إذا قام تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) بدراسة المجرات الصغيرة والمشرقة في بداية الكون، فقد يكون قادرًا على تسليط الضوء على المادة المظلمة، وهي المادة الأكثر غموضًا في الكون.
هذا هو الاستنتاج الذي توصل إليه علماء من جامعة كاليفورنيا، الذين أجروا محاكاة للكون تتتبع تكوين المجرات الصغيرة، بدءًا من فترة زمنية بعيدة بعد الانفجار الكبير. يبدو أن هذا قد رفع الرهان بالنسبة لـ JWST.
تتوزع المجرات الصغيرة، والمعروفة أيضًا باسم المجرات القزمة، في جميع أنحاء الكون، وقد اقترح العلماء أنها قد تمثل بعضًا من أقدم المجرات التي تشكلت. وهذا يعني أن المجرات القزمة غالبًا ما تُعتبر أساسية في دراسة أصول الكون وتطوره.
لكن المشكلة هي أن هذه المجرات لا تتطابق دائمًا مع ما يتوقع علماء الفلك مراقبته. على سبيل المثال، بعضها يدور بشكل أسرع من المتوقع، والبعض الآخر أقل كثافة مما تشير إليه عمليات المحاكاة. هذا هو المكان الذي تأتي فيه المادة المظلمة.
يعتقد العلماء أن هذه التناقضات المحيرة يمكن أن تكون موجودة لأن الباحثين لم يأخذوا في الاعتبار في عمليات المحاكاة الخاصة بهم مزيج الغاز والمادة المظلمة.
متعلق ب: تلسكوب جيمس ويب الفضائي يرصد 19 بنية مجرية معقدة بتفاصيل مذهلة (صور)
وبالتالي، أخذت المحاكاة الجديدة للفريق في الاعتبار تلك التفاعلات بين المادة المظلمة والغاز، ووجدت أن المجرات المبكرة التي تم إنشاؤها أصغر حجمًا وأكثر سطوعًا بكثير من تلك الموجودة في عمليات المحاكاة التي تهمل التفاعل. ورأى العلماء أيضًا أن المجرات تنمو بسرعة أكبر مما شاهدته الفرق الأخرى.
ومن ثم، يعتقد فريق جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس أن علماء الفلك يجب أن يبدأوا في مطاردة المجرات الصغيرة والمبكرة التي تكون أكثر سطوعًا من المتوقع باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي والتلسكوبات الأخرى. إذا فشلت هذه المجرات في الظهور، حسنًا، فقد يكون هناك خطأ ما في نظرياتنا حول المادة المظلمة.
في الظلام حول المادة المظلمة
تشكل المادة المظلمة صداعًا للعلماء لأنها لا تتفاعل مع الضوء، مما يجعلها غير مرئية لنا بشكل فعال.
تتكون المادة التي تشكل النجوم والغاز والكواكب وأجسادنا وقطتك المجاورة وكل شيء تراه حولك تقريبًا من ذرات مكونة من إلكترونات وبروتونات ونيوترونات. وتسمى هذه “الباريونات”، وهي تتفاعل مع الضوء. وهكذا، أدرك العلماء أن المادة المظلمة يجب أن تتكون من شيء آخر، شيء “غير باريوني”.
كل هذا يعني أنه على الرغم من أن المادة المظلمة تمثل حوالي 85% من كتلة الكون، إلا أن العلماء لا يستطيعون اكتشافها بشكل مباشر وليس لديهم فكرة واضحة عما تتكون منه.
ولأن المادة المظلمة لها كتلة، فإنها تتفاعل مع الجاذبية. وهذا يعني أنه يمكن الاستدلال على وجوده من خلال كيفية تأثير هذه الجاذبية تأثير المادة الباريونية والضوء بالفعل.
في الواقع، تم افتراض مفهوم المادة المظلمة برمته في البداية، لأن المجرات تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن تأثير الجاذبية للمادة الباريونية وحدها لا يستطيع منعها من التطاير. يعتقد العلماء أن تأثير المادة المظلمة غير المرئية هو الذي “يلصق” المجرات معًا بفعل الجاذبية.
ويفترض العلماء أيضًا أن معظم المجرات محاطة بهالات واسعة من المادة المظلمة تمتد إلى ما هو أبعد من محتوى النجوم والغازات والغبار المرئي. ويعتقدون أيضًا أن هذه الهالات ربما كانت جزءًا لا يتجزأ من تكوين المجرات وتطورها.
في النموذج المفضل حاليًا للتطور العالمي، “النموذج الكوني القياسي”، نجح تأثير الجاذبية لكتل المادة المظلمة التي كانت موجودة في الكون قبل 13 مليار سنة في جذب المادة الباريونية المكونة من
الذرات القديمة العادية.
وبمجرد أن أصبحت هذه “المادة العادية” ضخمة بما فيه الكفاية، انهارت لتولد النجوم الأولى. إلى جانب المادة المظلمة، جذبت هذه النجوم الأولى المزيد من المادة الباريونية، مما أدى إلى خلق المجرات المحيطة بها.
يتميز النموذج القياسي بشكل من أشكال المادة المظلمة يسمى “المادة المظلمة الباردة”، والتي حصلت على اسمها ليس لأنها باردة ولكن لأنها تتحرك أبطأ من سرعة الضوء (الحرارة هي مقياس لمدى سرعة حركة الجسيمات). إن تجمع النجوم والمجرات في النموذج الكوني القياسي سيكون بطيئًا أيضًا إذا كان يعتمد على المادة المظلمة الباردة.
من المحتمل أن تكون المادة الباريونية على شكل غاز الهيدروجين والهيليوم من الانفجار الكبير قد تدفقت عبر كتل المادة المظلمة بطيئة الحركة بسرعات تفوق سرعة الصوت في هذه المرحلة المبكرة من تاريخ الكون. أي حتى تعلق المادة في النهاية، ثم تتجمع معًا لتشكل المجرات.
وقالت كلير ويليامز، عضو الفريق وطالبة الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا، في بيان: “في الواقع، في النماذج التي لا تأخذ البث في الاعتبار، هذا هو بالضبط ما يحدث”. “ينجذب الغاز إلى جاذبية المادة المظلمة، ويشكل كتلًا وعقدًا كثيفة جدًا بحيث يمكن أن يحدث اندماج الهيدروجين، وبالتالي يشكل نجومًا مثل شمسنا.”
وجد ويليامز وزملاؤه أنه عندما يتم أخذ ما يسمى بتأثير التدفق بين المادة المظلمة والعادية في الاعتبار في محاكاتهم، فإن جزءًا من “مشروع الأسرع من الصوت” المسمى على نحو مناسب، هبط الغاز بعيدًا عن المادة المظلمة والمجرات المتنامية. هذا منع التكوين الفوري للنجوم.
بعد ملايين السنين، عاد الغاز في النهاية إلى المجرات، مما أدى إلى موجة مكثفة من تكوين النجوم تسمى “الانفجار النجمي”، مما أدى إلى إنشاء مجرات تحتوي على عدد أكبر بكثير من النجوم الشابة والساخنة من المجرات الصغيرة العادية. لبعض الوقت، كان من المفترض أن تكون تلك المجرات ذات الانفجار النجمي أكثر سطوعًا من المجرات الأخرى.
وأوضح ويليامز: “بينما أدى التدفق إلى قمع تكوين النجوم في أصغر المجرات، فقد عزز أيضًا تكوين النجوم في المجرات القزمة، مما جعلها تتفوق على البقع غير المتدفقة في الكون”. “نتوقع أن تلسكوب JWST سيكون قادرًا على العثور على مناطق في الكون حيث المجرات ستكون أكثر سطوعًا، ومتزايدة بهذه السرعة.
“حقيقة أنها يجب أن تكون مشرقة جدًا قد تجعل من السهل على التلسكوب اكتشاف هذه المجرات الصغيرة، والتي عادة ما يكون من الصعب للغاية اكتشافها بعد 375 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير.”
حقيقة أن المادة المظلمة غير مرئية بشكل فعال تعني أن هذه المجرات الصغيرة الساطعة في الكون المبكر ستشكل بديلاً جيدًا لاختبار مفهوم المادة المظلمة الباردة. وقد يعني الفشل في اكتشافها أن على العلماء أن يلجأوا إلى نظريات أخرى.
قصص ذات الصلة:
– يلتقط تلسكوب جيمس ويب الفضائي منظرًا مذهلاً لبقايا المستعر الأعظم المتوسع (صور)
– لعبة شد الحبل الكونية “الغريبة” في سديم الرتيلاء تنسج نجومًا جديدة
– المجرات المبكرة كانت على شكل ألواح ركوب الأمواج وشعرية حمام السباحة، حسبما اكتشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي
“إن اكتشاف بقع من المجرات الصغيرة الساطعة في الكون المبكر سيؤكد أننا نسير على الطريق الصحيح مع نموذج المادة المظلمة الباردة لأن السرعة بين نوعين من المادة فقط هي التي يمكنها إنتاج نوع المجرة التي نبحث عنها، وقال سمادار ناوز، قائد فريق الأسرع من الصوت وأستاذ الفيزياء وعلم الفلك بجامعة كاليفورنيا، في البيان. “إذا كانت المادة المظلمة لا تتصرف مثل المادة المظلمة الباردة القياسية ولم يكن تأثير التدفق موجودًا، فلن يتم العثور على هذه المجرات القزمة الساطعة، وعلينا العودة إلى لوحة الرسم.”
تم نشر بحث الفريق في مجلة The Astrophysical Journal Letters،