كيف يمكن للنجوم المظلمة أن تنير الكون المبكر

عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.

تم نشر هذه المقالة أصلا في المحادثة. ساهم المنشور بالمقال في موقع Space.com أصوات الخبراء: افتتاحية ورؤى.

العلماء العاملون مع تلسكوب جيمس ويب الفضائي اكتشف ثلاثة أجسام فلكية غير عادية في أوائل عام 2025، وهي قد تكون أمثلة على النجوم المظلمة. إن مفهوم النجوم المظلمة موجود منذ بعض الوقت ويمكن أن يغير فهم العلماء لكيفية تشكل النجوم العادية. ومع ذلك، فإن اسمهم مضلل إلى حد ما.

“النجوم المظلمة” هي واحدة من تلك الأسماء المؤسفة التي، ظاهريًا، لا تصف بدقة الأشياء التي تمثلها. النجوم المظلمة ليست نجومًا تمامًا، وهي بالتأكيد ليست مظلمة.

ومع ذلك، فإن الاسم يجسد جوهر هذه الظاهرة. لا تشير كلمة “الظلام” في الاسم إلى مدى سطوع هذه الأشياء، بل إلى العملية التي تجعلها تتألق – مدفوعة بمادة غامضة تسمى المادة المظلمة. الحجم الهائل لهذه الأجسام يجعل من الصعب تصنيفها كنجوم.

كعالم فيزياء، كنت مفتونًا بالمادة المظلمة، وكنت أحاول إيجاد طريقة لرؤية تأثيرها. آثار باستخدام مسرعات الجسيمات. أشعر بالفضول لمعرفة ما إذا كانت النجوم المظلمة يمكن أن توفر طريقة بديلة للعثور على المادة المظلمة.

ما الذي يجعل المادة المظلمة مظلمة؟

المادة المظلمةوالتي تشكل ما يقرب من 27% من الكون ولكن لا يمكن ملاحظتها بشكل مباشر، هي فكرة أساسية وراء ظاهرة النجوم المظلمة. لقد درس علماء الفيزياء الفلكية هذه المادة الغامضة منذ ما يقرب من قرن من الزمان، ومع ذلك لم نر أي دليل مباشر عليها إلى جانب تأثيرات جاذبيتها. إذًا، ما الذي يجعل المادة المظلمة مظلمة؟

البشر في المقام الأول مراقبة الكون عن طريق الكشف الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة أو المنعكسة عن الأجسام المختلفة. على سبيل المثال، القمر مرئي بالعين المجردة لأنه يعكس ضوء الشمس. تمتص الذرات الموجودة على سطح القمر الفوتونات – جزيئات الضوء – المرسلة من الشمس، مما يتسبب في تحرك الإلكترونات داخل الذرات وإرسال بعض من هذا الضوء نحونا.

تكتشف التلسكوبات الأكثر تقدمًا الموجات الكهرومغناطيسية خارج نطاق الطيف المرئيمثل الأشعة فوق البنفسجية أو تحت الحمراء أو موجات الراديو. إنهم يستخدمون نفس المبدأ: تتفاعل مكونات الذرات المشحونة كهربائيًا مع هذه الموجات الكهرومغناطيسية. ولكن كيف يمكنهم اكتشاف مادة -المادة المظلمة- لا تحتوي على شحنة كهربائية فحسب، بل لا تحتوي أيضًا على مكونات مشحونة كهربائيًا؟

على الرغم من أن العلماء لا يعرفون الطبيعة الدقيقة للمادة المظلمة، إلا أن العديد من النماذج تشير إلى أنها تتكون من جسيمات محايدة كهربائيًا، أي تلك التي لا تحتوي على شحنة كهربائية. هذه السمة تجعل من المستحيل مراقبة المادة المظلمة بنفس الطريقة التي نلاحظ بها المادة العادية.

يُعتقد أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات هي جسيمات مضادة خاصة بها. الجسيمات المضادة هي الإصدارات “المرآة” من الجسيمات. لديهم نفس الكتلة ولكن الشحنة الكهربائية المعاكسة وغيرها من الخصائص. عندما يصطدم جسيم بجسيم مضاد له، الاثنان يبيدان بعضهما البعض في موجة من الطاقة.

إذا كانت جسيمات المادة المظلمة هي جسيمات مضادة خاصة بها، فإنها ستفنى عند اصطدامها ببعضها البعض، ومن المحتمل أن تطلق كميات كبيرة من الطاقة. ويتوقع العلماء أن تلعب هذه العملية دورا رئيسيا في تكوين النجوم المظلمة، طالما أن كثافة جزيئات المادة المظلمة داخل هذه النجوم عالية بما فيه الكفاية. تحدد كثافة المادة المظلمة عدد مرات مواجهة جزيئات المادة المظلمة لبعضها البعض وتدميرها. إذا كانت كثافة المادة المظلمة داخل النجوم المظلمة عالية، فإنها ستفنى بشكل متكرر.

ما الذي يجعل النجم المظلم يلمع؟

ينبع مفهوم النجوم المظلمة من سؤال أساسي لم يتم حله بعد في الفيزياء الفلكية: كيف تتشكل النجوم؟ في وجهة النظر المقبولة على نطاق واسع، فإن سحب الهيدروجين والهيليوم البدائيين – العناصر الكيميائية التي تشكلت في الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم، منذ حوالي 13.8 مليار سنة – انهار تحت الجاذبية. قاموا بالتسخين و بدأ الاندماج النووي، أيّ شكلت عناصر أثقل من الهيدروجين والهيليوم. أدت هذه العملية إلى تكوين الجيل الأول من النجوم.

في النظرة القياسية لتكوين النجوم، يُنظر إلى المادة المظلمة على أنها عنصر سلبي يمارس قوة جذب على كل شيء حوله، بما في ذلك الهيدروجين البدائي والهيليوم. ولكن ماذا لو كان للمادة المظلمة دور أكثر نشاطًا في هذه العملية؟ هذا هو بالضبط السؤال مجموعة من علماء الفيزياء الفلكية التي نشأت في عام 2008.

في البيئة الكثيفة للكون المبكر، كانت جسيمات المادة المظلمة موجودة تتصادم مع بعضها البعض، وتدمر بعضها البعض، وإطلاق الطاقة في هذه العملية. يمكن لهذه الطاقة تسخين غاز الهيدروجين والهيليوم، مما يمنعه من المزيد من الانهيار ويؤخر، أو حتى يمنع، الاشتعال النموذجي للاندماج النووي.

وستكون النتيجة جسمًا شبيهًا بالنجم، لكنه مدعوم بتسخين المادة المظلمة بدلًا من الاندماج. على عكس النجوم العادية، قد تعيش هذه النجوم المظلمة لفترة أطول لأنها ستستمر في التألق طالما أنها تجتذب المادة المظلمة. هذه السمة ستجعلها متميزة عن النجوم العادية، حيث أن درجة حرارتها الباردة ستؤدي إلى انخفاض انبعاثات الجسيمات المختلفة.

هل يمكننا ملاحظة النجوم المظلمة؟

العديد من الخصائص الفريدة تساعد علماء الفلك تحديد النجوم المظلمة المحتملة. أولا، يجب أن تكون هذه الأشياء قديمة جدا. مع توسع الكون، يتزايد تردد الضوء القادم منه الأجسام البعيدة عن الأرض تنخفض، يتحول نحو نهاية الأشعة تحت الحمراء للطيف الكهرومغناطيسي، مما يعني أنه “ينزاح نحو الأحمر”. ال تظهر الكائنات الأقدم بشكل أكثر انزياحًا نحو الأحمر للمراقبين.

منذ النجوم المظلمة تتشكل من الهيدروجين والهيليوم البدائيانومن المتوقع أن تحتوي على القليل من العناصر الثقيلة أو لا تحتوي على أي عناصر أثقل، مثل الأكسجين. ستكون كبيرة جدًا وأكثر برودة على السطح، ولكنها شديدة الإضاءة لأن حجمها – ومساحة السطح التي ينبعث منها الضوء – تعوض سطوع سطحها المنخفض.

ومن المتوقع أيضًا أن تكون هائلة، حيث يصل نصف قطرها إلى عشرات الأمتار الوحدات الفلكية — قياس المسافة الكونية يساوي متوسط ​​المسافة بين الأرض والشمس. من المفترض أن تصل كتلة بعض النجوم المظلمة فائقة الكتلة إلى ما يقرب من 10000 إلى 10 ملايين مرة كتلة الشمس، اعتمادًا على كمية المادة المظلمة وغاز الهيدروجين أو الهيليوم التي يمكن أن تتراكم أثناء نموها.

فهل لاحظ علماء الفلك النجوم المظلمة؟ ربما. كشفت بيانات من تلسكوب جيمس ويب الفضائي عن بعض الأجسام ذات الانزياح الأحمر العالي للغاية والتي تبدو أكثر سطوعًا – وربما أكثر ضخامة – مما يتوقعه العلماء من المجرات أو النجوم النموذجية المبكرة. وقد دفعت هذه النتائج بعض الباحثين إلى اقتراح ذلك قد تفسر النجوم المظلمة هذه الأشياء.

النجوم المظلمة قد تفسر الثقوب السوداء المبكرة

ماذا يحدث عندما ينفد النجم المظلم من المادة المظلمة؟ ذلك يعتمد على حجم النجم المظلم. بالنسبة للنجوم المظلمة الأخف وزنا، فإن استنفاد المادة المظلمة يعني أن الجاذبية تضغط على الهيدروجين المتبقي، مما يؤدي إلى إشعال الاندماج النووي. في هذه الحالة، سيصبح النجم المظلم في النهاية نجمًا عاديًا، لذلك قد تكون بعض النجوم قد بدأت كنجوم مظلمة.

النجوم المظلمة الهائلة هي أكثر إثارة للاهتمام. في نهاية عمرها، ينهار النجم المظلم فائق الكتلة مباشرة إلى نجم مظلم الثقب الأسود. يمكن أن يبدأ هذا الثقب الأسود في تكوين أ ثقب أسود هائل، مثل النوع الذي يلاحظه علماء الفلك في مراكز المجرات، بما في ذلك مجرتنا درب التبانة.

قد تفسر النجوم المظلمة أيضًا كيفية تشكل الثقوب السوداء الهائلة في الكون المبكر. يمكنهم تسليط الضوء على البعض الثقوب السوداء الفريدة التي لاحظها علماء الفلك. على سبيل المثال، الثقب الأسود في المجرة UHZ-1 له كتلة تقترب من 10 ملايين كتلة شمسية، وهو قديم جدًا، فقد تشكل بعد 500 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير. تكافح النماذج التقليدية لشرح كيف يمكن لمثل هذه الثقوب السوداء الضخمة أن تتشكل بهذه السرعة.

فكرة النجوم المظلمة ليست مقبولة عالميا. قد يتبين أن هذه النجوم المظلمة المرشحة هي مجرد مجرات غير عادية. يرى بعض علماء الفيزياء الفلكية أن المادة تتراكم، وهي عملية يتم فيها الأجسام الضخمة تسحب المادة المحيطة – وحده يمكنه إنتاج نجوم ضخمة، وأن الدراسات التي تستخدم الملاحظات من تلسكوب جيمس ويب لا يمكنها التمييز بين النجوم العادية الضخمة والنجوم المظلمة الأقل كثافة والأكثر برودة.

يؤكد الباحثون أنهم سيحتاجون إلى المزيد من بيانات الرصد والتطورات النظرية لحل هذا اللغز.