نحتاج إلى فيزياء جديدة.. ماذا كشف جيمس ويب عن نجوم الكون الأولى؟

مقدمة للترجمة

قد نكون على وشك تحقيق اكتشاف عظيم، ففي وقت سابق من هذا العام، أفاد علماء الفلك أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي ربما رصد بالفعل أدلة على وجود النجوم الأولى، من خلال توجيه أدواته الفائقة إلى أطراف مجرة بعيدة جدا، وفي نفس السياق ظهرت أدلة تشير إلى أن النجوم الأولى قد تكون أقرب إلى الأرض مما كنا نعتقد سابقا، فهل سنتمكن بالفعل من رؤية النجوم الأولى في الكون في وقت أبكر بكثير مما كنا نعتقد؟ وهل تغير هذه النجوم من النماذج الفيزيائية التي يتبناها العلماء لتفسير فجر الكون؟ الإجابة في هذه المادة المترجمة من مجلة نيوساينتست.

نص الترجمة

ولادة النجوم الأولى تُعد أحد أبرز وأهم التحولات التي حدثت في تاريخ الكون، وما إن ظهرت إلى الوجود في الفترة ما بين 200 إلى 400 مليون سنة عقب الانفجار العظيم، حتى بدأت هذه النجوم في إطلاق طاقة هائلة أدت إلى تفكيك ذرات الغاز الذي كان يساهم في تبريد الكون، مما أعاد تسخينه في عملية تُسمى إعادة التأيين. لكنْ عندما احترقت تلك النجوم وانتهت رحلتها في هذا الكون، خلَّفت وراءها مجموعة من العناصر الكيميائية التي هيّأت الكون لتشكيل المجرات والكواكب، ومن ثم -في نهاية المطاف- تشكيل أسس الحياة كما نعرفها الآن.

لا عجب أن علماء الفلك راودتهم رغبة ملّحة في إلقاء نظرة على جيل النجوم الأول الذي أثار دهشتهم بالفعل، إذ بدت هذه النجوم -في وقت كان يُفترض أنه الفجر الكوني- موغلةً في الضخامة وشديدة السطوع، ويعتقد العلماء أن كتلتها قد تصل إلى ضعف كتلة شمسنا بنحو 300 مرة، وأشد سخونة منها بمقدار 10 مرات، إلا أن مراقبتها يمكن أن تخبرنا أيضًا بالكثير عن المرحلة المبكرة الغامضة للكون، وبالأخص عن كيفية تكوّن الثقوب السوداء العملاقة في فترة زمنية قصيرة جدًا، على ما يبدو.

والآن قد نكون على وشك تحقيق اكتشاف عظيم، ففي وقت سابق من هذا العام، أفاد علماء الفلك أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي ربما رصدَ بالفعل أدلة على وجود النجوم الأولى، من خلال توجيه رؤيته الفائقة إلى أطراف مجرة بعيدة جدًا. وعن ذلك تقول هانا أوبلر من جامعة كامبريدج: "إن البيانات أو الملاحظات الجديدة التي نجمعها حاليًا تساعد في توسيع آفاق معرفتنا وفهمنا لما يحدث". صحيح أن الإشارة التي رُصدتْ قد تكون مجرد إنذار كاذب، إلا أن ما يؤجج حماستنا حاليًا هو تركيز بعض العلماء الآخرين على أدلة مختلفة تتعلق بالضوء المبكر للكون. فثمة أدلة تشير إلى أن النجوم الأولى قد تكون أقرب إلى الأرض مما كنا نعتقد سابقًا.

ترتبط النجوم ارتباطا وثيقًا بالتركيب الكيميائي للكون، إذ لم يترك الانفجار العظيم وراءه سوى العنصرين الأخف وزنا، وهما الهيدروجين والهيليوم (بالإضافة إلى آثار من الليثيوم والبريليوم). أما العناصر الأثقل -مثل الأكسجين الذي نتنفسه، والحديد الذي نعدنه، والفضة التي نقدّرها ونعتز بها- فتشكلت في قلب النجوم عبر عملية الاندماج النووي التي جمعت الجسيمات دون الذرية معًا لتكوين ذراتٍ أكبر. وعندما تصل النجوم إلى مراحلها النهائية وتنفجر، تُواصل هذه العناصر سعيها متلمسةً طريقها في جميع أنحاء الكون لتندمج لاحقًا مع نجوم جديدة، وهو ما يؤدي بدوره إلى تكوين عناصر أثقل وأثقل. لذا، فإننا محقون إذا قلنا إن  العناصر الكيميائية التي تتكون منها أجسامنا، وكل ما حولنا، جاءت من غبار النجوم.

هذه النجوم موغلة في الضخامة وشديدة السطوع، ويعتقد العلماء أن كتلتها قد تصل إلى ضعف كتلة شمسنا بنحو 300 مرة (مؤسسة العلوم الوطنية) العمالقة البدائيون

قسَّم علماء الفلك النجوم التي اكتشفناها حتى الآن إلى نوعين؛ أطلقوا على الأول اسم "جمهرة النجوم الأولى" (Population I stars )، مثل شمسنا، وهي الأحدث من حيث العمر، وتنطوي على أعلى نسبة من العناصر الثقيلة، بينما أطلقوا على النوع الثاني "الجمهرة الثانية" (Population II)، وهي الأكبر سناً وتحتوي على عدد أقل من العناصر الثقيلة. كما استحدثوا تسمية ثالثة لمجموعة أخرى من النجوم وأطلقوا عليها "الجمهرة الثالثة" (Population III)، والتي تُعتبر أقدم النجوم وتتشكّل فقط من الهيدروجين والهيليوم.

في أيامنا هذه، إذا نما نجم ما لتصبح كتلته أكبر من كتلة شمسنا بمقدار 100 مرة، فإنه سيُنتج قدرًا هائلا من الطاقة الداخلية، لدرجة أن الضغط الداخلي يدفع الطبقات الخارجية للنجم بعيدًا إلى الفضاء، وبالتالي لا يمكن للنجم أن يصبح أكبر من ذلك، وهو ما يفرض حداً أقصى على الكتلة التي يمكن أن تكتسبها النجوم الحديثة.

لكنّ الأمر ليس كذلك مع جمهرة النجوم الثالثة، فغياب العناصر الأثقل يؤدي إلى تقليل الضغط الذي عادةً ما يدفع الطبقات الخارجية للنجم نحو الفضاء. وفي هذا السياق، يقول سيمون غلوفر من جامعة هايدلبرغ الألمانية: "إذا تشكلت نجوم الجمهرة الثالثة بكتلة كبيرة منذ البداية، فإنها تظل ضخمة". ووفقًا لهذه الافتراضات، اعتقد علماء الفيزياء الفلكية منذ فترة طويلة أن معظم النجوم الأولى كانت عملاقة، وفي الأغلب بلغت كتلتُها ضعف كتلة شمسنا بمئات المرات.

إن غياب العناصر الثقيلة في النجوم الأولى التي تشكلت في الكون يعني أيضًا أنها كانت بحاجة إلى أن تصبح أكثر كثافة وأشد حرارة، لتوليد الطاقة اللازمة للحفاظ على استقرارها ومنع نفسها من الانهيار تحت تأثير الجاذبية، فكلما ازداد حجم النجم ودرجة حرارته، كانت حياته أقصر نسبيًا. لذلك، يعتقد علماء الفلك أن النجوم الأولى كانت تستهلك طاقتها بسرعة كبيرة، وهو ما أدى إلى موتها في عمر صغير، أي بعد 5 ملايين عام فقط. وإن كان ذلك صحيحًا، فهذا يعني أن جميع النجوم الأولى قد ماتت منذ زمن بعيد.

لكنْ بالرغم من أن رؤية أحد النجوم الأولى في الكون تُعتبر مهمة صعبة للغاية نظرًا لبعدها الشديد وانقراضها منذ زمن بعيد، فذلك لا يعني أنها مهمة مستحيلة تمامًا، إذ لا تزال هناك فرصة ضئيلة لرؤية ضوء هذه النجوم، لأن النظر إلى أجسام بعيدة جدًا في الفضاء يعادل النظر إلى الماضي، نظرًا إلى الوقت الطويل الذي يستغرقه الضوء للوصول إلينا (بمعنى أن الضوء الذي سيصلنا هو ضوء النجوم التي ماتت منذ زمن بعيد*).

أحد الأسباب التي تؤجج اهتمام العلماء برؤية النجوم الأولى في الكون، هو حل لغز الثقوب السوداء فائقة الضخامة، التي تتراوح كتلتها ما بين مليون إلى مليارات أضعاف كتلة الشمس. ومن المعروف أن أحد هذه الوحوش يقع في مركز كل مجرة ​​تقريبًا، لذا يبقى السؤال الأهم هنا: كيف وصلت هذه الثقوب السوداء إلى هناك؟ الإجابة المحتملة هي أنه عندما انفجرت النجوم الأولى وماتت، تناثرت طبقاتها الخارجية في الفضاء، بينما انهارت الكتلة المتبقية لتشكّل ثقوبًا سوداء تتراوح كتلتها ما بين 10 إلى 100 ضعف كتلة شمسنا، في حين يفترض العلماء أن هذه الثقوب السوداء التي تكونت في بداية عمر الكون بعد انفجار النجوم الأولى، والتي كانت أصغر بكثير من الثقوب السوداء العملاقة التي نراها اليوم، قد اصطدمت بعضها ببعض وتغذت على النجوم المارة والسحب الغازية، ونمت تدريجيًا إلى الثقوب السوداء العملاقة التي نراها اليوم.

كلما تعمقنا في تاريخ الكون، ازدادت دهشتنا من رؤية مجرات مكتملة التكوين وثقوب سوداء موغلة في الضخامة لم يكن يُفترَض لها أن توجد في تلك الفترة المبكرة من عمر الكون. تُثير هذه الاكتشافات الدهشة لأن العلماء يعتقدون أنه لم يكن هناك وقت كافٍ لتكوين هذه الكيانات الضخمة في تلك الفترة الزمنية القصيرة التي أعقبت الانفجار العظيم، ويصف سيمون غلوفر هذه الظاهرة بأنها أحد أكبر ألغاز الكون متسائلا: "كيف يمكن لثقوب سوداء بهذه الضخامة أن توجد في وقت مبكر جدًا من عمر الكون؟".

يعتقد بعض العلماء ومنهم غلوفر، أن هذه الظاهرة قد تكشف عن معلومات جديدة واستثنائية حول النجوم الأولى في الكون. فحينما راجع العديد من فرق الباحثين نماذجهم الحاسوبية، اكتشفوا شيئا مفاجئا؛ أنه مع ارتفاع درجات حرارة الغاز في الكون خلال فترة إعادة التأيين، انهارت هذه السحب الأكثر سخونة لتشكّل نجومًا فردية ذات كتلة هائلة للغاية. ونحن هنا لا نتحدث عن نجوم تبلغ كتلتها بضع مئات المرات من كتلة الشمس فحسب، بل ربما تصل إلى عشرات آلاف المرات. ومن جانبه يقول غلوفر: "يمكن لهذه النجوم العملاقة أن تكون طريقًا لتكوين الثقوب السوداء فائقة الضخامة في وقت مبكر من عمر الكون"، فما إن تكتسب هذه النجوم كتلة كبيرة للغاية، حتى تنهار لتتحول إلى ثقب أسود بعد فترة قصيرة من التألق الشديد. لكنْ لإثبات هذه الفكرة، يحتاج العلماء إلى العثور على هذه النجوم الأولى ودراستها لفهم طبيعتها الحقيقية.

يمكن لهذه النجوم العملاقة أن تكون طريقًا لتكوين الثقوب السوداء فائقة الضخامة في وقت مبكر من عمر الكون (مؤسسة العلوم الوطنية)

مبدئيا، يمكن اكتشاف النجوم الأولى باستخدام تقنية تُسمى التحليل الطيفي. تعتمد هذه التقنية على قياس شدة الضوء عبر مجموعة من الأطوال الموجية المختلفة، بحيث تمتص العناصر المختلفة أطوالا موجية معينة من الضوء، وبالتالي يمكن للتحليل الطيفي أن يقدِّم قراءة شبيهة ببصمة للنجم، توضح بالضبط العناصر التي يحتويها وكمياتِها. منذ الخمسينيات، واصل العلماء سعيهم في إجراء مسوح طيفية للسماء بهدف العثور على نجوم تنطوي على كميات ضئيلة جدًا من العناصر الثقيلة، وبالفعل تحقق هدفهم المنشود واكتشفوا بعض النجوم القديمة جدًا، لكنها لم تكن قديمة بما يكفي لتُصنَّف ضمن نجوم الجمهرة الثالثة، التي تمثل النجوم الأولى التي تشكلت في الكون.

من المؤسف أنه حتى تلسكوب جيمس ويب الفضائي الذي صُمم خصيصاً لمراقبة أبعد مدى ممكن في الكون، لا يستطيع رصد نجوم الجمهرة الثالثة بصورة مباشرة، ولكنّ الخبر السار هو أنه قد يكون قادراً على رصدها من خلال التأثيرات التي تُحدِثها في محيطها، حتى لو لم يكن بإمكانه رصدها مباشرة. كانت الإشعاعات القوية التي تُصدرها هذه النجوم قادرة على إضاءة السحب الغازية المحيطة بها، ونزع جميع الإلكترونات من ذرات الهيليوم الموجودة هناك، مما أدى إلى تكوين أيونات "الهيليوم 2". بعد ذلك، تتحد بعض هذه الإلكترونات مع ذراتها الأصلية، مما يؤدي إلى توهجها. وبالنظر إلى أن حجم سحب الغاز المتوهجة أكبر بكثير مقارنة بحجم النجوم نفسها، فيُفترض أن يكون من الأسهل رؤيتها. وتعتقد أوبلر وزملاؤها أنهم اكتشفوا هذه السحب المتوهجة.

تعاونت أوبلر مع روبرتو مايولينو من جامعة كامبريدج وآخرين في هذه المهمة. استخدم الفريق جهاز مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة الخاص بتلسكوب جيمس ويب، لدراسة مجرة ​​بعيدة أُعلِن عن اكتشافها لأول مرة عام 2016. هذه المجرة المُسماة "جي.أن زي11″، كانت في ذلك الوقت أقدم مجرة رُصدت على الإطلاق، إذ يبلغ عمرها 13.4 مليار سنة. لهذا اعتُبرت هذه المجرة مرشحًا رئيسيًا لوجود نجوم "الجمهرة الثالثة" في هالتها، وهي المناطق الخارجية من المجرة حيث يتجمع الغاز البدائي.

عندما حصل الباحثون على البيانات المتعلقة بالمجرة "جي.أن زي11″، توصلوا إلى بعض الأدلة الأولية على وجود أيونات "الهيليوم 2" قرب المجرة، مما يشير إلى أنها قد تكون موجودة في هالة المجرة. إلا أن الباحثين طلبوا وقتًا إضافيًا لاستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي لمزيد من الدراسة الدقيقة للمنطقة المحيطة بهذه المجرة، وبالفعل حصلوا على هذا الوقت، وكشفت نتائجهم التي نشروها هذا العام عن أدلة تشير إلى وجود أيونات "الهيليوم 2″، وهو ما يجعلنا نطرح السؤال التالي: هل اكتشفوا بالفعل الدليل القاطع على وجود نجوم من الجمهرة الثالثة (أولى النجوم في الكون)؟

المصدر: الجزيرة