تم اكتشاف 31 كوازارًا جديدًا في الكون الفتيّ، من بينها اثنان انبعث منهما الضوء عندما كان عمر الكون حوالي 670 مليون سنة فقط. ويزيد هذا الاكتشاف من غموض كيفية نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة بهذه السرعة بعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة.
التلسكوب الفضائي إقليدس ساعدت وكالة الفضاء الأوروبية علماء الفلك في اكتشاف 31 الكوازارات منذ أقدم فترة في تاريخ الكون. اثنان منها هما الأقدم اللذان تم رصدهما حتى الآن: فقد انبعث ضوؤهما عندما كان عمر الكون حوالي 670 مليون سنة فقط، أي أقل من خمسة بالمائة من عمره الحالي.
تم اكتشاف الكوازارات الجديدة في بيانات المسح الإقليدي الواسع. 14 منها موجودة فيالانزياح الأحمر يبلغ الانزياح الأحمر 7 أو أعلى، وأقدم اثنين منها عند الانزياح الأحمر 7.69 و7.77. هذا الاكتشاف يضاعف عدد الكوازارات المعروفة من هذه الفترة المبكرة، ويوفر لعلماء الفلك مجموعة أكبر لدراسة نمو الثقوب السوداء والمجرات الأولى.
تم نشر النتائج في مجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية من قبل فريق دولي بقيادة ديمينغ يانغ، وهو طالب دكتوراه في جامعة ليدن، وبمشاركة البروفيسور جوزيف هاناواي من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا وجامعة ليدن.
منارات كونية تعمل بالطاقة المستمدة من الثقوب السوداء
الكوازار هو نواة نشطة وساطعة للغاية في المجرة. مصدر طاقته ليس الثقب الأسود نفسه، الذي لا يستطيع الضوء الإفلات منه، بل المادة المحيطة به.
يشكّل الغاز والغبار المنجذبان نحو ثقب أسود فائق الكتلة قرصًا تراكميًا. تُسخّن المادة الموجودة في القرص إلى درجات حرارة عالية جدًا بفعل الاحتكاك والعمليات المغناطيسية، وتُصدر إشعاعًا شديد الكثافة. يمكن للكوازار أن يسطع بشدة تُضاهي شدة تريليونات الشموس، وأن يكون أكثر سطوعًا من جميع نجوم المجرة المضيفة مجتمعة.
يُتيح هذا السطوع رؤية الكوازارات من مسافات كونية شاسعة. في الواقع، لا يراها علماء الفلك كما هي اليوم، بل كما كانت عليه عندما انبعث منها الضوء قبل أكثر من 13 مليار سنة.
"توفر هذه الأشياء أفضل الأدلة لفهم كيف الثقوب السوداء فائقة الكتلةقال هاناوي: "إن وجود الثقوب السوداء التي تبلغ كتلتها مئات الملايين من الكتل الشمسية في مثل هذا الوقت المبكر يمثل تحديًا للنماذج التي تفسر تطورها".
كيف نمت الثقوب السوداء بهذه السرعة؟
تتشكل الثقوب السوداء النجمية عادةً بعد انهيار النجوم الضخمة. ومع ذلك، حتى لو بدأ أحد الثقوب السوداء الأولى بابتلاع المادة بعد فترة وجيزة من ظهور النجوم الأولى، فإن الفترة الزمنية المتاحة له حتى وقت رصد الكوازارات الجديدة كانت قصيرة جدًا بمقاييس الكون.
للوصول إلى مئات الملايين من الكتل الشمسية في أقل من 700 مليون سنة، يجب أن يبدأ الثقب الأسود من "بذرة" ضخمة نسبياً، ويتراكم فيه المادة بمعدل سريع جداً، ويندمج مع ثقوب سوداء أخرى - أو يجمع بين العديد من هذه العمليات.
أحد الاحتمالات هو أن النجوم المبكرة كانت ضخمة للغاية، وبعد انهيارها خلّفت وراءها ثقوبًا سوداء أكبر من تلك التي تتشكل اليوم. احتمال آخر هو أن سحبًا غازية هائلة انهارت مباشرةً لتتحول إلى ثقوب سوداء بكتلة تُقدّر بآلاف أو عشرات الآلاف من الكتل الشمسية، دون أن تمر أولًا بمرحلة طويلة من كونها نجمًا عاديًا.
يُتيح كل كوازار قديم إضافي للعلماء اختبار أي من هذه السيناريوهات يتوافق مع البيانات. فكلما كان الكوازار أقدم، قلّت الفترة الزمنية التي أتيحت للثقب الأسود في مركزه للنمو، وبالتالي يصبح التحدي الذي تواجهه النماذج أكثر صعوبة.
لماذا يصعب العثور على الكوازارات القديمة؟
تُعد الكوازارات من هذه الفترة نادرة للغاية. كان الكون لا يزال فتيًا، ولم يكن لدى سوى عدد قليل من المجرات الوقت الكافي للنمو وتغذية الثقوب السوداء النشطة والساطعة.
بالإضافة إلى ذلك، قد تظهر الكوازارات البعيدة في الصور الفوتوغرافية شبيهةً جداً بالنجوم القريبة في مجرة درب التبانة، وخاصةً الأقزام البنية. فمقابل كل كوازار قديم حقيقي، توجد آلاف الأجسام الأقرب التي قد تبدو شبيهةً به في القياسات الأولية.
يُضيف توسع الكون صعوبةً أخرى. فالضوء المنبعث من الكوازارات في نطاق الأشعة فوق البنفسجية يتمدد في طريقه إلينا، ليصل بأطوال موجية في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. تُعرف هذه العملية بالانزياح الأحمر. وكلما زاد الانزياح الأحمر، زاد احتمال أن يكون الضوء قد أتى من جسم أبعد، ومن حقبة زمنية أقدم في تاريخ الكون.
عند انزياح أحمر مقداره 7، نرى الكون كما كان عليه عندما كان عمره حوالي 750 مليون سنة. أما الكوازاران الجديدان، اللذان يبلغ انزياحهما الأحمر حوالي 7.7، فقد رُصدا منذ زمن أقدم.
يُعدّ الرصد من الأرض صعباً لأنّ الغلاف الجوي للأرض نفسه يتوهج بالأشعة تحت الحمراء ويحجب المصادر الخافتة. ويتطلب اكتشاف الكوازارات النادرة مسحاً عميقاً وتغطية واسعة للسماء، وهو مزيج يمكن أن يوفره مرصد إقليدس من الفضاء.
ميزة إقليدس: العمق الشاسع ومساحة السماء الواسعة
أُطلق مرصد إقليدس في عام 2023 لدراسة المادة المظلمة والطاقة المظلمة وتطور البنية واسعة النطاق للكون. صُمم مسحه الشامل لتغطية أكثر من ثلث سماء الليل وتصوير مليارات المجرات في الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة.
هذه القدرة جعلته أداة فعّالة للغاية في البحث عن الكوازارات القديمة. قبل تشغيله، لم يُكتشف سوى عدد قليل من ألمع الكوازارات من بدايات الكون. يتميز مرصد إقليدس بقدرته على مسح مساحات شاسعة بحساسية عالية، واكتشاف مصادر خافتة حتى.
قال يونغ: "يمثل مرصد إقليدس نقلة نوعية. ففي السابق، لم نكن نستطيع العثور إلا على عدد قليل من ألمع الكوازارات المبكرة، لكن مرصد إقليدس يسمح لنا بالبحث بكفاءة أكبر عبر مساحات شاسعة من السماء والتقاط ضوء خافت للغاية."
خضعت الأجسام المرشحة التي تم رصدها في بيانات إقليدس لعمليات رصد طيفية للتأكد من أنها بالفعل كوازارات بعيدة وليست نجومًا قريبة. وقد تم تأكيد حوالي ثلثي الكوازارات الجديدة، بما في ذلك الكوازارات الثلاثة الأبعد، باستخدام كيك تلسكوبي في هاواي.
عثرت تقنيات التعلم الآلي على إبرة في كومة قش كونية
إلى جانب الملاحظات من الفضاء، استخدم الباحثون الأساليب الحسابية والتعلم الآلي لتصفية عشرات الملايين من مصادر الضوء وتحديد المرشحين الأكثر احتمالاً.
تقوم الخوارزميات بمقارنة سطوع كل جسم عند أطوال موجية مختلفة وتحاول التمييز بين بصمة الكوازار البعيد وبصمة النجم الأقرب أو القزم البني أو المجرة.
بدون هذه التصفية، سيتطلب الأمر إجراء عمليات رصد لاحقة مكلفة على آلاف الأجسام المتشابهة في المظهر. لا يغني التعلم الآلي عن التحليل الطيفي، ولكنه يسمح لنا بتضييق نطاق قائمة الأجسام المرشحة التي يمكن اختبارها باستخدام التلسكوبات الكبيرة.
نافذة على عصر النهضة
ظهرت الكوازارات الجديدة خلالإعادة التأين، وهي مرحلة حاسمة في تاريخ الكون.
بعد الانفجار العظيم، برد الكون وتشكّل الهيدروجين المتعادل. ولمئات الملايين من السنين، ملأ هذا الغاز الفضاء وامتصّ معظم الأشعة فوق البنفسجية. لاحقاً، بدأت النجوم والمجرات والثقوب السوداء النشطة الأولى في إصدار إشعاع أعاد تأيين ذرات الهيدروجين، أي فصل الإلكترونات عن النوى.
أدت عملية إعادة التأين تدريجيًا إلى جعل الكون أكثر شفافية للإشعاع، مما هيأ الظروف للكون الذي نراه اليوم. وقد مرّ ضوء الكوازارات عبر الغاز بين المجرات خلال هذه الفترة، لذا تحمل أطيافها معلومات عن حالة الهيدروجين ومعدل إعادة التأين.
خضع أحد أقدم الكوازارات في هذه المجموعة لدراسة تفصيلية، ويقع داخل مجرة غنية بالغاز والغبار، حيث كان يتشكل النجوم بمعدل سريع. وقد يُتيح هذا لمحة عن البيئة التي نمت فيها أولى الثقوب السوداء فائقة الكتلة.
سيقوم جيمس ويب ومرصد ألما بدراسة الثقوب السوداء
أُتيحت للباحثين فرصة رصد على متن تلسكوب جيمس ويب الفضائي لدراسة بعض الكوازارات الجديدة. صُممت عمليات الرصد لقياس كتل الثقوب السوداء، ودراسة التركيب الكيميائي للغاز المحيط بها، ودراسة كيفية تأثر ضوء الكوازارات بالوسط بين المجرات خلال فترة إعادة التأين.
مصفوفة التلسكوبات الراديوية ALMA في تشيلي، سيكون من الممكن رصد الإشعاع المنبعث من الغبار والغاز البارد في المجرات المضيفة، وبالتالي قياس معدل تكوين النجوم واحتياطيات المواد المتاحة لتغذية الثقب الأسود.
يتمثل الهدف التالي للفريق في العثور على كوازار عند انزياح أحمر أعلى من 8 - وهو جسم انبعث ضوءه عندما كان عمر الكون أقل من 630 مليون سنة.
ووفقًا لهانافي، فإن الرؤية العامة هي ربط الملاحظات المختلفة في جدول زمني متسق: "سجل للكوازارات في المليار سنة الأولى".
שאלות ותשובות
ما هو الكوازار؟
الكوازار هو نواة شديدة السطوع والنشاط في مجرة، تستمد طاقتها من المادة المتساقطة في ثقب أسود فائق الكتلة. تسخن هذه المادة في قرص التراكم وتُصدر كميات هائلة من الإشعاع.
ما هو عمر أقدم الكوازارات المكتشفة؟
انبعث الضوء من أبعد نجمين من نجوم الكوازار عندما كان عمر الكون حوالي 670 مليون سنة. وقد ظل هذا الضوء يسافر نحونا لأكثر من 13 مليار سنة.
ما هو الانزياح الأحمر؟
الانزياح نحو الأحمر هو تمدد أطوال موجات الضوء نتيجة لتوسع الكون. فكلما كان الجسم أبعد، زاد انزياح ضوئه نحو الأطوال الموجية الحمراء والأشعة تحت الحمراء.
لماذا يُعد اكتشاف الكوازارات أمراً مثيراً للدهشة؟
تستمد الكوازارات طاقتها من ثقوب سوداء تبلغ كتلتها مئات الملايين من كتل الشمس. ولا يزال من غير الواضح كيف تمكنت هذه الثقوب السوداء من تجميع هذه الكتلة الهائلة في أقل من 700 مليون سنة بعد الانفجار العظيم.
ما هي مساهمة تلسكوب إقليدس؟
كما يقوم تلسكوب إقليدس بتصوير مساحات شاسعة من السماء في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، فوق الاضطرابات الجوية. وهذا يسمح له باكتشاف الأجسام النادرة والخافتة التي يصعب الوصول إليها من خلال المسوحات الأرضية.
هل قام إقليدس بتصوير الثقوب السوداء نفسها؟
لا، الثقوب السوداء لا تُصدر ضوءًا بشكل مباشر. اكتشف إقليدس الإشعاع الشديد الناتج عن تسخين المادة المحيطة بها، والضوء المنبعث من المجرات المضيفة.
المقال العلمي
10.1051 / 0004-6361 / 202658883
تعليقات 2
النواة النشطة للمجرة هي تلك التي يستمر فيها الثقب الأسود في ابتلاع النجوم والغبار من محيطه. أما النواة غير النشطة فتعني ثقبًا أسود هادئًا، أي أنه قد ابتلع كل ما يمكنه ابتلاعه.
سلام،
يستخدم شرح ماهية الكوازار مصطلح "النواة النشطة".
بصفتي قارئاً لهذه المقالات بين الحين والآخر، ليس لديّ معرفة عامة بهذا المجال. هل يمكنك أيضاً شرح معنى مصطلح "النواة النشطة" في هذا السياق؟
شكر