باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، لاحظ علماء الفلك “الرقصة” الدرامية بين ثقب أسود فائق الكتلة ومجرتين تابعتين. وقد تساعد هذه الملاحظات العلماء على فهم أفضل لكيفية نمو المجرات والثقوب السوداء الفائقة الكتلة في الكون المبكر.
يتغذى هذا الثقب الأسود الهائل على المادة المحيطة به ويزود كويزارًا ساطعًا بعيدًا جدًا لدرجة أن تلسكوب جيمس ويب يراه كما كان بعد أقل من مليار عام من الانفجار العظيم. يقع الكويزار، المسمى PJ308-21، في نواة مجرية نشطة (AGN) في مجرة في طور الاندماج مع مجرتين قمريتين ضخمتين.
ولم يكتف الفريق بتحديد أن الثقب الأسود له كتلة تعادل ملياري شمس فحسب، بل وجدوا أيضًا أن كل من الكوازار والمجرات المشاركة في هذا الاندماج متطورة للغاية، وهي مفاجأة نظرًا لأنها كانت موجودة عندما كان الكون الذي يبلغ من العمر 13.8 عامًا مجرد طفل رضيع.
ومن المرجح أن يؤدي اندماج هذه المجرات الثلاث إلى تسليم كميات هائلة من الغاز والغبار إلى الثقب الأسود الهائل، مما يسهل نموه ويسمح له بمواصلة تزويد PJ308-21 بالطاقة.
متعلق ب: تلسكوب جيمس ويب الفضائي يكتشف ثقبًا أسودًا هائلًا “أحمر اللون للغاية” ينمو في الكون المبكر
“تكشف دراستنا أن كلاً من الثقوب السوداء في مركز الانزياح الأحمر العالي [early and distant] “تخضع الكوازارات والمجرات التي تستضيفها لنمو فعال ومضطرب للغاية بالفعل في أول مليار عام من تاريخ الكون، بمساعدة البيئة المجرية الغنية التي تتشكل فيها هذه المصادر”، كما يقول قائد الفريق روبرتو ديكارلي، وهو باحث في المعهد الوطني للفيزياء الفلكية في إيطاليا (INAF). وقال في بيان.
تم جمع البيانات في سبتمبر 2022 بواسطة أداة مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRSpec) التابعة لـ JWST كجزء من برنامج 1554، والذي يهدف إلى مراقبة الاندماج بين المجرة التي تستضيف PJ308-21 واثنتين من مجراتها القمرية.
وأضاف ديكارلي أن العمل يمثل “رحلة عاطفية” حقيقية للفريق، الذي طور حلولاً مبتكرة للتغلب على الصعوبات الأولية في تقليل البيانات وإنتاج صور مع عدم يقين أقل من 1% لكل بكسل.
تولد النجوم الزائفة عندما تحيط كميات هائلة من الغاز والغبار بثقوب سوداء هائلة الكتلة تبلغ كتلتها ملايين أو مليارات المرات كتلة الشمس، والتي تقع في قلب المجرات. وتشكل هذه المادة سحابة مسطحة تسمى قرص التراكم تدور حول الثقب الأسود وتغذيه تدريجيًا.
إن قوى الجاذبية الهائلة للثقب الأسود تولد قوى مد وجزر قوية في قرص التراكم هذا، مما يرفع درجة حرارة الغاز والغبار إلى 120 ألف درجة فهرنهايت (67 ألف درجة مئوية). وهذا يتسبب في انبعاث الضوء من قرص التراكم عبر الطيف الكهرومغناطيسي. وغالبًا ما يكون هذا الانبعاث أكثر سطوعًا من الضوء المجمع لكل نجم في المجرة المحيطة، مما يجعل الكوازارات مثل PJ308-21 من ألمع الأجسام في الكون.
في حين لا تمتلك الثقوب السوداء خصائص يمكن استخدامها لتحديد مدى تطورها، فإن أقراص التراكم الخاصة بها (وبالتالي الكوازارات) تمتلك هذه الخصائص. في الواقع، يمكن “تقدير عمر” المجرات بنفس الطريقة.
كان الكون المبكر مليئًا بالهيدروجين، وهو أخف العناصر وأبسطها، وكمية قليلة من الهيليوم. وقد شكل هذا الأساس للنجوم والمجرات الأولى، ولكن أثناء حياة هذه الأجسام النجمية، صاغت عناصر أثقل من الهيدروجين والهيليوم، والتي يطلق عليها علماء الفلك “المعادن”.
وعندما أنهت هذه النجوم حياتها في انفجارات مستعرة عظمى هائلة، انتشرت هذه المعادن في جميع أنحاء مجراتها وأصبحت اللبنات الأساسية للجيل التالي من النجوم. وقد أدت هذه العملية إلى أن تصبح النجوم، ومن خلالها المجرات، “غنية بالمعادن” بشكل تدريجي.
ووجد الفريق أنه مثل معظم النوى المجرية النشطة، فإن القلب النشط لـ PJ308-21 غني بالمعادن، وأن الغاز والغبار المحيطين به يتعرضان لعملية “التأين الضوئي”. هذه هي العملية التي توفر بها جزيئات الضوء، والتي تسمى الفوتونات، الطاقة التي تحتاجها الإلكترونات للهروب من الذرات، مما يخلق أيونات مشحونة كهربائيًا.
إحدى المجرات التي تندمج مع المجرة المضيفة PJ308-21 غنية بالمعادن أيضًا، كما أن مادتها تتعرض أيضًا للتأين الضوئي جزئيًا بواسطة الإشعاع الكهرومغناطيسي من الكوازار.
يحدث التأين الضوئي أيضًا في المجرة القمرية الثانية، ولكن في هذه الحالة، يحدث ذلك بسبب نوبة من تكوين النجوم السريع. وتختلف هذه المجرة الثانية أيضًا عن المجرة الأولى وعن المجرة النشطة، حيث يبدو أنها فقيرة بالمعادن.
“بفضل NIRSpec، يمكننا لأول مرة دراسة النطاق البصري الغني ببيانات التشخيص الثمينة حول خصائص الغاز بالقرب من الثقب الأسود في المجرة التي تستضيف الكوازار وفي المجرات المحيطة،” كما قالت عضو الفريق وعالمة الفيزياء الفلكية في المعهد الوطني للفيزياء الفلكية فيديريكا لوياكونو. “يمكننا أن نرى، على سبيل المثال، انبعاث ذرات الهيدروجين ومقارنتها بانبعاث العناصر الكيميائية التي تنتجها النجوم لتحديد مدى ثراء الغاز بالمعادن.”
على الرغم من أن الضوء يخرج من هذا الكوازار الذي يعود إلى الكون المبكر عبر نطاق واسع من الطيف الكهرومغناطيسي، بما في ذلك الضوء البصري والأشعة السينية، فإن الطريقة الوحيدة لرصده هي بالأشعة تحت الحمراء.
يرجع ذلك إلى أن الضوء الذي قطع مسافة تزيد على 12 مليار سنة ليصل إلى تلسكوب جيمس ويب، أدى إلى “تمدد” أطواله الموجية بشكل كبير. وهذا “يُزحزح” الضوء في اتجاه “الطرف الأحمر” من الطيف الكهرومغناطيسي، وهي الظاهرة التي يطلق عليها علماء الفلك “الانزياح الأحمر” والتي يرمز لها بالحرف “z”.
يتمتع تلسكوب جيمس ويب بقدرة فائقة على رؤية الأجسام والأحداث ذات “الانزياح الأحمر العالي” أو “الانزياح العالي” مثل PJ308-21 بسبب حساسيته للضوء تحت الأحمر.
واختتم لوياكونو حديثه قائلاً: “بفضل حساسية تلسكوب جيمس ويب في الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة، أصبح من الممكن دراسة طيف الكوازار والمجرات المرافقة بدقة غير مسبوقة في الكون البعيد. ولا يمكن ضمان هذه الملاحظات إلا من خلال “المنظر” الممتاز الذي يقدمه تلسكوب جيمس ويب”.
تم قبول بحث الفريق للنشر في يونيو 2024 في المجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية.
. “محلل حائز على جوائز. محب للموسيقى. منشئ. هواة Twitter. مستكشف ودود. محب للتواصل ودود.”