلق الأمر بالتفاصيل. من المحتمل أن تكون انفجارات المستعرات الأعظمية المبكرة قد ساهمت في عملية الاستخلاص المعزز، لكن تفاصيل مساهمتها غير واضحة.
إن كيفية عمل كل ذلك في EoR هو موضوع دراسة عميقة في علم الكونيات. يعرف علماء الكون أن ذلك قد حدث، لكن الأدوار النسبية التي لعبتها المصادر المؤينة المختلفة ليست واضحة. يعد انفجار المستعر الأعظم حدثًا نشطًا للغاية، لكن ضوءه بصري إلى حد كبير، وليس مؤينًا. ما هو الدور الذي لعبوه في عملية استخلاص الموارد؟
يبحث بحث جديد في علم الفلك الطبيعي دور المستعرات الأعظم في إعادة التأين. إنه بعنوان “الهروب المستمر ليمان أثناء بداية الرياح المجرية في الانفجارات النجمية المدمجة”، والمؤلف الرئيسي هو الدكتور كودي كار. كار هو باحث ما بعد الدكتوراه في قسم علم الفلك وزميل التلسكوب الكبير للغاية في جامعة ميشيغان، وكان سابقًا من جامعة تشجيانغ في الصين.
ونحن نعلم أن الإشعاع المؤين عالي الطاقة هو الذي تسبب في عملية الاستخراج المعزز، وأنه كان بمثابة تحول كبير. وقال المؤلف الرئيسي كار: “في النهاية، عندما تأين غالبية الهيدروجين الذي ملأ الفضاء بين المجرات، كانت تلك نهاية إعادة التأين ونحن نرى الكون اليوم”. “نحن نسمي إعادة التأين آخر مرحلة انتقالية رئيسية للكون.”
نحن نعلم أيضًا أن عدد المجرات في المجرة المبكرة كان مختلفًا عما هو عليه اليوم، وأنها وفرت ما يكفي من الطاقة لإعادة التأين، لأن الكون لم يعد معتمًا.
كتب المؤلفون: “إن وفرة المجرات المدمجة التي تشكل النجوم بالأشعة فوق البنفسجية في الكون المبكر تشير إلى أن الفوتونات عالية الطاقة (Lyman continuum (LyC); lect < 912 Å) من النجوم الضخمة وحدها يمكن أن تعيد تأين الوسط بين المجرات". "ومع ذلك، فإن كفاءة فوتونات LyC في الهروب من هذه الأنظمة - والأدوار النسبية للإشعاع والرياح النجمية والمستعرات الأعظمية في تنظيم هذا الهروب - لا تزال غير مؤكدة."
هذه نقطة حرجة. أنتجت المجرات المبكرة الإشعاع. ولكن هل كانت هناك عوائق تحول دون هروبه من مجرته المصدر؟ كيف تناسبت جميع القطع المتحركة معًا؟
قال كار، الذي قاد وأجرى الدراسة كباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة تشجيانغ في الصين قبل انضمامه إلى جامعة UM: “لا نعرف بالضبط ما هي الأشياء التي تسببت في إعادة التأين أو كيف تطورت”. “نحن نعلم أن ذلك قد حدث، ولكن ليس لدينا إجابات كاملة على هذه الأسئلة.”
المجرات عبارة عن مجموعات من النجوم والغاز، وتقول إحدى النظريات إن انفجارات المستعرات الأعظم والرياح التي تحركها يمكن أن تحفر قنوات منخفضة الكثافة في غاز المجرة. لذا بدلًا من أن يمتصها الهيدروجين المحايد في المجرات، يمكن للفوتونات المؤينة من المجرة الهروب إلى IGM. المستعرات الأعظمية تفتح بشكل أساسي قنوات لإعادة التأين.
واختبر الباحثون هذه النظرية مقابل ملاحظات هابل. هناك مجرات محلية لتشكل النجوم تشبه إلى حد كبير تلك الموجودة في EoR، ويمكن استخدامها كوكلاء.
يشرح المؤلفون: “هنا، باستخدام أطياف متوسطة الدقة لستة مجرات محلية متشابهة لتشكل النجوم تمتد على نطاق من عصور الانفجار النجمي، فإننا نتتبع مباشرة إطلاق رياح مجرية متعددة الأطوار من خلال خطوط طيفية فردية جنبًا إلى جنب مع قياسات جزء الهروب من LyC”. تحتوي الرياح متعددة الأطوار على غاز بدرجات حرارة مختلفة وحالات تأين مختلفة في وقت واحد.
أدت إعادة التأين إلى إنهاء العصور المظلمة وجعلت الكون شفافًا في النهاية. يصف المؤلفون عملية إعادة التأين بأنها المرحلة الانتقالية الرئيسية الأخيرة في الكون. حقوق الصورة: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، STScI
تظهر نتائجهم أنه في البداية، تقوم الرياح المجرية – المدفوعة جزئيًا بالمستعرات الأعظم – بحفر مسارات منخفضة الكثافة تساعد على الهروب من LyC. كتب المؤلفون في بحثهم: “تفضل هذه النتائج معًا سيناريو تقوم فيه الرياح الممتلئة بالحجم – المدفوعة بالإشعاع والرياح النجمية وربما بمساعدة عدد قليل من المستعرات الأعظم المبكرة من النجوم الأكثر ضخامة – بطرد المادة الأولى من ISM في انفجارات نجمية مدمجة”. “ردود الفعل المبكرة وتكتل مسارات منخفضة الكثافة المفتوحة مع القليل من الغبار أو الغاز المحايد، مما يخلق الظروف المثالية للهروب من LyC.”
لكن هذا لا يدوم. في نهاية المطاف، تخلق المستعرات الأعظمية غبارًا محايدًا في التدفق الخارجي للمجرة الذي يمتص LyC، مما يخلق حاجزًا أمام هروبه.
“مع حدوث المزيد من المستعرات الأعظمية، فإنها تدفع كتلة محايدة إضافية إلى التدفق الخارجي. من المحتمل أن تدمر هذه المستعرات الأعظم السحب الكثيفة وتقتطع قنوات أقل، لكن التحميل الشامل المصاحب وتولد الغبار وزيادة الحجم الجانبي للرياح يقلل من أجزاء هروب ليمان في المتوسط.”
قال ستيفان ماكاندليس، كبير مؤلفي الدراسة الجديدة ومدير مركز علوم الفيزياء الفلكية في جامعة جونز هوبكنز: “يبدو أن مدخلات الطاقة من المستعرات الأعظم قد أثارت المناطق المحيطة وزادت، بدلاً من تقليل، تغطية الغاز المحايد والغبار الذي يمنع هروب الإشعاع المؤين”.
وفي النهاية، عندما أصبحت أعمدة الغاز والغبار أكثر كثافة، فقد منعت هروب LyC تمامًا.
تُظهر هذه اللوحات رسماً توضيحياً فنياً لتطور ردود الفعل النجمية في المجرات المدمجة التي تشكل النجوم. تُظهر المناطق الحمراء الرياح متعددة الأطوار، حيث يمتد الغاز إلى عدة درجات حرارة وحالات تأين؛ تظهر الظلال الفاتحة غازًا أقل كثافة. في البداية، يؤدي الإشعاع المكثف والرياح النجمية السريعة إلى تدفق المجرة البطيء إلى الخارج، مما يؤدي إلى إزالة الغاز والغبار. يؤدي تكتل الغاز والتغذية المرتدة المؤينة القوية إلى هروب LyC السريع. عندما تبدأ المستعرات الأعظم في الانفجار، فإنها تدفع الكتلة المحايدة والغبار إلى داخل المجرة ISM، مما يقلل من متوسط هروب LyC، على الرغم من اقتطاع قنوات منخفضة الكثافة لهروب LyC. وفي وقت لاحق، تمنع الرياح واسعة النطاق المدفوعة بالمستعرات الأعظمية هروب LyC. حقوق الصورة: Carr, C., Cen, R., McCandliss, S. et al. هروب ليمان المستمر أثناء بداية الرياح المجرية في انفجارات نجمية مدمجة. نات أسترون (2026).
وقال كار: “في الأساس، كيف كانت هذه المجرات تسرّب الإشعاع المؤين، لم يكن هذا ما كنا نظنه”.
النتائج تصب الماء البارد على فكرة أن المستعرات الأعظم كانت مساهما هاما في EoR. في الواقع، إنهم يدعمون نظرية بديلة. تظهر النتائج أن النجوم الشابة قامت بطرد الإشعاعات المؤينة من مجراتها قبل أن يكون هناك ما يكفي من الوقت حتى تنفجر العديد من المستعرات الأعظم.
المشكلة هي أن عمليات المحاكاة الكونية تظهر أن المستعرات الأعظم لعبت دورًا مهمًا في إعادة التأين. ولكن عمليات المحاكاة تأخذ المقعد الخلفي للملاحظات.
وقال رينيو سين، أحد كبار مؤلفي الدراسة وأستاذ ومدير مركز علم الكون والفيزياء الفلكية الحاسوبية بجامعة تشجيانغ: “تلعب المستعرات الأعظم دورًا رئيسيًا في عمليات المحاكاة الهيدروديناميكية الكونية التي تشرح كيفية هروب الإشعاع المؤين من المجرات”. “تسلط النتائج التي توصلنا إليها الضوء على الحاجة إلى دراسة كيفية تشكيل الإشعاع والرياح الصادرة عن النجوم الشابة للغاز المحيط قبل انفجار المستعرات العظمى الأولى.”
