An emerging baryon cycle in a galaxy 500 million years after the Big Bang

في الفصول الأولى من عمر الكون، بعد بضع مئات الملايين من السنين فقط من الانفجار العظيم، كانت المجرات تتشكل بضراوة تتحدى تجربتنا الحديثة. خلال هذه الحقبة، المعروفة باسم عصر إعادة التأين، كان الكون بمثابة حضانة فوضوية حيث انهارت الغازات بسرعة لتشعل النجوم الأولى. لعقود من الزمن، ناقش علماء الفلك كيفية نمو هذه المجرات الوليدة. ويقترح أحد الأفكار السائدة أنه في هذه البيئات الكثيفة والغنية بالغاز، يمكن للنجوم أن تتشكل في انفجارات هائلة وغير منضبطة قبل أن تملك النجوم نفسها الوقت لرد الفعل. هذا المفهوم، المسمى "الانفجار النجمي الخالي من التغذية الراجعة"، يقترح أن المجرة يمكنها تحويل إمداداتها الكاملة من الغاز إلى نجوم بكفاءة مذهلة، دون رادع من القوى المعتادة التي تنظم النمو. ومع ذلك، لا يمكن لهذه المرحلة الجامحة أن تستمر للأبد. ففي النهاية، ينبغي للإشعاع المكثف والموت الانفجاري للنجوم الضخمة أن يولد رياحًا قوية، تزيح الغاز خارج المجرة وتبطئ تشكل النجوم في المستقبل. القطعة المفقودة الحاسمة في هذه القصة الكونية كانت لحظة الانتقال: النقطة الدقيقة التي تتحول فيها المجرة من طفرة نمو جامحة وغير منظمة إلى نظام ذاتي التنظيم حيث تتحكم التغذية الراجعة في دورة الغاز والنجوم.

لقد تمكن فريق من علماء الفلك الآن من رصد مجرة وهي تقوم بهذا الانتقال بعينه. باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، درسوا مجرة بعيدة مدمجة تدعى Gz9p3، والتي وجدت قبل 500 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. هذه المجرة هي نظام مضطرب، ناتج على الأرجح عن اصطدام مجرتين أصغر حجمًا، مما خلق هيكلًا فوضويًا بمركزين ساطعين وذيل طويل من النجوم. ومن خلال التقاط طيف فائق العمق للضوء من هذا الجرم، تمكن الباحثون ليس فقط من رؤية النجوم، بل أيضًا الغاز غير المرئي الذي يتحرك حولها. لقد وجدوا دليلًا واضحًا على أن المجرة خضعت مؤخرًا لانفجار هائل في تشكل النجوم، ولكن هذا الانفجار يتم إيقافه الآن بواسطة رياح نجمية قوية. وتكشف الدراسة أن المجرة عالقة حاليًا في توازن دقيق: فهي تطرد كميات هائلة من الغاز، ومع ذلك فإن هذا الغاز لا يهرب إلى الفراغ. بدلاً من ذلك، يتم دفعه إلى أطراف نطاق الجاذبية للمجرة، حيث يظل متاحًا للسقوط مرة أخرى في وقت لاحق. يوفر هذا الاكتشاف أول رؤية مباشرة لدورة الباريون — وهي حلقة مستمرة من تراكم الغاز، وتشكل النجوم، والتغذية الراجعة — وهي تتأسس في الكون المبكر.

يكمن المفتاح لهذا الاكتشاف في التحليل التفصيلي للغاز المتدفق من Gz9p3. فعندما تتشكل النجوم الضخمة، فإنها تبعث الإشعاع وفي النهاية تنفجر، مما يدفع الغاز بعيدًا عن المجرة. في Gz9p3، رصد التلسكوب خطوط امتصاص في الضوء المنبعث من نجوم المجرة، والتي تعمل مثل بصمات لعناصر محددة في السحب الغازية الموجودة بيننا وبين المجرة. كشفت هذه البصمات أن الغاز يتحرك بعيدًا بسرعات تقارب 160 كيلومترًا في الثانية. والأهم من ذلك، تمكن الباحثون من قياس كثافة هذا الغاز المتدفق مباشرة، وهو إنجاز لم يتحقق لمجرة على مثل هذا البعد الشاسع من قبل. ومن خلال تحليل الطريقة المحددة التي تمتص بها ذرات معينة الضوء، حددوا أن الغاز كثيف نسبيًا، بواقع حوالي 17 جزيء في كل سنتيمتر مكعب. سمحت هذه الكثافة العالية لهم بحساب مقدار الكتلة التي يتم نفخها بعيدًا. وكانت النتيجة مذهلة: المجرة تطرد الغاز بمعدل يزيد عن اثني عشر ضعف المعدل الذي تشكل به نجومًا جديدة حاليًا. هذه النسبة، المعروفة باسم عامل تحميل الكتلة، تعد من بين أعلى النسب التي تم قياسها على الإطلاق، مما يشير إلى أن التغذية الراجعة من الانفجار النجمي الأخير فعالة للغاية في إخلاء وقود المجرة.

كما بحث الباحثون فيما إذا كانت هذه الرياح القوية ستجرد المجرة من مستقبلها إلى الأبد. ومن خلال مقارنة سرعة الغاز المتدفق بقوة جذب هالة المادة المظلمة للمجرة، وجدوا أن الغاز يتحرك ببطء شديد بحيث لا يمكنه الهروب تمامًا. وبينما الرياح قوية بما يكفي لدفع الغاز بعيدًا عن مناطق تشكل النجوم المركزية، إلا أنها تفتقر إلى السرعة للتحرر من جاذبية المجرة بالكامل. وهذا يعني أن المادة المقذوفة، الغنية بالعناصر الثقيلة التي خلقتها النجوم، من المرجح أن تظل محاصرة في هالة المجرة الخارجية. ومع مرور الوقت، من المحتمل أن يبرد هذا الغاز ويهطل مجددًا كالمطر، موفرًا وقودًا جديدًا للجيل القادم من النجوم. تشير هذه العملية إلى أنه حتى في الكون المبكر العنيف، لم تكن المجرات تفقد الكتلة فحسب؛ بل كانت تعيد تدويرها. وتستبعد الدراسة صراحةً فكرة أن هذه المجرة هي مجرد مصنع بسيط غير منظم ينتج النجوم دون عواقب. بدلاً من ذلك، تظهر البيانات أن آليات التغذية الراجعة نشطة ومهيمنة بالفعل، حيث توقف بفعالية الانفجار الأولي وتمهد الطريق لدورة منظمة.

تساعد قصة Gz9p3 أيضًا في تفسير سبب ظهور هذه المجرة بهذا الشكل. فقد وجد الباحثون أن الغاز لا يتم نفخه بعيدًا فحسب، بل يتم إعادة توزيعه أيضًا. المجرة هي نتاج اندماج، وقد أدى الاصطدام إلى تمديد الغاز في ذيل مد وجزر طويل. وأظهرت القياسات الطيفية المأخوذة على طول هذا الذيل أن مخزن الغاز المتعادل ضخم في الواقع، حيث تحتوي بعض المناطق على غاز أكثر من مركز المجرة نفسه. وهذا يشير إلى أن عملية الاندماج نفسها قد قامت بخلط الغاز وتوزيعه، ونقلته من المركز إلى الأطراف. إن الجمع بين إعادة توزيع الغاز الناجم عن الاندماج والتغذية الراجعة النجمية التي تم تفعيلها حديثًا يخلق بيئة معقدة حيث يتحرك الغاز باستمرار، ويتعرض للحرارة، ويُدفع نحو الحواف، لكنه نادرًا ما يُفقد. يتحدى هذا الاكتشاف التصور بأن المجرات المبكرة كانت أنظمة بسيطة ومعزولة. بدلاً من ذلك، يرسم صورة لنظام ديناميكي مترابط حيث كان التفاعل بين الجاذبية، والاصطدامات، والانفجارات النجمية يشكل بالفعل نمو المجرات في أقل من مليار سنة من بدء الكون.

تعتمد الثقة في هذه النتائج على القدرات الفريدة لتلسكوب جيمس ويب الفضائي، والذي سمح للفريق برؤية تفاصيل في الطيف كان من المستحيل حلها سابقًا. إن قياس كثافة الغاز، على وجه الخصوص، هو ملاحظة مباشرة وليس تخمينًا بناءً على النماذج. وبينما يقر الباحثون بوجود بعض حالات عدم اليقين فيما يتعلق بالهندسة الدقيقة للتدفق وإجمالي كمية الغاز المتعادل غير المرئي، فإن الاستنتاج الجوهري قوي: المجرة تمر بتدفق قوي مدفوع بالتغذية الراجعة ومرتبط بالنظام حاليًا. تشير الدراسة إلى أن الانتقال من انفجار نجمي خالٍ من التغذية الراجعة إلى دورة منظمة يحدث بسرعة، غالبًا في غضون بضعة عقود من الملايين من السنين بعد انفجار هائل في تشكل النجوم. وتعد Gz9p3 لقطة لهذه اللحظة العابرة، حيث تقدم لمحة نادرة عن الآليات التي تحكم دورة حياة المجرات. إنها تؤكد أن العمليات الفيزيائية التي نراها في الكون القريب اليوم — حيث تنفخ النجوم الغاز بعيدًا ويعود هذا الغاز في النهاية — كانت موجودة بالفعل خلال الفجر الكوني، واضعة الأساس للمجرات التي نراها حولنا الآن.