مجرات الكون المبكر

مدينة قديمة تكتسب ضواحي جديدة. في المركز أزقة ضيقة تكاد الحياة فيها تتجمد، بينما في الأطراف يزدهر البناء. هكذا تبدو المجرة الحلزونية المجرة التي شاخت نجوم نواتها منذ زمن بعيد، بينما ما زالت نجوم جديدة تولد في قرصها الخارجي.

تبدو السماء ليلاً سوداء، لكن إذا أزلت النجوم وجمعت الضوء لفترة طويلة، سيظهر توهج خافت — وهو الضوء الكلي لجميع المجرات التي وُلدت على مدى 13.8 مليار سنة. يطلق عليه علماء الفلك اسم الضوء الخلفي خارج المجري. قبل عشرين عامًا، اكتشفت تجربة الصواريخ CIBER خلال 220 ثانية من المراقبة أن هذه الخلفية في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة تومض بقوة أكبر مما يجب أن تعطيه المجرات المعروفة.

عندما تولد النجوم في المجرة، تثير أشعتها فوق البنفسجية ذرات الهيدروجين، مما يجعلها تتوهج — كلافتة نيون، لكن على نطاق كوني. كان بإمكان هذا الضوء أن يخبرنا الكثير عن معدل تشكل النجوم، لكنه في طريقه إلينا يمر عبر الغبار الكوني — جسيمات صلبة مجهرية.

يشبه الكون هيكلًا خفيًا ضخمًا. لا نراه مباشرة، لكننا نعلم بوجوده: فالمجرات وعناقيدها تتماسك بفضله. هذا الهيكل هو المادة المظلمة، وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية. النسخة الأكثر شيوعًا تقول إنها «باردة» وتتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة.

تبعد المجرة NGC 4254 عن مركز عنقود العذراء المجري مسافة مليون ونصف سنة ضوئية. تجر خلفها ذيلاً طويلاً من الهيدروجين المبرد — علامة على أنها تصطدم بسرعة عالية بـ الغاز الساخن. فقدان الوقود البارد يخمد ولادة نجوم جديدة.

بعد ثمانمائة مليون سنة من الانفجار العظيم، وفي قلب مجرة فتية، ينبض محرك هائل. ثقب أسود كتلته عشرة مليارات شمس يلتهم المادة بنهم شديد بحيث ينبغي لإشعاعه أن يطغى على كل ما حوله. لكن الهدوء يخيم على الخارج. فالكشاف القوي محجوب خلف ستار كثيف من الغاز والغبار الكوني - ضباب كوني لا يسمح بنفاذ شعاع واحد.

الكون يشبه نسيجاً حريرياً تبرز منه خيوط الشبكة المظلمة. فنحن نرى اللوحات الحقيقية فقط على شكل قصاصات صغيرة – عبر التلسكوبات، وفي كتالوجات حقيقية لـالمجرات. ولفصل الإشارة الأساسية عن التداخلات الفيزيائية الفلكية في النمط الكوني، يتطلب التحليل الإحصائي آلاف المخططات المعقولة – خرائط اصطناعية للسماء.

التقط مطياف جيمس ويب انخفاضًا بالكاد ملحوظًا في طيف مجرة بعيدة المجرة — خطان كظلال تركها غاز بارد. إنهما خطا الصوديوم، نفس الضوء الأصفر لمصابيح الشوارع. هنا، على حافة الكون المنظور، يكشفان عن زفير بطيء لـ المجرة تعيد المادة إلى الفضاء.

يشبه القرص المجري تموجات متجمدة على سطح الماء: كل اضطراب يترك أثرًا يمكن قراءته بعد مليارات السنين. عندما تمر مجرة قزمة تابعة أو يحدث اندماج مباشر، تبدأ النجوم في القرص بالتأرجح — مثل عوامات حركتها موجة. وبمرور الوقت تخمد هذه التذبذبات، لكن مدى الحركات العمودية للنجوم من مختلف الأعمار يظل مختلفًا.

يحتاج الزوج النجمي J05+50 إلى شهرين تقريبًا لإكمال دورة واحدة حول المركز المشترك. من الأرض، يظهر كنقطة خافتة في كوكبة هرقل — على بعد 4625 فرسخًا فلكيًا منا. فوتومتري (photometry) من نجم ثنائي (binary star) يسجل فقط تذبذبًا منتظمًا في السطوع، مثل نبض قلب عملاق.

في أعماق غابات الأمازون، تحت مظلة أوراق كثيفة الطبقات، توجد أشكال أرضية ضخمة — مربعات ومستطيلات ومعينات نادرة. لعقود، كانت تُثير فضول علماء الآثار بهندستها الصامتة، حتى تسلح أحد الباحثين بالبصريات المدارية ورأى فيها أداة فلكية. كشفت القياسات اليدوية لـ 326 نقشًا أرضيًا في ولاية أكري عن نظام صارم: جدرانها موجهة عمدًا نحو نقاط الأفق حيث تشرق الشمس في تواريخ رئيسية.

عندما ننظر إلى أعماق الكون، فإننا نرى الماضي. قانون إدوين هابل يحول الانزياح الأحمر إلى آلة زمن: استغرق الضوء من مجرة UDS 12999 للوصول إلينا 7.6 مليار سنة – أكثر من نصف عمر الكون.

في مركز مجرة صغيرة جداً توجد كتلة كثيفة من النجوم والمادة المظلمة. هذه الكتلة، التي تسمى سوليتون، ليست ثابتة في مكانها: فهي تهتز وتتذبذب مثل الهلام على طبق. تخلق الاهتزازات تموجات في سحابة المادة المظلمة المحيطة، وهذه التموجات، مثل دفعات خفيفة، تدفع النجوم بعيداً عن المركز على مدى مليارات السنين.

المجرات العدسية هي «الهادئة» في الكون: لها قرص، لكن بلا أذرع حلزونية لامعة. ظل أصلها لغزًا لفترة طويلة. أطلق فريق من العلماء محاكاة حاسوبية باسم Hydrangea وتتبعوا مصير كل مجرة منذ شبابها حتى يومنا هذا. على مخطط «الكتلة-الحجم»، اصطفت هذه المجرات على شكل حرف V. المجرات S0 الخفيفة والثقيلة تصل إلى شكلها عبر طريقين مختلفين.

المجرة NGC 1277 تشبه كتابًا قديمًا لم يفتحه أحد لمليارات السنين. لقد تشكلت بسرعة، في فجر الكون، ومنذ ذلك الحين لم تتغير تقريبًا — لم تصطدم بجيرانها، ولم تضف طبقات جديدة. يطلق علماء الفلك على مثل هذه الأنظمة اسم «الأثرية»: فهي تحفظ التركيب الكيميائي للنجوم الأولى، كما يحفظ الكهرمان الحشرات في عصور ما قبل التاريخ.

مدينة شاسعة تُضيء كل ليلة مصابيح جديدة. لكن في يوم من الأيام، تهب عاصفة شديدة، وتُطيح بكل الوقود من المستودعات، فتنطفئ المصابيح واحدًا تلو الآخر. شيئًا مشابهًا رصده علماء الفلك في مجرة قطع ضوءها إلينا مسافة 12.5 مليار سنة. إنه نظام ضخم، كانت النجوم تتشكل فيه بسرعة جنونية — وفي الوقت نفسه كانت تطلق آلية تدميرها الذاتي. في قلب القصة رياح مجرية.

الكون يعزف. ليس بالمعنى المألوف — فسمفونيته مسجلة في تموجات الكثافة الصغيرة التي نشأت منها المجرات ونحن أنفسنا. بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء متجانساً تقريباً، لكن التقلبات الكمومية أثناء التضخم تركت نمطاً بالكاد ملحوظاً — حيث زادت المادة قليلاً هنا، وقلّت هناك.

المجرات الإهليلجية هي مدن نجمية هادئة في مرحلة التقاعد. وفق كل القوانين، ينبغي أن يكون ضوؤها هادئًا مائلاً للحمرة، مثل الغروب. لكن أطيافها تصرخ بعكس ذلك: في الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، تتوهج هذه العجائز كأنها أضواء زينة الأعياد. طوال ثلاثة عقود، حار علماء الفلك في أمر هذا 'الارتفاع فوق البنفسجي' (UV upturn).

المليارا سنة الأولى بعد الانفجار العظيم — حقبة كان الكون فيها أشبه بموقع بناء يغلي بالنشاط. المادة المظلمة كانت تجمع الغاز في كتل، فاشتعلت تلك الكتل بالنجوم الأولى. كان يبدو أن الوقت لم يكن كافياً لتجميع مجرات إهليلجية ضخمة من هذه المواد الخام — تلك 'المدن النجمية' الخامدة.

كشفت صور تلسكوب «جيمس ويب» الفضائي عن توهج شديد بشكل غير متوقع من المجرات الأولى — أنظمة نجمية هائلة تشكّلت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. تخيّل: المحمصة تُحمّر شريحة الخبز في دقيقة، بينما يحتاج الفرن إلى ساعة كاملة لخبز رغيف — والنتيجة، في جوهرها، متشابهة.

شارع بُنيت فيه منازل للتو. بعضها يلمع بنوافذ نظيفة، وبعضها الآخر يغطيه غبار البناء. هكذا تقريباً كانت تبدو المجرات عندما كان عمر الكون بضع مئات الملايين من السنين فقط. نظر التلسكوب الجديد «جيمس ويب» إلى تلك الحقبة ورأى عشرات الجزر النجمية الساطعة. لم يكن العدد هو المفاجئ، بل مدى اختلافها. بعض المجرات كانت تتوهج بضوء أزرق نقي – لم يكن فيها غبار تقريباً.

في حديقة المدينة، تنمو الأشجار أسرع منها في الغابة الكثيفة. ليس لأن التربة أفضل، بل لأنها هنا تتصادم أغصانها وتتبادل البذور في كثير من الأحيان. تقريبًا هكذا تتصرف المجرات في العنقود البدائي «العنكبوت» — كتلة هائلة من المادة ستتحول بعد مليارات السنين إلى عنقود ناضج.

سفينتا محيط ضخمتان تبحران ليلاً دون أضواء. إحداهما بُنيت في حوض لبناء السفن من ألواح فولاذية، والأخرى تبدو وكأنها نشأت بنفسها من الزبد والأمواج. بالسمع لا يمكن تمييزهما تقريباً، لكن خبيراً في الصوتيات المائية سيلتقط الفرق في هدير المراوح وتقاطيع الهيكل.

سجّل تلسكوب جيمس ويب في الكون الفتيّ عددًا كبيرًا من المجرات الساطعة. إشعاعها فوق البنفسجي لم يكن تقريبًا يُمتص بواسطة الغبار الكوني – وهو جسيمات صلبة متناهية الصغر منتشرة في الفضاء بين النجوم – خلافًا للتوقعات السابقة.

العناقيد الكروية هي «كتل» كثيفة من مئات الآلاف من النجوم التي تدور حول مركز درب التبانة. بعضها وُلد في مجرتنا، والبعض الآخر التُقط عندما ابتلعت درب التبانة مجرات قزمة تابعة. يمكن التمييز بينها من خلال التركيب الكيميائي، لكن علماء الفلك حصلوا على أداة جديدة — العمر الديناميكي. العمر الديناميكي يبيّن مدى «اهتزاز» بنية العنقود تحت تأثير قوى المد والجزر من المجرة.

في بدايات الكون، كانت التجمعات النجمية كثيفة لدرجة أنها ولّدت عمالقة بحجم النظام الشمسي. لو وُضع أحد هؤلاء العمالقة مكان الشمس، لامتد طرفه حتى المشتري. كانت هذه النجوم تبتلع أحياناً ثقوباً سوداء صغيرة. يهوي الثقب إلى الأعماق ويبدأ في النمو، محولاً النجم إلى وهج شبح – شبه نجم.

الكون في عمر بضع مئات الملايين من السنين كان يشبه مطبخًا عملاقًا، حيث كانت المجرات الأولى تُشكَّل من «عجين» أولي — الهيدروجين والهيليوم. في مراكزها اشتعلت الثقوب السوداء، مثل أفران بقدرات مختلفة: من «مواقد» خفيفة إلى «مواقد» ثقيلة.

ارمِ حصاتين متطابقتين من قمة جبل: إذا سقطت إحداهما سنتيمترًا إلى اليسار، فبعد دقيقة ستجد نفسيهما في واديين مختلفين. المجرة هي نفس الجبل، لكن فيها مليارات الحصى، والمنحدر يمتد لملايين السنين. قام مؤلفو الدراسة الجديدة بمحاكاة قرص من 40 مليون نقطة-نجمة واختبروا مدى سرعة نسيانه لمكانه في البداية. اتضح أنه ينسى بشكل شبه فوري. الزمن الذي يتضاعف فيه الاختلاف بين مجرتين شبه متطابقتين أقل من 0.1 مليون سنة.

في أول مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، كان الكون يشبه ناديًا صاخبًا للمراهقين: المجرات تتوهج، تتصادم، وتلد النجوم بالمئات. لكن وسط هذه الضجة، رصد تلسكوب جيمس ويب شيئًا غريبًا — أحياء كاملة من «المتقاعدين» الهادئين. إنها مجرات ضخمة توقفت عن ولادة النجوم، رغم أنها وفقًا لكل الحسابات كان يجب أن تظل تعج بالنشاط.

ضوء النجم الزائف البعيد — وهو نواة مجرة شديدة السطوع — يمر بجوار مجرة ضخمة وينحني، مثل شعاع مصباح يدوي عبر زجاج غير مستو. إذا كانت العدسة والمصدر في محاذاة شبه مثالية، فإننا لا نرى نجمًا زائفًا واحدًا بل عدة نسخ منه. وقد عثر علماء الفلك على أصغر نظام من هذا القبيل: نصف قطره 0.2 ثانية قوسية فقط — وهذا مثل تمييز عملة معدنية من مسافة 200 كيلومتر.

المجرات الأخرى مجرد لقطات قديمة، بينما درب التبانة نراقبها حية. بمقارنة بيانات 30 عاماً، اكتشف العلماء أن مركز المجرة يتسارع وكأنه يزداد نشاطاً: الثقب الأسود فائق الكتلة ازدادت كتلته، حيث يبتلع سنوياً كتلة تعادل كتلة كويكب كبير؛ القضيب النجمي (شريط ضخم من مليارات النجوم، يشبه ذراع دوامة ضخمة) أصبح يدور بسرعة تزيد 5%؛…

النمو السريع للثقوب السوداء — وهي مناطق من الزمكان تتمتع بجاذبية لا تفلت منها حتى الضوء — في الكون المبكر يظل أحد أعظم ألغاز الفيزياء الفلكية. ربما تقدم الكوازي-نجوم حلاً محتملاً: فهي شرانق غازية عملاقة تختبئ في أعماقها ثقوب سوداء .

التجمعات النجمية الكروية أرشيفات كثيفة للسكان النجميين، تحفظ سجل شباب المجرة. ظل فك رموز هذا السجل صعباً لفترة طويلة بسبب ساعات غير دقيقة: تقديرات العمر تباينت بمقدار مليار سنة، وهو ما يعادل فترات جيولوجية كاملة.

يرتفع العجين بشكل أسرع إذا كان يحتوي على الخميرة. وبالمثل، ربما كانت المجرات تتجمع بشكل أسرع إذا كانت تحتوي على ثقوب سوداء مسبقًا. درس الفيزيائيون الفلكيون حالة وجود ثقوب سوداء بدائية في الكون منذ البداية - وهي أجسام ربما تشكلت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

في عام 2015، كان علماء الفلك يدرسون عنقود المجرات الهلبة (Coma Cluster) ولاحظوا شيئًا غريبًا: "زغب" ضخم يكاد يكون غير مرئي. هذه المجرات بحجم مجرتنا درب التبانة، لكنها تُضيء أضعف بمئات المرات. أُطلق عليها اسم "فائقة الانتشار" (ultra-diffuse) أي "شديدة التلاشي". بدا الأمر في البداية وكأنها حالات شاذة نادرة، لكن سرعان ما اتضح أن مثل هذه المجرات كثيرة جدًا في الكون، وربما لا تقل عن المجرات العادية.

يشبه الكون شبكة عنكبوتية عملاقة: فالمجرات ليست متناثرة عشوائيًا، بل تتجمع في عُقد وعلى امتداد خيوط. داخل الخيوط توجد كميات كبيرة من الغاز، وهناك غالبًا ما تتوهج نجوم جديدة. ولكن كيف تغير هذا الأمر مع مرور الزمن؟ قارن العلماء بيانات من نموذج حاسوبي مع ملاحظات حقيقية لآلاف المجرات. اتضح أنه في الكون الفتي، كانت المجرات التي تشهد ولادة نجوم عنيفة تقترب بالفعل من الخيوط.

عادةً ما تولد النجوم الزرقاء العملاقة في مشاتل نجمية ضيقة — تجمعات مفتوحة داخل القرص الرقيق لمجرتنا. لكن في بعض الأحيان توجد هذه النجوم على ارتفاع كبير فوق القرص، وكأنها قُذفت من المنزل. كيف وصلت إلى هناك؟ قرر علماء الفلك إجراء "اختبار أبوة": أخذوا 39 من هذه النجوم اليتيمة و447 تجمعًا نجميًا، وتتبعوا مساراتها إلى الوراء في الزمن باستخدام بيانات تلسكوب Gaia. يقيس تلسكوب Gaia مواقع النجوم وسرعاتها بدقة هائلة.

أضاءت النجوم الأولى من سحب لم تحتوِ سوى الهيدروجين والهيليوم. العناصر الثقيلة — الكربون والأكسجين والحديد — ظهرت لاحقًا داخل النجوم. لكن بين تلك الأوائل ربما كانت هناك نجوم خفيفة، بكتلة أقل بقليل من كتلة الشمس. مثل هذه النجوم تعيش طويلًا جدًا، مليارات السنين، وقد تبقى حتى يومنا هذا.

المجرة مثل مدينة توقف فيها بناء المنازل الجديدة. النجوم فيها لم تعد تولد، ومن خلال المباني القديمة يمكن معرفة متى كانت أعمال البناء على قدم وساق. نظر علماء الفلك إلى 14 من هذه "المدن الشبحية" على أطراف الكون المرئي - ضوءها استغرق 11-12 مليار سنة للوصول إلينا. باستخدام تلسكوب الفضاء جيمس ويب، التقطوا أطيافها - قاموا بتفكيك الضوء إلى ألوان مثل قوس قزح لمعرفة تركيب النجوم وعمرها.

العنقود المجري يشبه تقاطعًا مزدحمًا حيث تندفع المجرات-السيارات عبر رياح معاكسة من الغاز الساخن. هذه الرياح، المسماة بضغط الدفع (ram pressure)، تقتطع من المجرات مخزونات الغاز البارد — وقود ولادة النجوم. تابع علماء مسح SAMI كيف يحدث هذا لدى مئات المجرات في ثماني عناقيد قريبة. قسّموا المجرات إلى ثلاث مجموعات حسب شكل الهيدروجين المتوهج: هادئة، مائلة، ومبتورة.