حقوق الصورة: ESO
اكتشف فريق من علماء الفلك مقرهم في هاواي مجرة بعيدة تبعد 12.8 مليار سنة ضوئية توضح لنا كيف كان الكون عندما كان عمره 900 مليون سنة فقط. لقد عثروا على المجرة باستخدام كاميرا خاصة مثبتة على تلسكوب كندا وفرنسا وهاواي تبحث عن أجسام بعيدة بتردد معين من الضوء. من خلال الكشف عن هذه المجرة ، الموجودة في كوكبة Cetus ، بالقرب من النجم Mira مباشرة ، طور الفريق منهجية جديدة لاكتشاف الأجسام البعيدة التي يجب أن تساعد المراقبين المستقبليين على النظر إلى أبعد من ذلك في الماضي.
بفضل المقاريب والأدوات المحسنة ، أصبح من الممكن رصد المجرات البعيدة والباهتة للغاية التي كانت حتى وقت قريب أحلام الفلكيين.
تم العثور على أحد هذه الأشياء من قبل فريق من علماء الفلك [2] مع كاميرا واسعة المجال مثبتة في منظار كندا - فرنسا - هاواي في ماونا كيا (هاواي ، الولايات المتحدة الأمريكية) أثناء البحث عن المجرات البعيدة للغاية. تم تحديده باسم "z6VDF J022803-041618" ، وتم اكتشافه بسبب لونه غير المعتاد ، ولا يمكن رؤيته إلا على الصور التي تم الحصول عليها من خلال مرشح بصري خاص يعزل الضوء في نطاق ضيق قريب من الأشعة تحت الحمراء.
أكد طيف متابعة لهذا الكائن باستخدام أداة FORS2 متعددة الأوضاع في تلسكوب ESO كبير جدًا (VLT) أنها مجرة بعيدة جدًا (الانزياح الأحمر هو 6.17 [3]). يُرى كما كان عندما كان عمر الكون حوالي 900 مليون سنة فقط.
z6VDF J022803-041618 هي واحدة من أكثر المجرات البعيدة التي تم الحصول على أطيافها حتى الآن. ومن المثير للاهتمام أنه تم اكتشافه بسبب الضوء المنبعث من نجومه الضخمة وليس ، كما كان متوقعًا في الأصل ، من انبعاث غاز الهيدروجين.
تاريخ موجز للكون المبكر
يتفق معظم العلماء على أن الكون ينبع من حالة أولية ساخنة وكثيفة للغاية في الانفجار العظيم. تشير الملاحظات الأخيرة إلى أن هذا الحدث الحاسم وقع منذ حوالي 13700 مليون سنة.
خلال الدقائق القليلة الأولى ، تم إنتاج كميات هائلة من نوى الهيدروجين والهيليوم مع البروتونات والنيوترونات. كان هناك أيضًا الكثير من الإلكترونات الحرة وخلال الحقبة التالية ، كانت الفوتونات العديدة متناثرة من هذه النوى الذرية. في هذه المرحلة ، كان الكون معتمًا تمامًا.
بعد حوالي 100000 سنة ، كان الكون يبرد إلى بضعة آلاف من الدرجات ، والآن تتحد النوى والإلكترونات لتكوين الذرات. بعد ذلك لم تعد الفوتونات مشتتة من هذه ، وأصبح الكون فجأة شفافًا. يشير علماء الكون إلى هذه اللحظة على أنها "حقبة إعادة التركيب". يصور إشعاع خلفية الميكروويف الذي نلاحظه الآن من جميع الاتجاهات حالة التماثل الكبير في الكون في تلك الحقبة البعيدة.
في المرحلة التالية ، تحركت ذرات البدائية - أكثر من 99 ٪ منها من الهيدروجين والهيليوم - معًا وبدأت في تشكيل سحب ضخمة ظهرت منها النجوم والمجرات في وقت لاحق. أنتج الجيل الأول من النجوم ، وبعد ذلك إلى حد ما ، أول المجرات والكوازارات [4] ، أشعة فوق بنفسجية مكثفة. لكن هذا الإشعاع لم ينتقل بعيدًا ، على الرغم من حقيقة أن الكون أصبح شفافًا منذ فترة طويلة. وذلك لأن الفوتونات فوق البنفسجية (ذات الطول الموجي القصير) ستمتص على الفور بواسطة ذرات الهيدروجين ، "تطرق" الإلكترونات من تلك الذرات ، في حين أن الفوتونات ذات الطول الموجي الأطول يمكن أن تنتقل أبعد من ذلك بكثير. وهكذا أصبح الغاز بين المجرات يتأين مرة أخرى في المجالات المتزايدة باطراد حول المصادر المؤينة.
في لحظة ما ، أصبحت هذه المجالات كبيرة جدًا لدرجة أنها تتداخل تمامًا ؛ ويشار إلى ذلك باسم "عصر إعادة التأين". حتى ذلك الحين ، كانت الذرات تمتص الأشعة فوق البنفسجية ، لكن الكون أصبح الآن شفافًا تجاه هذا الإشعاع. في السابق ، لم يكن من الممكن رؤية الضوء فوق البنفسجي من تلك النجوم والمجرات الأولى على مسافات كبيرة ، ولكن الآن ظهر الكون فجأة ممتلئًا بالأشياء الساطعة. ولهذا السبب يشار إلى الفاصل الزمني بين عصور "إعادة التركيب" و "إعادة التأين" باسم "العصور المظلمة".
متى كانت نهاية "العصور المظلمة"؟
إن الفترة الدقيقة لإعادة التأين هي موضوع نقاش نشط بين علماء الفلك ، لكن النتائج الأخيرة من الملاحظات الأرضية والفضائية تشير إلى أن "العصور المظلمة" استمرت بضع مئات الملايين من السنين. هناك برامج بحثية مختلفة جارية الآن تحاول تحديد أفضل عندما حدثت هذه الأحداث المبكرة. لهذا ، من الضروري إيجاد ودراسة بالتفصيل الأجسام الأقدم ، وبالتالي الأكثر بعدًا في الكون - وهذا جهد مراقبة شديد المتطلبات.
الضوء خافت بمربع المسافة وكلما نظرنا في الفضاء أكثر لرصد شيء ما - وبالتالي كلما ظهرنا مرة أخرى - كلما كان أكثر خفوتًا. في الوقت نفسه ، يتحول ضوءه الخافت نحو المنطقة الحمراء من الطيف بسبب توسع الكون - كلما زادت المسافة ، زاد الانزياح الأحمر الملاحظ [3].
خط انبعاث ليمان ألفا
باستخدام التلسكوبات الأرضية ، يتم تحقيق أضعف حدود الكشف عن طريق عمليات المراقبة في الجزء المرئي من الطيف. لذا يتطلب الكشف عن الأجسام البعيدة ملاحظات للتوقيعات الطيفية فوق البنفسجية التي تم تحويلها إلى المنطقة المرئية. يستخدم الفلكيون عادةً خط الانبعاث الطيفي ليمان ألفا باللون الأحمر ذي الطول الموجي 121.6 نانومتر ؛ وهو يقابل الفوتونات المنبعثة من ذرات الهيدروجين عندما تتغير من حالة متحمسة إلى حالتها الأساسية.
إحدى الطرق الواضحة للبحث عن أكثر المجرات البعيدة هي البحث عن انبعاث ليمان ألفا في الأطوال الموجية الحمراء (الأطول) الممكنة. كلما طال طول خط ليمان ألفا المرصود ، كلما زاد حجم الانزياح الأحمر والمسافة ، والأقدم هو الحقبة التي نرى فيها المجرة وكلما اقتربنا من اللحظة التي ميزت نهاية "العصور المظلمة" ".
حساسات CCD المستخدمة في الأجهزة الفلكية (وكذلك في الكاميرات الرقمية التجارية) حساسة لضوء الأطوال الموجية التي تصل إلى حوالي 1000 نانومتر (1؟ م) ، أي في المنطقة الطيفية القريبة من الأشعة تحت الحمراء تقريبًا ، وراء الضوء الأحمر الذي يمكن أن يمكن رؤيته بالعين البشرية عند حوالي 700-750 نانومتر.
سماء الليل الساطعة القريبة من الأشعة تحت الحمراء
ومع ذلك ، هناك مشكلة أخرى لهذا النوع من العمل. إن البحث عن انبعاث ليما ألفا الخافت من المجرات البعيدة معقد بسبب حقيقة أن الغلاف الجوي الأرضي - الذي يجب أن تبدو من خلاله جميع المقاريب الأرضية - ينبعث منه الضوء أيضًا. وينطبق ذلك بشكل خاص على الجزء الأحمر والقريب من الأشعة تحت الحمراء من الطيف حيث تنشأ مئات خطوط الانبعاث المنفصلة من جزيء الهيدروكسيل (جذر OH) الموجود في الغلاف الجوي العلوي على ارتفاع حوالي 80 كم (انظر PR PR 13 أ / 03).
هذا الانبعاث القوي الذي يشير إليه الفلكيون باسم "خلفية السماء" هو المسؤول عن حد الضعف الذي يمكن عنده اكتشاف الأجسام السماوية باستخدام مقاريب أرضية عند أطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء. ومع ذلك ، هناك لحسن الحظ فواصل طيفية من "خلفية OH منخفضة" حيث تكون خطوط الانبعاث هذه أكثر خفوتًا ، مما يسمح بحد كشف أكثر خفة من عمليات المراقبة الأرضية. يوجد إطاران من هذه "السماء المظلمة" في صورة PR 13a / 03 بالقرب من أطوال موجية 820 و 920 نانومتر.
وبالنظر إلى هذه الجوانب ، فإن الطريقة الواعدة للبحث بكفاءة عن المجرات البعيدة هي مراقبة أطوال موجية بالقرب من 920 نانومتر عن طريق مرشح ضوئي ضيق النطاق. يسمح تكييف العرض الطيفي لهذا المرشح بحوالي 10 نانومتر باكتشاف أكبر قدر ممكن من الضوء من الأجرام السماوية عند انبعاثه في خط طيفي يطابق الفلتر ، مع تقليل التأثير الضار لانبعاث السماء.
وبعبارة أخرى ، مع الحد الأقصى من الضوء الذي يتم جمعه من الأجسام البعيدة والحد الأدنى من الضوء المزعج من الغلاف الجوي الأرضي ، فإن فرص اكتشاف هذه الأجسام البعيدة هي الأمثل. يتحدث الفلكيون عن "زيادة التباين" للأجسام التي تُظهر خطوط الانبعاث عند هذا الطول الموجي.
برنامج البحث CFHT
استنادًا إلى الاعتبارات المذكورة أعلاه ، قام فريق دولي من علماء الفلك [2] بتركيب مرشح ضوئي ضيق النطاق متمركز في الطول الموجي القريب من الأشعة تحت الحمراء 920 نانومتر على جهاز CFH12K في تلسكوب كندا وفرنسا وهاواي في ماونا كيا (هاواي ، الولايات المتحدة الأمريكية) للبحث عن المجرات البعيدة للغاية. إن CFH12K عبارة عن كاميرا ذات مجال واسع تُستخدم في التركيز الأساسي لـ CFHT ، مما يوفر مجال رؤية تقريبيًا. 30 × 40 أركمين 2 ، أكبر إلى حد ما من البدر [5].
بمقارنة الصور من نفس مجال السماء التي تم التقاطها من خلال مرشحات مختلفة ، تمكن الفلكيون من التعرف على الأشياء التي تبدو "مشرقة" نسبيًا في صورة NB920 و "باهتة" (أو حتى غير مرئية) في الصور المقابلة التي تم الحصول عليها من خلال المرشحات الأخرى . يظهر مثال مذهل في PR Photo 13b / 03 - الكائن في المركز مرئي بشكل جيد في صورة 920nm ، ولكن ليس على الإطلاق في الصور الأخرى.
التفسير الأكثر ترجيحًا لجسم له مثل هذا اللون غير المعتاد هو أنه مجرة بعيدة جدًا حيث يكون الطول الموجي المرصود لخط انبعاث Lyman-alpha القوي قريبًا من 920 نانومتر ، بسبب الانزياح الأحمر. يتم امتصاص أي ضوء ينبعث من المجرة بأطوال موجية أقصر من ليمان ألفا بقوة من خلال تدخل غاز الهيدروجين بين النجوم وبين المجرات ؛ هذا هو السبب في أن الكائن غير مرئي في جميع المرشحات الأخرى.
طيف VLT
من أجل معرفة الطبيعة الحقيقية لهذا الكائن ، من الضروري إجراء متابعة طيفية من خلال مراقبة طيفه. وقد تم تحقيق ذلك باستخدام أداة FORS 2 متعددة الأوضاع في تلسكوب VLT YEPUN بطول 8.2 م في مرصد ESO Paranal. يوفر هذا المرفق مزيجًا مثاليًا من الدقة الطيفية المعتدلة والحساسية العالية باللون الأحمر لهذا النوع من المراقبة الصعبة للغاية. يظهر الطيف الناتج (الخافت) في الصورة PR 13c / 03.
تُظهر PR Photo 13d / 03 تتبع الطيف النهائي ("المُنظف") للكائن بعد الاستخراج من الصورة الموضحة في PR Photo 13c / 03. تم الكشف عن خط انبعاث عريض بوضوح (على يسار المركز ، مكبّر في المدخل). إنه غير متماثل ، مكتئب على جانبه الأزرق (الأيسر). هذا ، إلى جانب حقيقة أنه لا يتم الكشف عن أي ضوء متصل على يسار الخط ، هو إشارة طيفية واضحة لخط ليمان ألفا: الفوتونات "bluer" من Lyman-alpha تمتص بشدة من الغاز الموجود في المجرة نفسها وفي الوسط بين المجرات على طول خط الرؤية بين الأرض والجسم.
وبالتالي سمحت الملاحظات الطيفية للفلكيين بتحديد هذا الخط بشكل لا لبس فيه على أنه ليمان ألفا ، وبالتالي تأكيد المسافة الكبيرة (الانزياح الأحمر العالي) لهذا الكائن المعين. يبلغ الانزياح الأحمر المقاس 6.17 ، مما يجعل هذا الكائن واحدًا من أبعد المجرات المكتشفة على الإطلاق. وقد حصل على تسمية "z6VDF J022803-041618" - الجزء الأول من هذا الاسم غير العملي إلى حد ما يشير إلى المسح والثاني يشير إلى موضع هذه المجرة في السماء.
ضوء النجوم في أوائل الكون
ومع ذلك ، فإن هذه الملاحظات لم تأت دون مفاجأة! كان الفلكيون يأملون (ويتوقعون) في الكشف عن خط ليمان ألفا من الجسم في وسط النافذة الطيفية 920 نانومتر. ومع ذلك ، بينما تم العثور على خط ليمان ألفا ، تم وضعه على طول موجة أقصر إلى حد ما.
وبالتالي ، لم يكن انبعاث ليمان ألفا هو الذي جعل هذه المجرة "مشرقة" في صورة النطاق الضيق (NB920) ، ولكن انبعاث "مستمر" عند أطوال موجية أطول من تلك التي تنتجها ليمان ألفا. هذا الإشعاع مرئي بشكل ضعيف جدًا كخط أفقي منتشر في PR Photo 13c / 03.
إحدى النتائج هي أن الانزياح الأحمر المقاس بمقدار 6.17 أقل من الانزياح الأحمر المتوقع أصلاً البالغ حوالي 6.5. آخر هو أن z6VDF J022803-041618 تم اكتشافه بواسطة الضوء من نجومه الضخمة ("التواصل") وليس عن طريق الانبعاث من غاز الهيدروجين (خط ليمان ألفا).
هذا الاستنتاج المثير للاهتمام له أهمية خاصة لأنه يظهر أنه من الممكن من حيث المبدأ اكتشاف المجرات في هذه المسافة الهائلة دون الحاجة إلى الاعتماد على خط انبعاث ليمان ألفا ، والذي قد لا يكون موجودًا دائمًا في أطياف المجرات البعيدة. سيزود هذا علماء الفلك بصورة أكثر اكتمالا عن عدد المجرات في الكون المبكر.
علاوة على ذلك ، فإن مراقبة المزيد والمزيد من هذه المجرات البعيدة سيساعد على فهم حالة التأين للكون بشكل أفضل في هذا العمر: يجب ألا يصل الضوء فوق البنفسجي المنبعث من هذه المجرات إلى الكون "المحايد" ، أي قبل حدوث إعادة التأين . البحث عن المزيد من هذه المجرات مستمر الآن لتوضيح كيف حدث الانتقال من العصور المظلمة!
المصدر الأصلي: ESO News Release
