يرى تلسكوب جيمس ويب الفضائي رقصة ثقب أسود قديم مع المجرات المتصادمة

[عبدالله أسحاق]

باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، شهد علماء الفلك الرقص الدرامي بين كوازار فائق الكتلة يعمل بثقب أسود ومجرات مندمجة بعد أقل من مليار سنة من الانفجار الكبير.
رسم توضيحي لكوازار ضخم يعمل بثقب أسود. يُظهر الشكل الداخلي خريطة لانبعاثات خط الهيدروجين (باللونين الأحمر والأزرق) والأكسجين (باللون الأخضر)، في نظام PJ308-21، والتي تظهر بعد إخفاء الضوء من الكوازار المركزي (QSO). (حقوق الصورة: NASA، ESA، CSA، Joseph Olmsted (STScI)/ Decarli et. at / INAF / A&A 2024)

باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST)، لاحظ علماء الفلك "الرقص" الدرامي بين ثقب أسود هائل ومجرتين تابعتين. يمكن أن تساعد الملاحظات العلماء على فهم أفضل لكيفية نمو المجرات والثقوب السوداء فائقة الكتلة في بداية الكون.

يتغذى هذا الثقب الأسود فائق الضخامة على المادة المحيطة به ويزود بالطاقة نجمًا زائفًا لامعًا بعيدًا جدًا لدرجة أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي يراه كما كان بعد أقل من مليار سنة من الانفجار الكبير. يتمركز الكوازار، المسمى PJ308-21، في نواة مجرة نشطة (AGN) في مجرة هي في طور الاندماج مع مجرتين تابعتين ضخمتين.

لم يحدد الفريق أن كتلة الثقب الأسود تعادل ملياري شمس فحسب، بل وجدوا أيضًا أن كلاً من الكوازار والمجرات المشاركة في هذا الاندماج تطورت بشكل كبير، وهي مفاجأة بالنظر إلى أنها كانت موجودة عندما كان عمره 13.8 عامًا. كان الكون مجرد طفل رضيع.

ومن المرجح أن يؤدي اندماج هذه المجرات الثلاث إلى تسليم كميات هائلة من الغاز والغبار إلى الثقب الأسود الهائل، مما سيسهل نموها ويسمح له بمواصلة تزويد PJ308-21 بالطاقة.

"تكشف دراستنا أن كلا من الثقوب السوداء الموجودة في مركز النجوم الزائفة ذات الانزياح الأحمر العالي [المبكر والبعيد] والمجرات التي تستضيفها تخضع لنمو فعال ومضطرب للغاية بالفعل في المليار سنة الأولى من التاريخ الكوني، بمساعدة بيئة المجرة الغنية." وقال قائد الفريق روبرتو ديكارلي، الباحث في المعهد الوطني الإيطالي للفيزياء الفلكية (INAF)، في بيان: "تتشكل هذه المصادر".

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 واثنتان من المجرات التابعة لها.
وأضاف ديكارلي أن العمل يمثل "أفعوانية عاطفية" حقيقية للفريق، الذي طور حلولاً مبتكرة للتغلب على الصعوبات الأولية في تقليل البيانات وإنتاج صور ذات نسبة عدم يقين تقل عن 1% لكل بكسل.

خريطة لانبعاث الأكسجين المؤين في نظام PJ308-21، التي تمت ملاحظتها باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، تُظهر بنية معقدة ثلاثية الأبعاد للنظام و"الرقص الكوني" للمجرات التابعة حول الكوازار. (مصدر الصورة: Decarli et. at / INAF / A&A 2024)

كوازار معدني للغاية

وتولد النجوم الزائفة عندما تكون الثقوب السوداء الهائلة التي تبلغ كتلتها ملايين أو مليارات المرات من كتلة الشمس والتي تقع في قلب المجرات محاطة بثروة من الغاز والغبار. تشكل هذه المادة سحابة مسطحة تسمى القرص التراكمي الذي يدور حول الثقب الأسود ويغذيه تدريجياً.

تولد قوى الجاذبية الهائلة للثقب الأسود قوى مد قوية في هذا القرص المتراكم، والتي تعمل على تسخين هذا الغاز والغبار إلى درجات حرارة تصل إلى 120000 درجة فهرنهايت (67000 درجة مئوية). يؤدي هذا إلى قيام قرص التراكم بإصدار الضوء عبر الطيف الكهرومغناطيسي. غالبًا ما يكون هذا الانبعاث أكثر سطوعًا من الضوء المشترك لكل نجم في المجرة المحيطة، مما يجعل الكوازارات مثل PJ308-21 من ألمع الأجسام في الكون.

على الرغم من أن الثقوب السوداء لا تمتلك خصائص يمكن استخدامها لتحديد مدى تطورها، إلا أن أقراصها التراكمية (وبالتالي النجوم الزائفة) تمتلك تلك الخصائص. في الواقع، يمكن "تقادم" المجرات بنفس الطريقة.

تصور فني للثقب الأسود الهائل وقرص التراكم الخاص به. (مصدر الصورة: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))

كان الكون المبكر مليئًا بالهيدروجين، وهو أخف وأبسط العناصر، وقليل من الهيليوم. وشكل هذا أساس النجوم والمجرات الأولى، ولكن خلال حياة هذه الأجسام النجمية، قامت بتكوين عناصر أثقل من الهيدروجين والهيليوم، والتي يسميها علماء الفلك "المعادن".

عندما أنهت هذه النجوم حياتها في انفجارات سوبر نوفا ضخمة، انتشرت هذه المعادن في جميع أنحاء مجراتها وأصبحت اللبنات الأساسية للجيل القادم من النجوم. شهدت هذه العملية أن النجوم، ومن خلالها المجرات، أصبحت تدريجيًا "غنية بالمعادن".

وجد الفريق أن القلب النشط لـ PJ308-21، مثل معظم النوى المجرية النشطة، غني بالمعادن، وأن الغاز والغبار المحيط به يتم "تأينه ضوئيًا". هذه هي العملية التي من خلالها توفر جسيمات الضوء، التي تسمى الفوتونات، الطاقة. أن الإلكترونات تحتاج إلى الهروب من الذرات، وخلق أيونات مشحونة كهربائيا.

خريطة لانبعاثات خط الهيدروجين (باللونين الأحمر والأزرق) والأكسجين (باللون الأخضر)، في نظام PJ308-21، كما هو موضح بعد إخفاء الضوء من الكوازار المركزي (QSO). تكشف الألوان المختلفة للمجرة المضيفة للكوازار والمجرات المصاحبة لها في هذه الخريطة الظروف والخصائص الفيزيائية للغاز الموجود بداخلها. (مصدر الصورة: Decarli et. at / INAF / A&A 2024)

إحدى المجرات التي تندمج مع المجرة المضيفة PJ308-21 هي أيضًا غنية بالمعادن، كما أن مادتها تتأين جزئيًا بواسطة الإشعاع الكهرومغناطيسي الصادر عن الكوازار.

يحدث التأين الضوئي أيضًا في المجرة التابعة الثانية، ولكن في هذه الحالة، يحدث بسبب نوبة من تكوين النجوم السريع. وتختلف هذه المجرة الثانية أيضًا عن الأولى وعن المجرة المجرية المجرية، إذ يبدو أنها فقيرة بالمعادن.

"بفضل NIRSpec، يمكننا لأول مرة، في نظام PJ308-21، دراسة النطاق البصري الغني بالبيانات التشخيصية الثمينة حول خصائص الغاز بالقرب من الثقب الأسود في المجرة المضيفة للكوازار وفي المجرات المحيطة بها. قالت عضوة الفريق وعالمة الفيزياء الفلكية في INAF فيديريكا لوياكونو. "يمكننا أن نرى، على سبيل المثال، انبعاث ذرات الهيدروجين ومقارنتها مع العناصر الكيميائية التي تنتجها النجوم لتحديد مدى غنى الغاز بالمعادن."

على الرغم من أن الضوء يترك هذا النجم الزائف في بداية الكون عبر نطاق واسع من الطيف الكهرومغناطيسي، بما في ذلك الضوء البصري والأشعة السينية، فإن الطريقة الوحيدة لمراقبته هي الأشعة تحت الحمراء.

وذلك لأنه بما أن الضوء قد سافر لأكثر من 12 مليار سنة ليصل إلى تلسكوب جيمس ويب الفضائي، فقد أدى توسع الكون إلى "تمديد" أطواله الموجية بشكل كبير. يؤدي ذلك إلى "إزاحة" الضوء في اتجاه "النهاية الحمراء" للطيف الكهرومغناطيسي، وهي ظاهرة تسمى "الانزياح الأحمر"، والتي يرمز إليها علماء الفلك بالحرف "z".

يعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي بارعًا في رؤية الأجسام والأحداث ذات "التحول الأحمر العالي" أو "الزاوية العالية" مثل PJ308-21 بسبب حساسيته للضوء تحت الأحمر.

وخلص لوياكونو إلى أنه "بفضل حساسية تلسكوب جيمس ويب الفضائي في الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة، كان من الممكن دراسة طيف النجوم الزائفة والمجرات المرافقة بدقة غير مسبوقة في الكون البعيد". "فقط" العرض "الممتاز الذي يقدمه تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو القادر على ضمان هذه الملاحظات."

وتم قبول بحث الفريق للنشر في يونيو 2024 في مجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية.