عثر تلسكوب سوبارو القوي في هاواي على أبعد مجرة شوهدت على الإطلاق ، وتقع على بعد 12.88 مليار سنة ضوئية - أي بعد 780 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. إن مراقبة الأشياء البعيدة أمر صعب للغاية ، ليس فقط بسبب المسافات البعيدة التي تنطوي عليها ، ولكن لأن الكثير من الكون تم حجبه خلف الهيدروجين المحايد. عندئذ فقط بدأت النجوم في إزالة هذا الهيدروجين المحايد ، مما جعل الكون شفافًا.
لقد نظر الفلكيون الذين يستخدمون تلسكوب سوبارو في هاواي 60 مليون سنة إلى الوراء أكثر من أي علماء فلك آخرين ، للعثور على أبعد مجرة معروفة في الكون. من خلال القيام بذلك ، فإنهم يدعمون سجل سوبارو للعثور على المجرات البعيدة والأقدم المعروفة. أحدث اكتشاف لها هو مجرة تسمى I0K-1 تقع بعيدًا لدرجة أن الفلكيين يرونها كما ظهرت قبل 12.88 مليار سنة.
يشير هذا الاكتشاف ، بناءً على الملاحظات التي أجراها ماسانوري آي من المرصد الفلكي الوطني الياباني (NAOJ) ، وكازواكي أوتا من جامعة طوكيو ، ونوبوناري كاشيكاوا من NAOJ ، وآخرون إلى أن المجرات كانت موجودة بعد 780 مليون سنة فقط من ظهور الكون منذ حوالي 13.66 مليار سنة كحساء ساخن للجسيمات الأولية.
للكشف عن الضوء من هذه المجرة ، استخدم الفلكيون كاميرا سوبريم كام من تلسكوب سوبارو المجهزة بفلتر خاص للبحث عن المجرات البعيدة المرشحة. لقد وجدوا 41533 قطعة ، ومن هؤلاء حددوا مجرتين مرشحتين لمزيد من الدراسة باستخدام كاميرا الأشياء الباهتة و Spectrograph (FOCAS) على سوبارو. ووجدوا أن IOK-1 ، الأكثر إشراقًا لدى الاثنين ، لديه انزياح أحمر قدره 6.964 ، مما يؤكد مسافة 12.88 مليار سنة ضوئية.
يتحدى هذا الاكتشاف علماء الفلك لتحديد ما حدث بالضبط بين 780 و 840 مليون سنة بعد الانفجار العظيم. IOK-1 هي واحدة من مجرتين فقط في الدراسة الجديدة يمكن أن تنتمي إلى هذه الحقبة البعيدة. بالنظر إلى عدد المجرات التي تم اكتشافها من 840 مليون سنة بعد الانفجار العظيم ، كان فريق البحث يتوقع العثور على ما يصل إلى ست مجرات في هذه المسافة. الندرة النسبية لأشياء مثل IOK-1 تعني أن الكون يجب أن يكون قد تغير على مدى 60 مليون سنة تفصل بين العصرين.
التفسير الأكثر إثارة لما حدث هو أننا نرى حدثًا يعرفه الفلكيون على أنه إعادة تأيين الكون. في هذه الحالة ، بعد 780 مليون سنة من الانفجار العظيم ، لا يزال الكون يحتوي على ما يكفي من الهيدروجين المحايد لمنع رؤيتنا للمجرات الصغيرة عن طريق امتصاص الضوء الذي تنتجه نجومهم الصغيرة الساخنة. بعد ستين مليون سنة ، كان هناك ما يكفي من النجوم الشابة الساخنة لتأين الهيدروجين المحايد المتبقي ، مما يجعل الكون شفافًا ويسمح لنا برؤية نجومهم.
يقول تفسير آخر للنتائج أنه كان هناك عدد أقل من المجرات الشابة الكبيرة والمشرقة بعد 780 مليون سنة من الانفجار العظيم بعد 60 مليون سنة بعد ذلك. في هذه الحالة ، كانت معظم إعادة التأين ستحدث قبل 12.88 مليار سنة.
بغض النظر عن التفسير الذي يسود في النهاية ، فإن الاكتشاف يشير إلى أن الفلكيين يحفرون الآن الضوء من "العصور المظلمة" للكون. هذه هي الحقبة التي ظهرت فيها الأجيال الأولى من النجوم والمجرات ، والعصر الذي لم يتمكن الفلكيون من مراقبته حتى الآن.
معلومات اساسية:
علم الآثار من الكون المبكر باستخدام مرشحات خاصة
تحتوي المجرات حديثة الولادة على نجوم ذات مدى واسع من الكتل. النجوم الأثقل لها درجات حرارة أعلى ، وتنبعث منها الأشعة فوق البنفسجية التي تسخن وتأين الغازات المجاورة. عندما يبرد الغاز ، فإنه يشع الطاقة الزائدة بعيدًا حتى يتمكن من العودة إلى حالة محايدة. في هذه العملية ، سوف ينبعث الهيدروجين دائمًا الضوء عند 121.6 نانومتر ، يسمى خط ليمان ألفا. يجب أن تتألق أي مجرة بها العديد من النجوم الساخنة بشكل مشرق عند هذا الطول الموجي. إذا تشكلت النجوم دفعة واحدة ، يمكن أن تنتج النجوم الساطعة انبعاث ليمان ألفا لمدة 10 إلى 100 مليون سنة.
من أجل دراسة المجرات مثل IOK-1 التي توجد في العصور المبكرة من الكون ، يجب على الفلكيين البحث عن ضوء Lyman-alpha الممتد والمتحول إلى أطوال موجية أطول مع توسع الكون. ومع ذلك ، عند الأطوال الموجية الأطول من 700 نانومتر ، يجب على الفلكيين التعامل مع الانبعاثات الأمامية من جزيئات الهيدروجين في الغلاف الجوي للأرض نفسه والتي تتداخل مع الانبعاثات الضعيفة من الأجسام البعيدة.
للكشف عن الضوء الخافت من المجرات البعيدة ، كان فريق البحث يراقب الأطوال الموجية حيث لا يتوهج جو الأرض كثيرًا ، من خلال النوافذ عند 711 و 816 و 921 نانومتر. تتوافق هذه النوافذ مع انبعاث ليمان ألفا الأحمر من المجرات مع انزياحات حمراء تبلغ 4.8 و 5.7 و 6.6 على التوالي. تشير هذه الأرقام إلى مدى صغر حجم الكون مقارنة الآن ، وتتوافق مع 1.26 مليار سنة ، و 1.01 مليار سنة ، و 840 مليون سنة بعد الانفجار العظيم. يشبه هذا عمل علم الآثار للكون المبكر مع مرشحات معينة تسمح للعلماء برؤية طبقات مختلفة من التنقيب.
للحصول على نتائج جديدة مذهلة ، كان على الفريق تطوير مرشح حساس للضوء بأطوال موجية حول 973 نانومتر فقط ، وهو ما يتوافق مع انبعاث ألفا ليمان عند انزياح أحمر قدره 7.0. هذا الطول الموجي هو في حدود CCDs الحديثة ، التي تفقد الحساسية عند الأطوال الموجية الأطول من 1000 نانومتر. يستخدم هذا المرشح الفريد من نوعه ، المسمى NB973 ، تقنية الطلاء متعدد الطبقات ، واستغرق تطويره أكثر من عامين. لم يقتصر الأمر على المرشح لتمرير الضوء بأطوال موجية فقط حول 973 نانومتر ، بل كان عليه أيضًا أن يغطي بشكل موحد مجال الرؤية الكامل للتركيز الرئيسي للتلسكوب. عمل الفريق مع شركة ، Asahi Spectra Co.Ltd ، لتصميم مرشح نموذج أولي لاستخدامه مع كاميرا Faint Object Camera من Subaru ، ثم طبق تلك التجربة على عمل مرشح لـ Superm-Cam.
الملاحظات
تم إجراء الملاحظات باستخدام مرشح NB973 خلال ربيع عام 2005. بعد أكثر من 15 ساعة من وقت التعرض ، وصلت البيانات التي تم الحصول عليها إلى حجم محدد يبلغ 24.9. كان هناك 41،533 كائنًا في هذه الصورة ، لكن المقارنة مع الصور الملتقطة بأطوال موجية أخرى أظهرت أن اثنين فقط من الأجسام كانت مشرقة فقط في صورة NB973. خلص الفريق إلى أن هذين الجسمين فقط يمكن أن يكونا مجرات عند انزياح أحمر قدره 7.0. كانت الخطوة التالية هي تأكيد هوية الكائنين ، IOK-1 و IOK-2 ، ولاحظ الفريقهما باستخدام كاميرا الأشياء الخافتة و Spectrograph (FOCAS) على تلسكوب Subaru. بعد 8.5 ساعة من وقت التعرض ، تمكن الفريق من الحصول على طيف من خط الانبعاث من أكثر إشراق الجسمين ، IOK-1. أظهر طيفها ملفًا غير متناظر يتميز بانبعاث ليمان ألفا من مجرة بعيدة. تمركز خط الانبعاث بطول موجة 968.2 نانومتر (انزياح أحمر 6.964) ، يقابل مسافة 12.88 مليار سنة ضوئية ووقت 780 مليون سنة بعد الانفجار العظيم.
هوية المجرة المرشحة الثانية
لم تسفر ثلاث ساعات من وقت المراقبة عن أي نتائج قاطعة لتحديد طبيعة IOK-2. وقد حصل فريق البحث منذ ذلك الحين على المزيد من البيانات التي يتم تحليلها الآن. من الممكن أن يكون IOK-2 مجرة بعيدة أخرى ، أو يمكن أن يكون كائنًا ذات سطوع متغير. على سبيل المثال ، تقوم مجرة تحتوي على مستعر أعظم أو ثقب أسود بابتلاع المواد التي ظهرت لتظهر ساطعة أثناء الملاحظات باستخدام مرشح NB973. (تم عمل ملاحظات في المرشحات الأخرى قبل عام أو عامين).
حقل سوبارو العميق
تلسكوب سوبارو مناسب بشكل خاص للبحث عن المجرات البعيدة. من بين جميع المقاريب من فئة 8 إلى 10 أمتار في العالم ، فهو الوحيد الذي لديه القدرة على تركيب الكاميرا في البؤرة الرئيسية. التركيز الرئيسي ، في أعلى أنبوب التلسكوب ، يتميز بمجال رؤية واسع. ونتيجة لذلك ، تهيمن سوبارو حاليًا على قائمة المجرات الأكثر بعدًا. يقع العديد من هؤلاء في منطقة من السماء باتجاه كوكبة Coma Berenices تسمى حقل Subaru Deep Field الذي اختاره فريق البحث للدراسة المكثفة على العديد من الأطوال الموجية.
التاريخ المبكر للكون وتكوين المجرات الأولى
لوضع هذا الإنجاز سوبارو في السياق ، من المهم مراجعة ما نعرفه عن تاريخ الكون المبكر. بدأ الكون مع الانفجار الكبير ، الذي حدث منذ حوالي 13.66 مليار سنة في فوضى نارية شديدة من درجات الحرارة والضغط الشديدة. في غضون الدقائق الثلاث الأولى ، تمدد الكون الرضيع وتبريده بسرعة ، مما أدى إلى إنتاج نوى العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم ولكن نوى قليلة جدًا من العناصر الثقيلة. خلال 380.000 سنة ، كانت الأشياء تبرد إلى درجة حرارة تقارب 3000 درجة. عند هذه النقطة ، يمكن أن تتحد الإلكترونات والبروتونات لتكوين هيدروجين محايد.
مع ارتباط الإلكترونات الآن بالنوى الذرية ، يمكن للضوء أن ينتقل عبر الفضاء دون أن تتناثره الإلكترونات. يمكننا في الواقع اكتشاف الضوء الذي تخلل الكون في ذلك الوقت. ومع ذلك ، نظرًا للوقت والمسافة ، فقد تم تمديده بعامل 1000 ، مما ملأ الكون بالإشعاع الذي اكتشفناه كموجات ميكروويف (تسمى الخلفية الكونية للميكروويف). قامت المركبة الفضائية مسبار ويلكينسون بموجات متباينة التباين (WMAP) بدراسة هذا الإشعاع وسمحت بياناته لعلماء الفلك بحساب عمر الكون عند حوالي 13.66 مليار سنة. بالإضافة إلى ذلك ، تشير هذه البيانات إلى وجود أشياء مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة الأكثر غموضًا.
يعتقد علماء الفلك أنه على مدى بضع مئات الملايين من السنين الأولى بعد الانفجار العظيم ، استمر الكون في البرودة وأن الجيل الأول من النجوم والمجرات تشكل في المناطق الأكثر كثافة من المادة والمادة المظلمة. تُعرف هذه الفترة باسم "العصور المظلمة" للكون. لا توجد ملاحظات مباشرة لهذه الأحداث حتى الآن ، لذلك يستخدم الفلكيون المحاكاة الحاسوبية لربط التنبؤات النظرية والأدلة القائمة على الملاحظة لفهم تشكيل النجوم والمجرات الأولى.
بمجرد ولادة النجوم الساطعة ، يمكن للأشعة فوق البنفسجية أن تؤين ذرات الهيدروجين القريبة عن طريق تقسيمها مرة أخرى إلى إلكترونات وبروتونات منفصلة. في مرحلة ما ، كان هناك ما يكفي من النجوم الساطعة لتأين كل الهيدروجين المحايد تقريبًا في الكون. هذه العملية تسمى إعادة تأين الكون. تشير حقبة إعادة التأيين إلى نهاية العصور المظلمة للكون. واليوم ، يتأين معظم الهيدروجين في الفضاء بين المجرات.
تحديد عصر التأين
قدر علماء الفلك أن إعادة التأين حدثت في وقت ما بين 290 إلى 910 مليون سنة بعد ولادة الكون. إن تحديد بداية ونهاية حقبة إعادة التأيين هو أحد الحواجز المهمة لفهم كيفية تطور الكون ، وهو مجال من مجالات الدراسة المكثفة في علم الكونيات والفيزياء الفلكية.
يبدو أنه كلما نظرنا إلى الوراء في الماضي ، تصبح المجرات أكثر ندرة وندرة. يبدو أن عدد المجرات ذات الانزياح الأحمر 7.0 (وهو ما يتوافق مع وقت حوالي 780 مليون سنة بعد الانفجار الكبير) أصغر مما يرى الفلكيون انزياحًا أحمرًا قدره 6.6 (والذي يقابل وقتًا بعد حوالي 840 مليون سنة بعد الانفجار الكبير) . نظرًا لأن عدد المجرات المعروفة عند انزياح أحمر بمقدار 7.0 لا يزال صغيرًا (واحد فقط!) ، فمن الصعب إجراء مقارنات إحصائية قوية. ومع ذلك ، من الممكن أن يكون الانخفاض في عدد المجرات عند الانزياح الأحمر الأعلى يرجع إلى وجود هيدروجين محايد يمتص انبعاث ليمان ألفا من المجرات عند انزياح أحمر أعلى. إذا استطاع بحث إضافي أن يؤكد أن كثافة عدد المجرات المماثلة تقل بين انزياح أحمر 6.6 و 7.0 ، فقد يعني ذلك وجود IOK-1 خلال عصر إعادة تأين الكون.
سيتم نشر هذه النتائج في 14 سبتمبر 2006 ، طبعة الطبيعة.
المصدر الأصلي: بيان صحفي سوبارو
