بفضل التلسكوبات الأكثر تقدمًا ، يمكن لعلماء الفلك اليوم أن يروا كيف كانت تبدو الأجسام قبل 13 مليار سنة ، أي بعد 800 مليون سنة تقريبًا من الانفجار العظيم. لسوء الحظ ، لا يزالون غير قادرين على اختراق حجاب الكون العصور المظلمة ، وهي فترة استمرت من 370.000 إلى 1 مليار سنة بعد الانفجار العظيم ، حيث كان الكون مليئًا بالهيدروجين المحايد الذي يحجب الضوء. لهذا السبب ، لا تستطيع تلسكوباتنا أن ترى متى تكونت النجوم والمجرات الأولى - حوالي 100 إلى 500 مليون سنة بعد الانفجار العظيم.
تُعرف هذه الفترة باسم الفجر الكوني ويمثل 'الحدود النهائية' للمسوحات الكونية لعلماء الفلك. في تشرين الثاني (نوفمبر) المقبل ، الجيل القادم من وكالة ناسا تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ستنطلق أخيرًا إلى الفضاء. بفضل حساسيته وبصريات الأشعة تحت الحمراء المتقدمة ،ويبسيكون أول مرصد قادر على مشاهدة ولادة المجرات. وفقا ل دراسة جديدة من جامعة جنيف بسويسرا ، ستوفر القدرة على رؤية الفجر الكوني إجابات لأعظم الألغاز الكونية اليوم.
قاد البحث الدكتور همسة بادمانابان ، عالم الفيزياء النظرية و Collaboratrice Scientifique II في جامعة جنيف. وهي أيضًا الباحث الرئيسي في مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (SNSF) ومستفيدة من 2017 منحة الطموح (منح تمويل بحثي من SNSF) لمشروعها المستقل بعنوان' سبر الكون: من خلال إعادة التأين وما بعده . '
رسم تخطيطي لتطور الكون المرئي. الائتمان: ناسا / تشيركاش
بالنسبة لعلماء الفلك وعلماء الكونيات اليوم ، تمثل القدرة على مراقبة الفجر الكوني فرصة للإجابة على الألغاز الكونية الأكثر ديمومة. في حين أن أول ضوء في الكون لا يزال مرئيًا اليوم كخلفية الموجات الدقيقة الكونية (CMB) ، فإن ما تبعه بعد ذلك بوقت قصير (وحتى حوالي مليار سنة بعد الانفجار العظيم) كان غير مرئي تاريخيًا لأحدث أدواتنا.
لقد أبقى هذا العقول العلمية في جهل (لا تورية!) في العديد من الأمور الكونية الهامة. لم تتشكل النجوم والمجرات الأولى خلال 'العصور المظلمة' فقط ، مما أدى إلى جلب الضوء إلى الكون تدريجيًا ، بل حدث أيضًا في هذا الوقت تقريبًا 'إعادة التأين الكوني'. هذه الفترة الانتقالية هي عندما يُعتقد أن جميع الغازات المحايدة التي تغلغلت في الكون قد تحولت إلى بروتونات وإلكترونات (تعرف أيضًا باسم الباريونات) التي تشكل جميع المواد 'الطبيعية'.
لسوء الحظ ، لم يتمكن علماء الفلك من دراسة هذه الفترة من التاريخ الكوني. ينبع جزء كبير من المشكلة من كيفية انزياح الضوء من هذه الحقبة إلى الأحمر إلى النقطة التي يكون فيها مرئيًا في جزء من الطيف الراديوي لا يمكن الوصول إليه بواسطة أجهزة العصر الحديث ( خط انتقال 21 سم ). ولكن كما أوضح الدكتور بادمانابان لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني ، فإن هذا ليس العائق الوحيد أمام دراسة الكون المبكر:
'لقد استعصت علينا هذه الفترة حتى الآن في عمليات الرصد نظرًا للمستوى العالي من الحساسية المطلوبة لاكتشاف الانبعاث ، جنبًا إلى جنب مع التحدي المتمثل في اكتشاف الإشارة الخافتة للغاية (التي تأتي من غاز الهيدروجين الموجود في بدايات الكون) في وجود انبعاث في المقدمة (معظمه من مجرتنا) أكبر بحوالي 4-5 مرات من حجم الإشارة التي نريد قياسها '.
النموذج الكوني LCDM ، مرئي. الائتمان: Alex Mittelmann / Wikipedia Commons
من خلال دراسة أقدم النجوم والمجرات في التكوين ، سيتمكن علماء الفلك من رؤية 90٪ من المادة الباريونية (المعروفة أيضًا باسم 'مضيئة' أو 'طبيعية') في الكون وكيف تطورت إلى هياكل كونية واسعة النطاق نحن انظر اليوم. إن القدرة على نمذجة كيفية تطور الكون من هذه الفترة حتى اليوم تقدم أيضًا فرصة لرؤية تأثير المادة المظلمة والطاقة المظلمة مباشرة.
من هذا المنطلق ، سيقيم العلماء نماذج كونية مختلفة ، وأكثرها قبولًا على نطاق واسع هو نموذج Lambda-Cold Dark Matter (LCDM). قال الدكتور بادمانابان:
'يمثل الوصول إلى هذه الحقبة أيضًا قفزة هائلة في محتوى المعلومات الكونية. هذا لأنه يحتوي على ما لا يقل عن 10000-100000 مرة من المعلومات المتوفرة حاليًا من جميع استطلاعات المجرات لدينا حتى الآن ، بالإضافة إلى ما نحصل عليه من إشعاع الخلفية الكونية الميكروية (CMB). إنها في الأساس أكبر مجموعة بيانات يمكن أن نأمل في امتلاكها لاختبار نماذجنا الفيزيائية! يمكننا استكشاف مجموعة من نماذج الفيزياء الرائعة بخلاف نموذجنا القياسي في علم الكونيات '.
تتضمن هذه النماذج التي تتضمن نسخًا غير قياسية من المادة المظلمة (أي 'المادة المظلمة الدافئة') ، وإصدارات معدلة من الجاذبية ، ونظريات التضخم التي لا تتضمن الطاقة المظلمة - الديناميكيات النيوتونية المعدلة (MOND). بشكل أساسي ، سيتمكن العلماء من رؤية الجاذبية والتوسع الكوني منذ اللحظة التي بدأ فيها كل شيء (بضعة تريليون من الثانية بعد الانفجار العظيم). لسنوات ، انتظر المجتمع الفلكي بفارغ الصبر اليوم الذي يكون فيهجيمس ويبستنطلق أخيرًا إلى الفضاء.
انطباع الفنان عن تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST). الائتمان: ناسا
ينبع الكثير من حماستهم من حقيقة أن بصريات الأشعة تحت الحمراء المتقدمة والحساسية العالية في المرصد ستسمح له بمراقبة المجرات الأولى بينما كانت لا تزال في مرحلة التكوين. عادة ، يتم حجب الضوء الصادر من المجرات عن طريق الغبار والغاز بين النجوم وبين المجرات الموجود بينها وبين الأرض. يقول الدكتور بادمانابان إن هذه المجرات ، جنبًا إلى جنب مع الأجهزة الحالية والجيل القادم ، ستكون قابلة للرصد لأول مرة:
'البعثات مثل JWST ستكون قادرة على اكتشاف المجرات الخافتة للغاية التي تشكلت عندما كان الكون فقط عُشر حجمه الحالي. إلى جانب الاستطلاعات الإذاعية مثل [ صفيف كيلومتر مربع ] SKA ، سيوفر لنا هذا صورة شاملة عن المصادر المضيئة الأولى وتطورها عبر الزمن الكوني. يوفر JWST استطلاعات عميقة تشبه 'شعاع قلم الرصاص' والتي يكون مجال رؤيتها الإجمالي من عدة دقائق قوسية مربعة ، لذلك لن تصل إلى المقاييس الكونية ، ولكنها ستعزز بشكل كبير فهمنا للعمليات الفيزيائية التي ساهمت في إعادة التأين. '
'يكتشف ALMA الآن بشكل روتيني المجرات في انبعاث خطها دون المليمترات ، مثل الكربون المتأين الفردي ، [CII] والأكسجين المتأين المزدوج ، [OIII] ، وكلاهما يمثلان مجسات مثيرة جدًا لإعادة التأين. تجربة COMAP-Epoch of Reionization القادمة والتي أنا جزء من خطط للوصول إلى انبعاث خط أول أكسيد الكربون (CO) حول المراحل الوسطى إلى النهائية من إعادة التأين ، وهو تتبع ممتاز لتشكيل النجوم. المقدمة ليست مشكلة خطيرة بالنسبة للخطوط التي تقل عن المليمترات '.
يُعرف هذا باسم نهج المرسال المتعدد ، حيث يتم الجمع بين الإشارات الضوئية من أدوات مختلفة وبأطوال موجية مختلفة. عند تطبيقه على الفجر الكوني ، كما يقول الدكتور بادمانابان ، فإن هذا النهج هو الأداة الواعدة لاكتساب نظرة ثاقبة للكون. على وجه التحديد ، سيكشف اكتشاف موجات الجاذبية من الثقوب السوداء فائقة الكتلة كيف أثرت قوى الطبيعة البدائية على تطور المجرة.
رسم توضيحي يوضح الجدول الزمني للكون. الائتمان: NASA / ESA / A. فيلد (STScI)
وقالت: 'بدمج هذا مع معرفة الطريقة التي يتطور بها الغاز والمجرات التي نكتسبها من خلال المسوحات الكهرومغناطيسية ، سيوفر لنا هذا صورة شاملة للفجر الكوني'. 'سيكون أمرًا حاسمًا في الإجابة على سؤال مهم في علم الكونيات والفيزياء الفلكية: كيف تشكلت الثقوب السوداء الأولى ، وما هي مساهمتها في إعادة التأين؟'
تعد إمكانية شن حملات متعددة الرسائل التي تجمع بين إشارات الأشعة تحت الحمراء عالية الحساسية وإشارات الراديو إحدى الطرق العديدة التي يتقدم بها علم الفلك بسرعة كبيرة. بالإضافة إلى الأدوات الأكثر تعقيدًا ، سيستفيد علماء الفلك أيضًا من الأساليب المحسّنة وتقنيات التعلم الآلي الأكثر تعقيدًا والفرص المتاحة والبحث التعاوني.
أخيرًا وليس آخرًا ، خلقت القدرة على دمج الإشارات من مصفوفات مختلفة (وبأطوال موجية مختلفة من الطاقة الكهرومغناطيسية) بالفعل فرصًا جديدة لحملات التصوير المتطورة. وخير مثال على ذلك هو مشروع Event Horizon Telescope (EHT) ، الذي يعتمد على 10 تلسكوبات راديو في جميع أنحاء العالم لجمع الضوء من SMBHs (مثل منطقتنا القوس أ * ). في عام 2019 ، التقطت EHT الصورة الأولى لـ SMBH ؛ في هذه الحالة ، يقع في الجوهر M87 (برج العذراء مجرة بيضاوية عملاقة).
ستتاح الفرصة لإجراء أبحاث متطورة في المستقبل القريب ، والاكتشافات التي سنحققها لن تكون أقل من كونها ثورية. بينما من المؤكد أن هناك بعض الفواق على طول الطريق والمزيد من الألغاز التي يجب حلها ، هناك شيء واحد مؤكد: مستقبل علم الفلك سيكون وقتًا مثيرًا للغاية!
قراءة متعمقة: arXiv
