أين تشكلت النجوم الأولى؟

اكتشف فريق دولي من الباحثين، بقيادة باحثين من جامعة تل أبيب، طريقة جديدة لاكتشاف النجوم الأولى من الفترة المبكرة عندما كان عمر الكون واحدا بالمئة فقط من عمره الحالي * أحد أروع المجالات في علم الفلك هو دراسة عصر تشكل النجوم الأولى، عندما بدأ الكون يأخذ شكله الحديث

وأظهر الباحثون بمساعدة نموذج حاسوبي حديث أن اختلاف السرعة بين الغاز والمادة المظلمة يتسبب في تشكيل النجوم الأولى لنمط من التركيزات الكبيرة بجوار المناطق الخالية من النجوم. نُشرت الدراسة في مجلة Nature بتاريخ 20 يونيو 2012

وجد فريق دولي من الباحثين يضم البروفيسور رينان باركانا من جامعة تل أبيب (قائد الفريق) وأناستازيا فيالكوف (جامعة تل أبيب)، إيلي فايسبل (جامعة هارفارد)، والبروفيسور كريس هيراتا وديمتري تاسلياكوفيتش (معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا)، طريقة جديدة لاكتشاف النجوم الأولى تعود إلى الفترة المبكرة عندما كان عمر الكون واحدا بالمئة فقط من عمره الحالي. وباستخدام نموذج حاسوبي متطور، أظهر الباحثون أن اختلاف السرعة بين الغاز والمادة المظلمة يتسبب في تشكيل النجوم الأولى لنمط من التركيزات الكبيرة بجوار المناطق الخالية من النجوم. ويتيح هذا الاكتشاف لعلماء الفلك الخروج والبحث عن موجات الراديو ذات الطول الموجي 21 سم المنبعثة من الهيدروجين البدائي، عندما تم تسخينه بواسطة النجوم الأولى عندما كان عمر الكون 200 مليون سنة فقط.

إن تكوين النجوم جزء من تاريخنا الكوني. يعرف علماء الفلك اليوم أنه قبل وقت طويل من ظهور النجوم، كان الكون المبكر مليئًا بغاز ساخن وموحد. ومن ناحية أخرى، يحتوي الكون المعقد اليوم على نجوم ومجرات. من أروع المجالات في علم الفلك دراسة عصر تشكل النجوم الأولى، عندما بدأ الكون يأخذ شكله الحديث. إن أبعد مجرة ​​تم اكتشافها حتى الآن تشكلت عندما كان عمر الكون 800 مليون سنة، وسيكون من الصعب للغاية رؤية المجرات الأقدم بكثير بشكل مباشر. وبما أن الكون كان مليئا بذرات الهيدروجين في تلك الأوقات، فإن الطريقة الواعدة لمراقبة عصر تكوين النجوم الأولى هي بمساعدة إشعاع الهيدروجين بطول موجة 21 سم (الذي يقع في مجال الراديو) أمواج). ومن الصعب أيضًا قياس هذا الإشعاع، لأنه يتعين على المرء التعامل مع الإشعاع القوي، عند نفس الطول الموجي، لمجرتنا والمجرات القريبة. والأمل هو ألا تكون الإشارة الكونية موحدة، بل ستتغير من مكان إلى آخر، ومن ثم سيكون من الأسهل فصلها عن الإشعاع المحلي المنتظم نسبيا.

وبالفعل، من المتوقع حدوث اضطرابات كبيرة في توزيع النجوم الأولى، بحيث ستكون بعض المناطق مليئة بالنجوم (مقسمة إلى مجرات صغيرة صغيرة جدًا مقارنة بالمجرات الموجودة اليوم مثل درب التبانة)، بينما ستكون مناطق أخرى تقريبًا فارغ. يمكن فهم السبب في ذلك من خلال تشبيه بسيط: لنفترض أننا نريد العثور على جميع القمم التي يزيد ارتفاعها عن 5000 متر على الخريطة. هذه القمم (عددها حوالي 200) ليست موزعة بشكل موحد على الأرض، ولكنها جميعها توجد في عدة تجمعات في سلاسل الجبال الكبرى. والمقصود هو أنه في سلسلة جبال كبيرة، يصبح كل تل قمة عالية، في حين أن التل المماثل الموجود في الوادي هو مجرد تل. وبالمثل، تتركز المجرات الأولى في المناطق التي يكون فيها متوسط ​​كثافة المادة مرتفعًا في جميع أنحاء المنطقة. وتزيد الكثافة العالية من قوة الجاذبية في المنطقة بأكملها وتساعد على تكوين تركيزات من المادة المظلمة، التي يسقط فيها الغاز بعد ذلك ويشكل النجوم.

وقد أضيف مؤخرًا إلى هذه الفكرة الأساسية التمييز المتمثل في أن المادة المظلمة والمادة العادية (الغاز) تحركتا بسرعات مختلفة في الكون المبكر. في العامين الماضيين، تم دراسة تأثير هذه الاختلافات في السرعة بمساعدة النماذج الرياضية والمحاكاة العددية. في مقالتنا أنشأنا لأول مرة محاكاة للتوزيع ثلاثي الأبعاد للنجوم الأولى وأظهرنا أن اختلافات السرعة تزيد بشكل كبير من الاضطرابات (التقلبات) على المقاييس الكبيرة. وتحديداً في عصر التسخين الأول للهيدروجين بين المجرات (بواسطة الأشعة السينية الصادرة عن المجرات)، سنلاحظ اضطرابات كبيرة على نطاق يعادل 400 مليون سنة ضوئية في الكون اليوم. يتم رؤية هذه الاضطرابات على مقياس زاوي قدره 2/3 درجة (للمقارنة، نرى الشمس والقمر بحجم حوالي 1/2 درجة)، لذلك سيكون من السهل نسبيًا قياسهما (لأن ليست هناك حاجة للتلسكوبات ذات الفصل الزاوي العالي). ولذلك فإن النمط الذي نتوقعه يفتح إمكانية اكتشاف بمساعدة موجات الراديو النجوم المبكرة التي تشكلت عندما كان عمر الكون حوالي 180 مليون سنة (1.3% من عمر الكون اليوم). تتضمن الإشارة التي نتوقعها أيضًا بصمة رصدية بحيث يشير قياسها بوضوح إلى وجود مجرات صغيرة صغيرة في ذلك الوقت وتأثير اختلافات السرعة عليها. وهذه فرصة عظيمة ونتوقع بذل جهد كبير في هذا الاتجاه.

لمزيد من المعلومات: