REBELS-25: multi-phase morphology and kinematics at z = 7.31

في اللحظات الأولى للكون، كان الفضاء مكاناً مظلماً وعديم الشكل، مليئاً فقط بغاز الهيدروجين والهيليوم. وعلى مدار مئات الملايين من السنين، بدأت الجاذبية في سحب هذا الغاز معاً، مما أدى إلى اشتعال النجوم الأولى وصياغة المجرات الأولى. ولفترة طويلة، اعتقد علماء الفلك أن هذه المجرات المبكرة كانت أماكن فوضوية وغير منظمة. فقد اقترح النظرية السائدة أن المجرات في المليار سنة الأولى من التاريخ الكوني كانت أصغر من أن تستقر في أشكال منتظمة؛ حيث كان يُعتقد أنها كانت مجموعات مضطربة وغير مستقرة من الغاز والنجوم، تصطدم وتضطرب باستمرار، وتفتقر إلى الأقراص الدوارة الناعمة التي تميز المجرات الناضجة مثل مجرتنا درب التبانة اليوم. وقد ساد هذا المنظور بأن الأمر استغرق مليارات السنين حتى تبرد المجرات، وتنظم غازها، وتطور هياكلها الدوارة الأنيقة التي نراها في الكون القريب.

ومع ذلك، فإن وصول تلسكوب جيمس ويب الفضائي ومصفوفة أتاكاما الكبيرة للموجات المليمترية/دون المليمترية قد بدأ في إعادة كتابة هذا الجدول الزمني. فهذه الأدوات القوية تتيح للعلماء النظر إلى عصر إعادة التأين، وهو زمن كان فيه الكون يقل عمره عن مليار سنة، ورؤية مجرات تبدو ناضجة بشكل مثير للدهشة. والسؤال الآن ليس فقط ما إذا كانت هذه المجرات القديمة موجودة، بل كيف تمكنت من تجميع مثل هذه الهياكل المعقدة بهذه السرعة. هل تمتلك حقاً تلك الأقراص الدوارة الهادئة التي تمتلكها مجرات العصور اللاحقة، أم أن نظامها الظاهري هو وهم ناتج عن الطريقة التي نرصدها بها؟ وللإجابة على ذلك، يجب على الباحثين النظر إلى ما وراء الضوء المرئي للنجوم وفحص الغبار والغاز غير المرئي الذي غالباً ما يخفي الطبيعة الحقيقية لهذه العمالقة الكونية.

لقد وجه فريق من علماء الفاملت أنظارهم الآن إلى مجرة محددة تُدعى REBELS-25، تقع عند انزياح أحمر قدره 7.31. تعني هذه المسافة أن الضوء الذي نراه منها غادر المجرة عندما كان عمر الكون حوالي 700 مليون سنة فقط. وكانت الدراسات السابقة قد لمحت بالفعل إلى أن REBELS-25 هي نظام ضخم لتكوين النجوم ذو بنية دوارة، لكن تلك الملاحظات كانت محدودة. وللحصول على صورة كاملة، دمج الباحثون صوراً جديدة عالية الدقة من مصفوفة أتاكاما الكبيرة للموجات المليمترية/دون المليمترية مع بيانات من تلسكوب جيمس ويب الفضائي. لقد نظروا إلى المجرة عبر طيف واسع من الضوء، من التوهج فوق البنفسجي للنجوم الشابة إلى الحرارة بالأشعة تحت الحمراء البعيدة المنبعثة من الغبار والغاز. ومن خلال دمج هذه الرؤى المختلفة معاً، أنشأوا خريطة تفصيلية ثلاثية الأبعاد لشكل المجرة، وظروفها الداخلية، وحركة غازها.

كشفت النتة عن تباين صارخ بين كيف تبدو المجرة في أنواع مختلفة من الضوء. فعند النظر إليها في الضوء فوق البنفسجي والضوء المرئي، الذي يتتبع النجوم الساخنة والشابة، تظهر REBELS-25 متكتلة وغير منتظمة. فالنقاط الأكثر سطوعاً منتشرة عبر المجرة، حيث توجد بعض الكتل الساطعة على بعد حوالي ألفي سنة ضوئية من المركز. وتبدو فوضوية، تماماً مثل الأنظمة المضطربة التي توقعها علماء الفلك في هذا الوقت المبكر. ومع ذلك، عندما انتقل الباحثون إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء البعيدة، الذي يتتبع الغبار والغاز البارد، تغيرت الصورة تماماً. ففي هذه الرؤية، ليست المجرة مجرد فوضى مبعثرة، بل هي قرص دوار سلس؛ حيث يتركز الغبار والغاز في منطقة مركزية، مكونين قرصاً أسياً شبه مثالي أكثر تنظيماً بكثير مما توحي به النجوم المبعثرة.

هذا الاختلاف الدراماتيكي في المظهر ناتج عن الغبار. فقد وجدت الدراسة أن المناطق المركزية للمجرة محجوبة بشدة بالغبار، مما يحجب الضوء فوق البنفسجي والمرئي من النجوم المختبئة بالداخل. وقد حسب الباحثون أن حجب الغبار يخفي ما بين 55 و98 بالمائة من إجمالي تكوين النجوم في المجرة. وفي المركز تماماً، حيث يكون الغبار في أقصى كثافته، يكون معظم تكوين النجوم غير مرئي للتلسكوبات البصرية. ومن المرجح أن الكتل الساطعة التي تُرى في الأشعة فوق البنفسجية ليست سوى قمم جبل الجليد، والتي تمثل الحواف الخارجية الأقل حجبًا للمجرة حيث تكون النجوم مرئية. إن القلب الحقيقي للمجرة، حيث يحدث النشاط الأكثر كثافة، مخفي خلف حجاب سميك من الغبار، ولا يمكن رؤيته إلا من خلال عيون الأشعة تحت الحمراء للمراصد.

وعلى الرغم من المظهر الفوضوي للنجوم، فإن الغاز داخل REBELS-25 يروي قصة من الاستقرار الملحوظ. فقد حلل الباحثون حركة نوعين مختلفين من الغاز: الغاز المتأين الدافئ الذي يتوهج في خط محدد من الأشعة تحت الحمراء، والغاز المحايد الأبرد الذي يصدر إشارة مختلفة من الأشعة تحت الحمراء. ووجدوا أن كلا النوعين من الغاز يتحركان في نفس النمط الدوراني واسع النطاق. فالغاز لا يتخبط عشوائياً، بل يدور في قرص متماسك. ونسبة الحركة الدورانية المنظمة إلى الحركة العشوائية الفوضوية عالية جداً، مما يشير إلى أن الغاز "بارد ديناميكياً". وهذا يعني أن المجرة قد استقرت بالفعل في هيكل دوار مستقر، مما يتحدى التوقعات بأن المجرات في هذا العمر يجب أن تكون مضطربة وغير منظمة.

كما درست الدراسة التركيب الكيميائي للمجرة لمعرفة ما إذا كانت الكتل المختلفة هي أنظمة منفصلة تصطدم ببعضها البعض، أم أنها أجزاء من مجرة واحدة موحدة. وقام الباحثون بقياس نسب العناصر الكيميائية المختلفة في الغاز عبر مختلف الكتل. وأظهرت النتائج أن الظروف الكيميائية متشابهة بشكل عام في كل مكان في المجرة. كما أن المحتوى المعدني، الذي يشير إلى عدد العناصر الثقيلة التي أنتجتها المجرة، مرتفع ومتسق عبر المناطق المختلفة. هذا التجانس يشير إلى أن الكتل الساطعة التي تُرى في الأشماعة فوق البنفسجية ليست مج-رات منفصلة تندمج مع بعضها البعض ولها تواريخ مختلفة، بل هي على الأرجح مناطق تكوين نجوم مدمجة داخل نفس القرص الواحد الغني كيميائياً. تبدو المجرة كنظام موحد قد عالج بالفعل كمية كبيرة من غازه إلى عناصر أثقل، ووصل إلى مستوى من النضج الكيميائي يضاهي المجرات الموجودة في عصور لاحقة بكثير من تاريخ الكون.

وبينما تعد المجرة في معظمها قرصاً دواراً سلساً، إلا أن البيانات تظهر أيضاً بعض علامات التعقيد. فهناك تلميحات إلى حركات غير دائرية وهياكل صغيرة المقياس تشير إلى أن المجرة ليست سلسة تماماً. قد يكون هناك هيكل يشبه القضيب في المركز، ويظهر الغاز بعض علامات التدفق للداخل أو الخارج. تشير هذه السمات إلى أنه بينما حققت المجرة حالة مستقرة، إلا أنها لا تزال في طور التجميع والتطور النشط. فهي ليست جسماً ثابتاً، بل هي نظام ديناميكي يستمر في بناء نفسه، حتى وهي تحافظ على نظامها العام.

إن النتائج المتعلقة بـ REBELS-25 تتحدى النظرة طويلة الأمد التي ترى أن الكون المبكر كان مكاناً للفوضى الخالصة. فهذه المجرة، الموجودة قبل أقل من مليار سنة من الانفجار العظيم، هي مجرة ضخمة، غنية كيميائياً، وباردة ديناميكياً. وهي تمتلك بنية قرص دوار مشابهة بشكل مفاجئ للمجرات الموجودة بعد مليارات السنين. وتثبت الدراسة أن الغبار يلعب دوراً حاسماً في إخفاء الطبيعة الحقيقية لهذه الأنظمة المبكرة. فلولا النظر عبر الغبار باستخدام تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء، لكان علماء الفلك قد رأوا فقط مجموعة فوضوية ومتكتلة من النجوم وأضاعوا القرص الدوار الأنيق المختبئ تحتها.

يسلط هذا البحث الضوء على أهمية النظر إلى المجرات عبر أطوال موجية متعددة لفهم طبيعتها الحقيقية. فرؤية واحدة يمكن أن تكون مضللة، حيث تخفي النظام الأساسي خلف حجاب من الغبار أو تحجب التفاصيل الفوضوية لتكوين النجوم. ومن خلال الجمع بين قوة التلسكوبات المختلفة، بدأ العلماء يدركون أن الكون قد نظم نفسه بشكل أسرع بكثير مما كان يُعتقد سابقاً. وتقف REBELS-25 كشاهد على هذا التطور السريع، مظهرة أنه حتى في العصور المبكرة من التاريخ الكوني، كانت بعض المجرات قد وجدت بالفعل إيقاعها، وتدور بهدوء في الظلام.