تم التأكد من وجود المجرتين الثانية والرابعة الأكثر بعدًا على الإطلاق (UNCOVER z-13 وUNCOVER z-12) باستخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRCam) لتلسكوب جيمس ويب الفضائي. تقع المجرات في مجموعة باندورا (Abell 2744)، وتظهر هنا كأطوال موجية من الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء والتي تمت ترجمتها إلى ألوان الضوء المرئي. يتم التعبير عن حجم الصورة العنقودية الرئيسية بالثواني القوسية، وهو مقياس للمسافة الزاوية في السماء. تشير الدوائر الموجودة في الصور بالأبيض والأسود، والتي تُظهر المجرات الموجودة في نطاق مرشح NIRCam-F277W الموجود على متن تلسكوب جيمس ويب، إلى حجم فتحة يبلغ 0.32 ثانية قوسية. المصدر: الصورة العنقودية: NASA, UNCOVER (Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) الإدخالات: NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) التركيب: داني زيمبا/ ولاية بنسلفانيا
أكدت عمليات الرصد اللاحقة في مجموعة باندورا وجود المجرتين الثانية والرابعة الأكثر بعدًا على الإطلاق، وهي أكبر من المجرات الأخرى الموجودة في مثل هذه المسافات القصوى.
تم اكتشاف المجرتين الثانية والرابعة الأكثر بعدًا على الإطلاق في منطقة من الفضاء تعرف باسم Pandora Cluster، أو Abell 2744، باستخدام بيانات من ناساإنها تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST). بعد التقاط صورة عميقة المجال للمنطقة (انظر الصورة أدناه)، أكد فريق دولي بقيادة باحثين من ولاية بنسلفانيا بعد هذه المجرات القديمة واستدل على خصائصها باستخدام بيانات طيفية جديدة – معلومات عن الضوء المنبعث عبر الطيف الكهرومغناطيسي – من تلسكوب جيمس ويب الفضائي. . تقع هذه المجرات البعيدة على بعد حوالي 33 مليار سنة ضوئية، وتقدم لمحة عن كيفية تشكل المجرات الأولى.
المظهر الفريد والأهمية
وعلى عكس المجرات الأخرى المؤكدة على هذه المسافة والتي تظهر في الصور كنقاط حمراء، فإن المجرات الجديدة أكبر حجما وتشبه حبة الفول السوداني والكرة الرقيقة، وفقا للباحثين. يظهر مقال يصف المجرات اليوم (13 نوفمبر) في المجلة رسائل من المجلات الفيزيائية الفلكية.
يقدر علماء الفلك أن 50000 مصدر للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء موضحة في هذه الصورة العميقة المجال لمجموعة باندورا التي التقطها تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا. وقد قطع ضوءها مسافات مختلفة ليصل إلى كاشفات التلسكوب، وهو ما يمثل ضخامة الفضاء في صورة واحدة. الائتمان: العلوم: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، إيفو لابي (سوينبورن)، راشيل بيزانسون (جامعة بيتسبرغ)، معالجة الصور: أليسا باغان (STScI)
قال المؤلف الأول بينجي وانغ: “لا يُعرف سوى القليل جدًا عن بداية الكون، والطريقة الوحيدة لمعرفة المزيد عن ذلك الوقت واختبار نظرياتنا حول تكوين ونمو المجرات الأولى هي دراسة هذه المجرات البعيدة جدًا”. باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة بنسلفانيا. كلية الدولة إيبرلي للعلوم وعضو في فريق JWST UNCOVER (ملاحظات Ultradeep NIRSpec وNIRCam قبل عصر إعادة التأين) الذي أجرى البحث. “قبل تحليلنا، كنا نعرف فقط ثلاث مجرات مؤكدة تقع على هذه المسافة القصوى. كشفت دراسة هذه المجرات الجديدة وخصائصها عن تنوع المجرات في الكون المبكر ومدى ما يمكن تعلمه منها.
نظرة عامة على الكون المبكر
ولأن الضوء المنبعث من هذه المجرات كان عليه أن يقطع مسافة طويلة للوصول إلى الأرض، فإنه يفتح نافذة على الماضي. ويقدر فريق البحث أن الضوء الذي اكتشفه تلسكوب جيمس ويب الفضائي انبعث من المجرتين عندما كان عمر الكون حوالي 330 مليون سنة، وسافر حوالي 13.4 مليار سنة ضوئية للوصول إلى تلسكوب جيمس ويب الفضائي. لكن بحسب الباحثين، فإن المجرات حاليا أقرب إلى الأرض بأكثر من 33 مليار سنة ضوئية بسبب توسع الكون خلال هذه الفترة.
وقال جويل ليجا، الأستاذ المساعد في علم الفلك والفيزياء الفلكية في ولاية بنسلفانيا وعضو في UNCOVER: “الضوء الصادر من هذه المجرات قديم، أقدم من الأرض بحوالي ثلاث مرات”. “تشبه هذه المجرات المبكرة المنارات، حيث ينفجر الضوء عبر غاز الهيدروجين الرقيق جدًا الذي كان يشكل الكون المبكر. فقط من خلال ضوءها يمكننا أن نبدأ في فهم الفيزياء الغريبة التي حكمت المجرة عند الفجر الكوني.
باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، اكتشف العلماء مجرتين بعيدتين في مجموعة باندورا، مما يوفر رؤى جديدة حول الكون المبكر. هذه المجرات، الفريدة من نوعها في حجمها ومظهرها، تتحدى فهمنا لتكوين المجرات في بداية الكون. الائتمان: ناسا
ومن الجدير بالذكر أن كلتا المجرتين أكبر بكثير من المجرات الثلاث الموجودة سابقًا على هذه المسافات البعيدة. أحدهما أكبر بست مرات على الأقل، ويبلغ طوله حوالي 2000 سنة ضوئية. للمقارنة، درب التبانة يبلغ عرض المجرة حوالي 100.000 سنة ضوئية، لكن كما قال وانغ، يُعتقد أن الكون المبكر كان مضغوطًا للغاية، لذلك من المدهش أن تكون المجرة بهذا الحجم.
وقال وانغ: “المجرات المكتشفة سابقًا على هذه المسافات هي مصادر نقطية: فهي تظهر كنقطة في صورنا”. “لكن إحدى مجرتنا تبدو ممدودة، مثل حبة الفول السوداني تقريبًا، والأخرى تبدو مثل كرة رقيقة. من غير الواضح ما إذا كان الاختلاف في الحجم يرجع إلى كيفية تشكل النجوم أو سبب حدوثها بعد تشكلها، لكن تنوع المجرات الخصائص مثيرة للاهتمام حقًا، فمن المتوقع أن تكون هذه المجرات الأولى قد تشكلت من مواد مماثلة، لكنها تظهر بالفعل علامات على أنها مختلفة تمامًا عن بعضها البعض.
مناهج البحث العلمي
كانت المجرتان من بين 60 ألف مصدر ضوئي في مجموعة باندورا التي تم اكتشافها في واحدة من أول صور المجال العميق التي التقطها تلسكوب جيمس ويب الفضائي في عام 2022، وهو العام الأول من العمليات العلمية. تم اختيار هذه المنطقة من الفضاء جزئيًا لأنها تقع خلف العديد من مجموعات المجرات التي تخلق تأثيرًا مكبرًا طبيعيًا يسمى عدسة الجاذبية. تعمل قوة الجاذبية للكتلة المجمعة للعناقيد على تشويه المساحة المحيطة بها، مما يؤدي إلى تركيز وتضخيم أي ضوء يمر بالقرب منها وتوفير رؤية مكبرة خلف العناقيد.
على مدار بضعة أشهر، قام فريق UNCOVER بتضييق نطاق مصادر الضوء البالغ عددها 60.000 إلى 700 مرشح لدراسة المتابعة، ويعتقد أن ثمانية منها يمكن أن تكون من بين المجرات الأولى. ثم أشار تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى مجموعة باندورا مرة أخرى، مسجلاً أطياف المرشحين، وهو نوع من بصمات الأصابع التي توضح بالتفصيل كمية الضوء المنبعث عند كل طول موجي.
وقال ليجا: “تستخدم عدة فرق أساليب مختلفة للبحث عن هذه المجرات القديمة، ولكل منها نقاط القوة والضعف الخاصة بها”. “حقيقة أننا نوجه هذه العدسة المكبرة العملاقة إلى الفضاء تعطينا نافذة عميقة بشكل لا يصدق، لكنها نافذة صغيرة جدًا لذا فقد قمنا برمي النرد. لم يكن العديد من المرشحين حاسمين، وكانت حالة واحدة على الأقل عبارة عن حالة خطأ في تحديد الهوية، إذ كانت تنطوي على شيء أقرب بكثير يحاكي مجرة بعيدة. لكننا كنا محظوظين وتبين أن اثنتين منها كانتا من هذه المجرات القديمة. إنه أمر لا يصدق.”
الخصائص والآثار
استخدم الباحثون أيضًا نماذج تفصيلية لاستنتاج خصائص هذه المجرات المبكرة عندما بعثت الضوء الذي اكتشفه تلسكوب جيمس ويب الفضائي. وكما توقع الباحثون، كانت كلتا المجرتين شابتين، وتحتويان على القليل من المعادن في تركيبهما، وكانتا تنموان بسرعة وتشكلان النجوم بشكل نشط.
وقال ليجا: “تشكلت العناصر الأولى في نوى النجوم الأولى من خلال عملية الاندماج”. “من المنطقي أن هذه المجرات المبكرة لم تحتوي على عناصر ثقيلة مثل المعادن، لأنها كانت من أوائل المصانع التي صنعت هذه العناصر الثقيلة. وبطبيعة الحال، يجب أن تكون هذه المجرات صغيرة السن وتتشكل نجومًا لتكون المجرات الأولى، لكن تأكيد هذه الخصائص يشكل اختبارًا أساسيًا مهمًا لنماذجنا ويساعد في تأكيد نموذج الكون بأكمله. الانفجار العظيم نظرية.”
وأشار الباحثون إلى أنه بالإضافة إلى عدسة الجاذبية، يجب أن تكون أدوات الأشعة تحت الحمراء القوية في تلسكوب جيمس ويب الفضائي قادرة على اكتشاف المجرات على مسافة أكبر، إذا كانت موجودة.
وقال ليجا: “كانت لدينا نافذة صغيرة جدًا على هذه المنطقة ولم نلاحظ أي شيء خارج هاتين المجرتين، على الرغم من أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي لديه القدرة”. “قد يعني هذا أن المجرات ببساطة لم تتشكل قبل هذا الوقت، وأننا لن نجد أي شيء أبعد من ذلك. أو قد يعني ذلك أننا لم نكن محظوظين بما فيه الكفاية بنافذتنا الصغيرة.
هذا العمل هو نتيجة لاقتراح ناجح تم تقديمه إلى ناسا يقترح كيفية استخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي خلال عامه الأول من العمليات العلمية. خلال دورات التقديم الثلاث الأولى، تلقت ناسا مقترحات أكثر بأربعة إلى عشرة أضعاف من وقت المراقبة المتاح على التلسكوب، وكان عليها اختيار جزء صغير فقط من تلك المقترحات.
قال ليجا: “كان فريقنا متحمسًا للغاية وفوجئ قليلاً عندما تم قبول اقتراحنا”. “لقد اشتمل الأمر على التنسيق والعمل البشري السريع وتوجيه التلسكوب إلى نفس الشيء مرتين، وهو أمر كثير يجب طلبه من التلسكوب في عامه الأول. كان هناك الكثير من الضغط لأنه لم يكن أمامنا سوى بضعة أشهر لتحديد الأشياء التي يجب تتبعها. ولكن تم إنشاء تلسكوب جيمس ويب الفضائي للعثور على هذه المجرات الأولى، ومن المثير جدًا القيام بذلك الآن.
المرجع: “الكشف: إلقاء الضوء على الكون المبكر – تأكيد JWST/NIRSpec لـ z> 12 مجرة” بقلم بينجي وانج، 冰洁王، سيجي فوجيموتو، إيفو لابي، لوكاس جيه. فورتاك، تيم بي ميلر، ديفيد جيه سيتون، آدي زيترين، حكيم عتيق، راشيل بيزانسون، غابرييل برامر، جويل ليجا، باسكال أ. أوش، سيدونا إتش. برايس، إيرينا تشيميرينسكا، سام إي. كاتلر، براتيكا ديال، بيتر فان دوكوم، أندي دي جولدينج، جيني إي. جرين، واي. فوداموتو، غوراف خولار، فاسيلي كوكوريف، دانيلو مارشيسيني، ريتشارد بان، جون آر. ويفر، كاثرين إي. ويتاكر وكريستينا سي. ويليامز، 13 نوفمبر 2023، رسائل من مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/2041-8213/acfe07
وبالإضافة إلى ولاية بنسلفانيا، يضم الفريق باحثين من جامعة تكساس في أوستن، وجامعة سوينبورن للتكنولوجيا في أستراليا، وجامعة بن غوريون في النقب في إسرائيل، وجامعة بن غوريون في النقب في إسرائيل. جامعة ييلجامعة بيتسبرغ، جامعة السوربون في فرنسا، جامعة كوبنهاجن في الدنمارك، جامعة جنيف في سويسرا، جامعة ماساتشوستس، جامعة جرونينجن في هولندا، جامعة برينستونجامعة واسيدا في اليابان، وجامعة تافتس، والمختبر الوطني لأبحاث علم الفلك البصري والأشعة تحت الحمراء (NOIR).
تم دعم هذا العمل من قبل وكالة ناسا، ومؤسسة العلوم الثنائية الأمريكية الإسرائيلية، ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، ووزارة العلوم والتكنولوجيا الإسرائيلية، والمركز الوطني الفرنسي لدراسات الفضاء، والمعهد الوطني الفرنسي لعلوم الأرض وعلم الفلك، ومؤسسة العلوم والتكنولوجيا الإسرائيلية. مؤسسة أبحاث التقدم العلمي، ومجلس البحوث الهولندي، وبرنامج روزاليند فرانكلين المشترك للتمويل التابع للمفوضية الأوروبية، وجامعة جرونينجن، والمرصد الفلكي الوطني في اليابان، ومختبر NOIR.
