نفد الوقود من المجرات “الميتة” في ظروف غامضة لتكوين نجوم في بدايات الكون

مجموعة مجرة ​​MACS J1341. الائتمان: المؤلف الرئيسي: NASA، ESA، Katherine E. Whitaker (UMass)، Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

يكتشف هابل مجرات ضخمة ومبكرة وهي فارغة

قد يكون شعار “عش سريعًا ، مت شابًا” هو شعار ست مجرات مبكرة ضخمة و “ميتة” تفتقر إلى غاز الهيدروجين البارد اللازم لتكوين النجوم في وقت مبكر من حياة الكون. عاشت هذه المجرات حياة سريعة وغاضبة ، وخلقت نجومها في وقت قصير بشكل ملحوظ. ولكن بعد ذلك نفد غازهم حرفياً وأوقفوا تشكل النجوم. بدون المزيد من الوقود لإنشاء النجوم ، كانت هذه المجرات تعمل فارغة. لماذا حدث ذلك في وقت مبكر جدا هو لغزا.

ناسا‘س تلسكوب هابل الفضائي، مع مصفوفة أتاكاما كبيرة المليمتر / المتر (ألما) في شمال تشيلي ، وجدت هذه المجرات الغريبة تنظر إلى الوراء بلايين السنين إلى ذروة ولادة النجوم في الكون. لتحديد موقع المجرات البعيدة جدًا ، جمع العلماء بين قوة هابل وألما مع مجموعات مجرات ضخمة في المقدمة تعمل مثل التلسكوبات الطبيعية. من خلال ظاهرة تسمى عدسة الجاذبية القوية ، فإن الجاذبية الهائلة لمجموعة مجرات عملاقة تشوه الفضاء ، وتثني وتضخم ضوء الأجسام الموجودة في الخلفية. عندما يتم وضع مجرة ​​قديمة وضخمة وبعيدة خلف مثل هذا العنقود ، فإنها تبدو ممتدة ومتضخمة بشكل كبير ، مما يسمح لعلماء الفلك بدراسة التفاصيل التي كان من المستحيل رؤيتها لولا ذلك.

هذه الصور مركبة من تلسكوب هابل الفضائي التابع لوكالة ناسا ومصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية / ما دون المليمتر (ALMA). تُظهر الصور المؤطرة والمستخرجة اثنتين من ست مجرات بعيدة وضخمة حيث وجد العلماء أن تكوين النجوم قد توقف بسبب استنفاد مصدر الوقود ، غاز الهيدروجين البارد.
وجد هابل ، جنبًا إلى جنب مع ALMA ، هذه المجرات الغريبة عندما جمعت قواها مع “العدسة الطبيعية” في الفضاء التي خلقتها مجموعات ضخمة من المجرات في المقدمة. تمتد جاذبية العناقيد وتضخم ضوء المجرات الخلفية في تأثير يسمى عدسة الجاذبية. تسمح هذه الظاهرة لعلماء الفلك باستخدام مجموعات المجرات الضخمة كنظارات مكبرة طبيعية لدراسة التفاصيل في المجرات البعيدة التي كان من المستحيل رؤيتها لولا ذلك.
يتتبع اللون الأصفر توهج ضوء النجوم. يتتبع اللون الأرجواني الاصطناعي الغبار البارد لملاحظات ALMA. يستخدم هذا الغبار البارد كبديل لغاز الهيدروجين البارد المطلوب لتكوين النجوم.
حتى مع حساسية ALMA ، لا يمكن للعلماء اكتشاف الغبار في معظم المجرات الست التي تم أخذ عينات منها. مثال على ذلك MRG-M1341 ، أعلى اليمين. يبدو مشوهاً بواسطة التأثيرات البصرية للعدسة “مرآة المرح”. في المقابل ، فإن البقعة الأرجوانية الموجودة على يسار المجرة هي مثال لمجرة غنية بالغبار والغاز.
مثال على كشف الغبار البارد الذي أجرته ALMA هو المجرة MRG-M2129 في أسفل اليمين. المجرة ليس لديها سوى الغبار والغاز في مركزها. يشير هذا إلى أن تشكل النجوم ربما يكون قد توقف من المحيط إلى الداخل.
الائتمان: المؤلف الرئيسي: NASA، ESA، Katherine E. Whitaker (UMass)، Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

عندما كان عمر الكون حوالي 3 مليارات سنة ، أي 20٪ فقط من عمره الحالي ، شهد أكثر فترات ولادة النجوم غزارة في تاريخه. ولكن عندما نظر تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا ومصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية / ما دون المليمتر (ALMA) في شمال تشيلي نحو الأجسام الكونية خلال هذه الفترة الزمنية ، وجدوا شيئًا غريبًا: ستة مجرات مبكرة ، ضخمة و “ميتة” نفد الهيدروجين البارد منها . الغاز اللازم لصنع النجوم.

بدون مزيد من الوقود لتشكيل النجوم ، كانت هذه المجرات تعمل على أرض فارغة. يتم نشر النتائج في المجلة الطبيعة.

“في هذه المرحلة من كوننا ، يجب أن تشكل جميع المجرات الكثير من النجوم. أوضحت الكاتبة الرئيسية كيت ويتاكر ، الأستاذة المساعدة في علم الفلك بجامعة ماساتشوستس ، أمهيرست ، أن هذا هو وقت الذروة لتكوين النجوم. ويتاكر هو أيضًا أستاذ مشارك في مركز الفجر الكوني في كوبنهاغن ، الدنمارك. “إذن ما الذي حدث لكل الغازات الباردة في هذه المجرات بهذه السرعة؟” “

هذه الدراسة هي مثال كلاسيكي على الانسجام بين ملاحظات Hubble و ALMA. حدد هابل مكان وجود النجوم في المجرات ، موضحًا مكان تشكلها في الماضي. من خلال الكشف عن الغبار البارد الذي يعمل كبديل لغاز الهيدروجين البارد ، أظهر ALMA لعلماء الفلك أين يمكن أن تتشكل النجوم في المستقبل إذا كان هناك وقود كافٍ.

مجموعة المجرات MACS J1341 و MACS J2129. الائتمان: المؤلف الرئيسي: NASA، ESA، Katherine E. Whitaker (UMass)، Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

باستخدام تلسكوبات الطبيعة

كانت دراسة هذه المجرات البعيدة والميتة المبكرة جزءًا من برنامج REQUIEM ، والذي يسمى حل المجرات المكبرة QUIEscent عند الانزياح الأحمر العالي. (يحدث الانزياح الأحمر عندما يتمدد الضوء عن طريق توسيع الفضاء ويظهر متحركًا نحو الجزء الأحمر من الطيف. وكلما كانت المجرة بعيدة عن الراصد ، زادت احمرارها.)

يستخدم فريق REQUIEM عناقيد المجرات الأمامية الضخمة للغاية كتلسكوبات طبيعية. الجاذبية الهائلة لمجموعة من المجرات تشوه الفضاء ، وتثني وتضخم ضوء الأجسام الموجودة في الخلفية. عندما يتم وضع مجرة ​​قديمة وضخمة وبعيدة خلف مثل هذا العنقود ، فإنها تبدو ممتدة ومتضخمة بشكل كبير ، مما يسمح لعلماء الفلك بدراسة التفاصيل التي كان من المستحيل رؤيتها لولا ذلك. وهذا ما يسمى “عدسة الجاذبية القوية”.

فقط من خلال الجمع بين الدقة الرائعة لـ Hubble و ALMA مع هذه العدسة القوية تمكن فريق REQUIEM من فهم تكوين هذه المجرات الست ، والتي ظهرت قبل بضعة مليارات من السنين فقط بعد الانفجار العظيم.

قال ويتاكر: “باستخدام عدسة جاذبية قوية كتلسكوب طبيعي ، يمكننا العثور على المجرات البعيدة والأكثر ضخامة والأولى لإيقاف تشكل النجوم”. “أحب أن أفكر في الأمر على أنه ممارسة للعلم في الثلاثينيات أو الأربعينيات من القرن الماضي – باستخدام تلسكوبات فضائية قوية من الجيل التالي – ولكن اليوم أكثر من مزيج من قدرات Hubble و ALMA ، التي تدعمها عدسة واحدة قوية.”

قال محمد أخشيك ، الباحث الرئيسي في برنامج رصد هابل: “لقد جمعت REQUIEM أكبر عينة حتى الآن من هذه المجرات الميتة النادرة القوية العدسة في الكون المبكر ، والعدسة القوية هي المفتاح هنا”. “إنه يضخم الضوء في جميع الأطوال الموجية لذلك يسهل اكتشافه ، كما تحصل أيضًا على دقة مكانية أعلى عندما تكون هذه المجرات ممتدة عبر السماء. يمكنك أن ترى ما بداخلها بمقاييس مادية أكثر دقة لفهم ما يحدث.

عش سريعا تموت صغيرا

لا يبدو أن هذه الأنواع من المجرات الميتة تعمل على تجديد شبابها ، حتى من خلال عمليات اندماج وتراكم ثانوية لاحقة للمجرات الصغيرة والغازات القريبة. التهام الأشياء من حولهم يؤدي فقط إلى “تضخم” المجرات. إذا عاد تشكيل النجم ، فقد وصفه ويتاكر بأنه “نوع من الصقيع”. بعد حوالي 11 مليار سنة في الكون الحالي ، يُعتقد أن هذه المجرات التي كانت مضغوطة ذات يوم قد تطورت لتصبح أكبر ، لكنها لا تزال ميتة من حيث تشكل النجوم الجديدة.

عاشت هذه المجرات الست حياة سريعة وغاضبة ، وخلقت نجومها في وقت قصير بشكل ملحوظ. لماذا توقفوا عن تشكيل النجوم في وقت مبكر جدا لا يزال لغزا.

يقدم ويتاكر عدة تفسيرات محتملة: الثقب الأسود في وسط المجرة ، قم بتشغيل وتسخين كل الغاز؟ إذا كان الأمر كذلك ، فقد لا يزال الغاز موجودًا ، لكنه ساخن الآن. أو ربما يكون قد تم طرده وهو الآن ممنوع من التراكم مرة أخرى في المجرة. أم أن المجرة استخدمت كل شيء وانقطع العرض؟ هذه بعض الأسئلة المفتوحة التي سنواصل استكشافها بملاحظات جديدة في المستقبل. “

المرجع: “تؤدي مكامن الغاز المستنفدة إلى الانقراض الجماعي للمجرات في بدايات الكون” بقلم كاثرين إي ويتاكر وكريستينا سي ويليامز ولاميا موولا وجوستين إس سبيلكر وسون توفت وديسيكا نارايانان وألكسندرا بوب وجورجيوس إي. ج. فان دوكوم ، محمد أخشيك ، راشيل بيزانسون ، غابرييل برامر ، جويل ليجا ، أليسون مان ، إريكا ج.نلسون ، جوهان ريتشارد ، كاميلا باسيفيكي ، كيرين شارون وفرانشيسكو فالنتينو ، 22 سبتمبر 2021 ، الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03806-7

تلسكوب هابل الفضائي هو مشروع تعاون دولي بين وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية (وكالة الفضاء الأوروبية). يدير التلسكوب مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند. يجري معهد علوم تلسكوب الفضاء (STScI) في بالتيمور بولاية ماريلاند عمليات علوم هابل. يتم تشغيل STScI لصالح وكالة ناسا من قبل اتحاد الجامعات لأبحاث علم الفلك ، في واشنطن العاصمة