كيف تُشعل المجرات الفتية الغاز سريع
إذا أشعلت مصباحًا في غرفة، فسوف يضيء الجدران. لكن إذا وضعت المصباح نفسه في قاعة واسعة، فلن يصل الضوء إلا بصعوبة إلى الزوايا. وبالمثل، يعمل إشعاع النجوم الفتية على الغاز في المجرة: فهو يقتلع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين، مما يجعل الغاز يتوهج. ويطلق علماء الفلك على هذا "التأين"، ويسمون قوة هذا التأثير بمعامل التأين.
قبل إطلاق جيمس ويب، لم يكن بالإمكان قياس هذا المعامل في المجرات البعيدة جدًا — تلك التي نراها كما كانت بعد بضع مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم. الآن، وبفضل أطياف 434 مجرة ذات انزياح أحمر يتراوح بين 3 و9، تمكن العلماء لأول مرة من تتبع كيفية تغير معامل التأين على مدى 13 مليار سنة. قارنوا الأجسام البعيدة بأخرى أقرب، سبق دراستها، واكتشفوا نمطًا واضحًا: كلما زاد الانزياح الأحمر (أي كلما تعمقنا في الماضي)، كان إشعاع النجوم أكثر إثارة للغاز.
لكن الأكثر إثارة للاهتمام هو أن هذا الاعتماد كان أقوى مما توقعته النماذج البسيطة. حتى مع أخذ كتلة المجرة ومعدل تكوين النجوم في الاعتبار، يظل معامل التأين أعلى عند الانزياحات الحمراء الكبيرة. يقترح مؤلفو العمل تفسيرًا أنيقًا: المجرات المبكرة كانت أصغر حجمًا. إذا كان حجم المنطقة التي يشغلها الغاز متناسبًا تقريبًا مع حجم المجرة بأكملها، فإن الضوء في النظام المتراص يصل إلى الحدود بشكل أسرع ويؤين الغاز بكفاءة أكبر. الأمر أشبه بالمصباح نفسه في غرفة صغيرة — سيضيء كل ما حوله بشكل أكثر سطوعًا مما لو كان في قاعة فسيحة.
يُرمز لمعامل التأين بالحرف U، وهو بلا أبعاد — مجرد نسبة بين كميتين: تدفق الفوتونات المؤينة إلى كثافة الهيدروجين. ولكن حتى مع القياسات المثالية، يمكن أن يصل عدم اليقين في قيمته إلى 0.3 dex (أي يختلف بعامل اثنين) بسبب أن نماذج مختلفة للسدم تعطي نفس نسب خطوط الأكسجين.
في رواية "الاتصال" لكارل ساغان، تحتوي الإشارة الفضائية على مخططات لآلة قادرة على تشويه الفضاء. لفهم فيزياء المجرات البعيدة، يتعين على علماء الفلك أيضًا فك رموز "المخططات" — الأطياف، حيث تحكي خطوط الأكسجين عن كيفية تفاعل ضوء النجوم مع الغاز.