مجرات لا طائل منها!

ترجمة: أحمد بن عبدالله الكلباني

كانت في الظاهر تبدو ضخمة بشكل لا يمكن تفسيره، وفي فبراير الماضي أعلن علماء الفلك أنه من بين المجرات البعيدة للغاية التي رصدها تلسكوب «جيمس ويب الفضائي» -والذي يعرف اختصارا بـ(JWST)- ظهرت ست مجرات أكثر سطوعا، وهذا يعني أنها أكبر بكثير وأكثر نضجا مما توقعه أي شخص.

إحدى تلك المجرات، التي تم تصويرها، قد تكونت بعد 700 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم، واحتوت على أكثر من 100 مليار نجم تقريبا، وهو نفس العدد الذي جمعتها مجرتنا «درب التبانة» على مدار 13 مليار سنة!

وهذا أمر يضع علماء الكونيات في مواجهة استفهامات يستحيل تفسيرها حول أفضل نموذج لفهم كيفية تطور الكون.

700 مليون سنة لا يعد وقتا كافيا لجمع هذه الكمية من المادة المتحولة -فيما بعد- إلى هذا العدد الكبير من النجوم، وحول ذلك يشير «مايك بويلان-كولشين» من جامعة تكساس أن السيناريو يمثل «تحديا خطيرا» لفهمنا للكون، ومع ذلك، وبينما كان علماء الفلك يدققون في البيانات، من الواضح أن النموذج الكوني الحالي مرن، وهو الأمر الذي تم إثباته مرات عديدة قبل ذلك، أو ربما هو نفسه؟ لأنه على الرغم من أن بعض التحليلات تشير إلى أن هذه المجرات الست ليست ضخمة كما كان يعتقد في البداية، فإن البعض الآخر يشير إلى أنها قد تكون أكبر.

وهذا الأمر ربما يدفعنا إلى إعادة صياغة علم الكونيات، وعلى الأرجح عن طريق وجود مكونات كونية جديدة لشرح التناقض الظاهري بين المكتشفات الجديدة واستنتاجات علماء الكون.

وبدوره يقول «تشارلز شتاينهاردت» وهو عالم الفيزياء الفلكية في مركز الفجر الكوني في الدنمارك: «هذا يعني أنك ترى المجرات قبل أن يكون لديها وقت للتجمع»، «إذا كان هذا صحيحًا حقًا، فهذا يعني أن النموذج القياسي لعلم الكونيات غير فعَّال».

عندما يتحدث الفيزيائيون عن نموذج كوني، فإنهم بذلك يشيرون إلى مجموعة من المعادلات التي تصف تطور الكون، استجابة للمادة والطاقة التي يحتويها لبناء الكون الذي نراه اليوم، وهو ما يعرف بالنموذج القياسي لعلم الكونيات، بدأ علماء الكون بنظرية «النسبية العامة» لـ «ألبرت أينشتاين»، هي نظرية للجاذبية وضعها ألبرت أينشتاين بين عامي 1907 و1915 تنص على أن التأثير الملحوظ للجاذبية بين الكتل ناتج عن انحناء الزمكان (الزمان المكاني) بفعل هذه الكتل.

تخبرنا هذه المعادلات أنه على الرغم من توسع الكون بشكل عام، يمكن لمناطق محددة من الفضاء أن تصبح كافية الكثافة لجذب المادة معًا عن طريق الجاذبية، مكونة بذلك المجرات.

وقام مؤخرا علماء الكونيات بإدخال المعادلات إلى أجهزة الكمبيوتر عالية الكفاءة، إلى جانب قائمة من «المكونات» التي تعكس تركيب الكون، وقاموا بتشغيل نظام للمحاكاة، ومن خلال مقارنة المجرات التي تظهر في المحاكاة مع ملاحظاتنا، تمكنوا من ضبط النموذج، على مدار عقود، ليشبه بشكل أفضل مظهر الكون الفعلي.

ما نحصل عليه في النهاية هو نموذج تطويره بواسطة تأثير الجاذبية والمادة المألوفة بالإضافة إلى مكونين غامضين احدها «المادة المظلمة»، التي يتطلب وجودها لتوفير جاذبية تفوق الجاذبية التي يمكن أن تولدها المادة المعروفة، و الأخرى «الطاقة المظلمة» التي يُفترض أنها تدعم التوسع المتسارع للكون، كلاهما مجرد فرضيات، في الحقيقة لم نتمكن بعد من كشفهما أو تحديد ماهيتهما، ولكن يعتقد علماء الفلك مع ذلك أنهم قد حصلوا على معلومات عن خصائصهما بسبب ما يقومون به من أبحاث متواصلة، وفي حالة المادة المظلمة، يعتقدون أنها مكونة من جسيمات ثقيلة وبطيئة تفوق مجتمع المادة العادية بنسبة حوالي 5:1، ويُفترض بأن الطاقة المظلمة هي حقل طاقة ثابت – وهي فكرة اقترحها أينشتاين في معادلاته تحت اسم « lambda-CDM ».

ولكي نكون واضحين، فإن فكرة انشتاين «lambda-CDM»، هي فكرة ناجحة بشكل ملحوظ، وتقوم بتقديم شروح ممتازة لعملية نمو مجموعات المجرات وغيرها من الهياكل واسعة النطاق في الكون.

ولكن، نظرًا للغموض الذي يحيط بـ «المادة المظلمة»، و «الطاقة المظلمة»، فإن الباحثين دائمًا ما يبحثون عن ملاحظات جديدة من شأنها أن تساعدهم في تحديد خصائص تلك المكونات لتحسين نموذجهم، لهذا السبب كانوا متحمسين لرؤية ملاحظات تلسكوب «جيمس ويب الفضائي» للمجرات الصغيرة، ولكن عندما استخدم الباحث «إيفو لابي» من جامعة سوينبورن للتكنولوجيا في أستراليا وزملاؤه حسابات مجربة ومُختبرة لتجميع كتل هذه الأجسام بناءً على لمعانها الإجمالي، حصلوا على أكثر مما توقعوه، فقد وجدوا أن المجرات قد نمت ضخمة جدًا بسرعة كبيرة، لدرجة أنها توجد على حافة الاحتمالية الرياضية في فكرة «lambda-CDM».

وإذا كانت نتائج فريق «إيفو لابي» صحيحة حقًا، فيبدو أنه حدث شيء ما خاطئ للغاية عندما حصل «مايك بويلان-كولشين» على نتائجه، بل إنه أجرى على الفور ما أسماه «اختبار الإجهاد» لفكرة انشتاين «lambda-CDM»، وتضمن ذلك النظر في مقدار المادة التي كان من الممكن أن تتراكم في هالة المادة المظلمة في الكون المبكر -الهالات عبارة عن كتل كبيرة من المادة المظلمة التي يُعتقد أنها تحاصر المادة العادية عادة في شكل غاز لتكوين مجرات- واكتشف أنه من الممكن تجميع شيء ما مع كتلة درب التبانة، ومع ذلك، لإعادة إنتاج ملاحظات «لابي»، كان على المجرة أن تحول أساسًا كل مادتها الذرية إلى نجوم. وهذا طلب كبير، بعبارة لطيفة يقول «مايك بويلان-كولشين»: «يجب أن تشكل المجرة نجومًا حتى في المناطق البعيدة لمجموعات المادة المظلمة هذه، حيث يكون الغاز منتشرًا جدًا ويبدأ للتو في التدفق».

بينما يتوقع علماء الفلك أن تتشكل الكثير من النجوم في المنطقة المركزية للمجرة، فإن الضواحي عادة ما تكون منتشرة للغاية بحيث لا تؤدي إلى إشعال الكثير من النشاط على الإطلاق. ويؤدي هذا إلى انخفاض كبير في الكفاءة التي تقوم بها المجرة بتحويل غازها إلى نجوم.

عادةً ما يشتمل تكوين النجوم في مجرة كبيرة على 10 في المئة فقط من هذا الغاز.

ووجد «مايك بويلان-كولشين» أن المجرات التي رصدها تلسكوب «جيمس ويب الفضائي» يجب أن تعمل بكفاءة تكوّن نجمية بنسبة 100٪ ، وتحويل كل الغازات إلى نجوم، ويقول: «هذا غير واقعي للغاية.. هذا مستحيل في الأساس».

الخلاصة هي أن المجرات نفسها تبدو مستحيلة في سياق الكون كما اعتقدنا أننا نعرفه، لكن ظهورها لن يكون الملاحظة الأولى التي تهدد بخرق النموذج الكوني القياسي، التناقض بين معدل تمدد الكون كما تم حسابه في الكون القريب نسبيًا مقابل ما يراه علماء الكونيات في المناطق البعيدة من الفضاء يتأجج منذ سنوات، وهذا التأجج متواصل إلى اليوم، ويُعرف باسم «توتر هابل»، وإذا اتضح أنه حقيقي، فسيتعين على علماء الكونيات تقريبًا تعديل نموذج انشتاين «lambda-CDM» بشكل جذري لاستيعاب نوع من الاندفاع المبكر للطاقة المظلمة.

يبدو أن المجرات «المختلفة» تسحب في نفس الاتجاه، إن الاندفاع المبكر للطاقة المظلمة يعني أنه يجب أن يكون هناك المزيد من المادة المظلمة والمادة العادية في الكون أكثر مما كنا نظن، ويعني المزيد من المادة المظلمة هالات أكبر، والهالات الأكبر تعني تكوين نجم أكثر كفاءة.

الآن، السؤال الذي يطرح نفسه، هل تصمد حسابات الكتل المجرية -التقليدية- أمام التدقيق، وأمام الاختبارات المبنية على الاكتشافات الحديثة؟

يقول «بويلان-كولشين»: «إذا كانت هذه النتائج صحيحة فعلا، فيبدو أن هناك شيئًا خاطئًا بشكل خطير في نظرية أنشتاين (lambda-CDM)... لذلك من الأفضل أن نؤكد أو نرفض هذه النتائج بأسرع ما يمكن».

هذه التناقضات بين القديم والحديث وضع العديد من علماء الفلك في خضم الأبحاث، وأشار بحث بالفعل إلى طريقة لتخفيف هذا التناقض.

ولفهم الكيفية، علينا أولاً أن نفهم أن الطريقة القياسية لتقدير كتلة مجرة فتيّة -حديثة النشأة- هي النظر إلى سطوعها الكلي، وحساب عدد النجوم المطلوبة لجعلها تبدو ساطعة، وهذا الأمر معقول تمامًا، لكن من المفترض أننا نعرف كيف تؤثر العوامل المختلفة على تكوين النجوم.

لتحديد هذه العوامل بشكل أفضل، درس «تشارلز شتاينهاردت» كيف ينبغي توقع نمو المجرات المبكرة الكبيرة في ضوء الفروق الدقيقة لتكوين النجوم في بدايات الكون، حقبة يتم فيها التفاعل بين الجاذبية والديناميكا الحرارية، أو قوانين الحرارة والطاقة، ربما لا يكون هو نفسه اليوم في تكوين النجوم، وتكون درجة حرارة الغاز بين النجوم حاسمة في تحديد التوزيع الكتلي للنجوم التي تتشكل في مجموعة معينة -أي عدد النجوم عالية الكتلة التي تحصل عليها مقارنة بالنجوم منخفضة الكتلة- وهو ما وصفه ويسميه علماء الفلك «وظيفة الكتلة الأولية».

تحولات هائلة

يكمن السبب وراء رغبة «شتاينهاردت» في فحص مجرات مجموعة «إيفو لابي» في أن وظيفة الكتلة الأولية التي يطبقها علماء الفلك حول العالم مشتقة من ظروف النشأة في مجرة «درب التبانة» كما هي اليوم، بينما نعلم أن الغازات المكونة للنجوم كانت ستكون أكثر سخونة في بدايات نشأة الكون، ومن شأن ذلك أن يمنع تكون النجوم ذات الكتلة المنخفضة، ويغير وظيفة الكتلة الأولية، والنتيجة ستكون تقليل كتلة أي مجرة معينة بشكل عام، ومن المؤكد أنه عندما أدرج مثل هذه العوامل في حساباته -أي شتاينهاردت- وجد أن كتل المجرات المبكرة انخفضت بشكل ملحوظ، وحول ذلك يقول: «نجعل الكتل تنزل لبعض مجرات (لابي) بما يتراوح بين 10 و100».. والنتيجة واضحة: «ربما لا تزال قادرًا على صنعها من هالات (المادة المظلمة) التي يمكنك الحصول عليها من ( lambda-CDM)».

يبدو هذا كثيرًا، وهذا الأمر يمكن تشبيهه بهروب آخر لعلم الكونيات كالمعتاد.

ونظرية أنشتاين «lambda-CDM» هي كذلك ليست واضحة عند طالبة الدكتوراة في علم الكونيات «كلارا جايمينيز أرتيجا» التي أجرت بالفعل تحليلا آخر للمجرات الحديثة التي رصدها «JWST»، وقد توصلت إلى نتيجة مختلفة جدا، ففي تحليلاتها اتبعت نهجا بديلا لتقدير كتلة المجرات حديثة النشأة، بفضل البصريات غير المسبوقة لـ مرصد JWST ، والتي يمكنها حل حتى هذه المجموعات النجمية البعيدة إلى مجموعات من البكسلات - بدلا من وحدات البكسل المفردة التي تحتوي على تفاصيل أقل، و الأمر هذا يعني أنه من الممكن تقدير عدد النجوم وكتلها في كل بكسل، ثم جمعها لمقارنتها بالقيمة من نهج اللمعان الكلي الذي استخدمه فريق «لابي»، وتقول «كلارا أرتيجا»: «بالتفكير في هذا مسبقًا، اعتقدت أنه يجب أن أحصل على نفس الإجابة، لكن ما وجدته كان مفاجئًا، فكل مجرة نظرتُ إليها كانت أثقل بثلاث إلى عشر مرات مما كان يعتقد سابقًا، والسبب هو أن معاملة كل مجرة على أنها (بكسل واحد) لم يتم حله، بدلاً من مجموعة من البكسلات التي تعطي قراءة تفصيلية، فالبكسل الواحد يخفي حقيقة أن تشكل النجوم قد لا يحدث بشكل موحد عبر المجرة».

وتتابع «كلارا أرتيجا» قائلة: «إن الطريقة التي لم يتم حلها تجعل النجوم الأحدث والأكثر إشراقًا تتفوق على النجوم الأقدم والأقل سطوعًا، وإخفائها عن الأنظار وتقليل الكتلة المقدرة (من خلال التعامل مع كل بكسل على أنه منطقته الخاصة)، الآن يمكن لعلماء الفلك رؤية العدد الهائل من النجوم القديمة والأطول عمرا ذات الكتلة المنخفضة... الآلية الفيزيائية التي تجعل هذا يحدث يمكنها فقط زيادة الكتلة التي تم حلها».

ولم تطبق «كلارا أرتيجا» طريقتها في التحليل على مكتشفات فريق «لابي»، ولكن بالنظر إلى أن هذه التقنية قد ثبت أنها تزيد الكتلة المحسوبة لمجرات مبكرة مماثلة، فمن شبه المؤكد أنها ستفعل الشيء نفسه بالنسبة للمجرات الستة المعنية، وبالتالي ستتوصل إلى نتيجة تناقض نظرية أنشتاين « lambda-CDM».

الآن، فإن علماء الكونيات بحاجة إلى الحصول على المقياس الحقيقي لفهم هذه المجرات المثيرة للاهتمام، وفهم مصير الكون، أو على الأقل فهمنا المبدئي له، والنبأ السار هو أننا سنتوصل إلى إجابات في المستقبل القريب، وذلك وفقا للتطور الحاصل والمزيد من الأبحاث، وذلك على عكس التوتر الذي سببه تلسكوب «هابل» الذي لا يزال يثير نقاشات مستمرة.

وما سيتوصل إليه العلماء قريبا يعتمد على جميع التحليلات التي أجريت حتى الآن تقريبًا على صور المجرات الدقيقة، والتي تتطلب من علماء الفلك تقدير عدد من العطيات مثل العمر والمسافة والكتلة، ولكن لتحديد هذه العوامل بدقة نحتاج إلى أطياف - حيث ينقسم الضوء المجمع من جسم ما إلى أطوال موجية مكونة لتحليلٍ أكثر تفصيلا.

وهذه هي الخطوة التالية في العملية، ولحسن الحظ هذا هو بالضبط ما صُنع من أجله تلسكوب «جيمس ويب الفضائي» (JWST) على عكس سابقتها، وأعني تلسكوب «هابل» الفضائي، فقد تم تصميم (JWST) لالتقاط الضوء من الكون البعيد حقًا، والذي امتد بشكل كبير إلى منطقة الأشعة تحت الحمراء من خلال توسع الكون.

يقول «أندرو بنكر» من جامعة أكسفورد، وهو عضو في فريق التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة من تلسكوب «جيمس ويب الفضائي»، يقول: «تلسكوب جيمس يقدم لأول مرة تحليلًا طيفيًا عالي الجودة يغطي نطاق الطول الموجي الحاسم باستخدام التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، يمكننا تحديد مسافات وأعمار المجرات بدقة بافتراض تأكيد وجود كل مجرة على المسافة المقدرة حاليًا».

كما يبدو أن معظم علماء الفلك يتوقعون ذلك بثقة عالية، سيسمح تلسكوب جيمس أيضًا باختبار أفكار «شتاينهاردت» من خلال فحص درجة حرارة الوسط بين النجوم في كل مجرة.

وكنوع من المقارنة، قام «أندرو بنكر» وزملاؤه مؤخرًا بفحص مجرة بعيدة جدًا، هذه المجرة ظهرت كنقطة حمراء باهتة في بيانات تلسكوب «هابل» السابق، بينما في تلسكوب «جيمس ويب» تجاوزت النتائج أي شيء كان يحلم به.

يقول «أندرو بنكر»: «لم نعتقد أبدًا أننا سنحصل على مثل هذا الطيف الجميل». والنتيجة هي أن المجرة، التي يبلغ عمرها حوالي 700 مليون سنة فقط، يبدو أنها تعرضت لانفجار قصير ولكنه مكثف من تشكل النجوم، تلاه تباطؤ سريع حوالي 10 إلى 20 مليون سنة قبل وقت المراقبة، والأمر المثير للاهتمام بشكل خاص -كما يقول «بنكر»- هو أن الكتلة التي حسبوها جاءت بحوالي 200 مرة أصغر من عينة فريق «لابي».

يقول «بنكر» إن هذا ليس تفنيدًا مباشرًا لفكرة أن تلك المجرات الست يمكن أن تكسر علم الكونيات، لأن المجرات التي حللها موجودة في جزء مختلف من السماء، ويضيف: «من المحتمل أن تكون نظرية lambda-CDM معطلة فعلا، لكنها ستكون قائمة حتى نحصل على التحليل الطيفي.. لذلك، ستكون النظرية قائمة في الوقت الحالي، ولكنها لن تصمد طويلا وسيتوقف الاعتراف بها في مرحلة قريبة مستقبلا، كما يقول (شتاينهاردت)».

ويضيف «بنكر»: «نظرية (Lambda-CDM) تعتبر مؤقتة في الوقت الحالي، إلى أن نفهم الطبيعة الحقيقية للمادة المظلمة والطاقة المظلمة، ونعتبر النظرية مؤقتة لأننا ببساطة نستخدم الأمثلة الأكثر عمومية حتى نتوصل إلى الحقيقة، من المدهش أن يكون مثل هذا النموذج (نظرية انشتاين) البسيط قادرًا على شرح الكون بأكمله لفترة طويلة، ولكن قدرة تلسكوب جيمس ويب على النظر إلى أبعد ما في الكون يعني أنه سيستمر في العثور على الأشياء الجديدة، والتي تضع نظرية «lambda-CDM» تحت الضغط.

وأخيرا يؤكد «بنكر»: «لقد تغيرت قواعد اللعبة بالفعل.. نحصل الآن بشكل روتيني على أطياف عالية الجودة يمكننا من خلالها استنتاج خصائص المجرات بعد بضع مئات من ملايين السنين فقط من الانفجار العظيم».

المصدر: لجريدة عمان