الفلك

كيف تشكلت النجوم الأولى؟

كيف تشكلت النجوم الأولى؟

في الفصل ، قرأنا مقالًا من مجلة Scientific American بعنوان "غائم مع فرصة النجوم" يشرح كيف شكلت النوى والغبار من حولها نجومًا (أطلق عليها اسم بيض لتشبيه الدجاجة / البيض ، حيث تكون النوى عبارة عن بيض وأفترض المستعرات هي الدجاج لأن المستعرات تتسبب في بدء انهيار اللب) ، لكننا لا نعرف كيف تشكلت النجوم الأولى بالفعل.

ما هي الفرضيات الرئيسية في هذا المجال ، أم أنني أسيء تفسير المقال؟ إذا كان لديك حساب في Scientific American ، فإليك المقالة التي أشير إليها.


بدأ الكون بانفجار كبير ، والذي زود الكون بكميات هائلة من المادة على شكل كواركات وإلكترونات حرة. بعد أن تمدد الكون قليلاً ، برد بما يكفي لذرات بسيطة مثل الهيدروجين -1 والهيليوم -4. عُرفت هذه المرة باسم "العصور المظلمة" لأن الضوء لم يستطع اختراق المادة بسهولة ، وإلى جانب ذلك ، لم يكن هناك أي نجوم لتكوين الضوء.

ومع ذلك ، فإن المادة التي نشأت في بداية العصور المظلمة لم تكن موزعة بالتساوي. انتهى الأمر بالمناطق التي تحتوي على كمية أكبر قليلاً من المادة بجذب المزيد والمزيد من المادة إلى النجم الأولي ، من خلال الجاذبية. تكثفت المادة في النهاية إلى كثافة حرجة ، حيث يبدأ الاندماج. يبدو أن هذه هي الفرضية الرئيسية حيث بحثت في عدة مصادر ، بما في ذلك تكوين النجوم والمجرات الأولى والنجوم الأولى في الكون - علم الفلك ييل.


إنها مسألة أين ، ولكن أيضًا لفهم أفضل ، يجب أن تعرف متى حدث ذلك. لأن هيكل إيرل كان مختلفًا عن هيكل اليوم.

من ويكي في التسلسل الزمني للكون ،


بواسطة NASA / WMAP Science Team - الإصدار الأصلي: NASA ؛ تم التعديل بواسطة Ryan Kaldari، Public Domain، Link

سوف تتعلم أنه يعتقد أن النجوم الأولى تظهر عندما يكون الكون حوالي 3٪ من عمره الحالي ، أي 400 مليون سنة. هذا هو الوقت الذي استغرقته الذرات الأولى لتبرد بشكل كافٍ وتتجمع معًا في السحب المعنية.

لترى أين حدث التشكل النجمي الأول ، لدينا إمكانية أن ننظر إلى الوراء في الوقت المناسب.

  • يمكننا أن نرى النجم يولد ، ولهذا نحن بحاجة إلى استخدام ترددات الراديو ، لأن الأشعة تحت الحمراء كانت الشيء الوحيد الذي يأتي عبر غيوم الغاز المحيطة ، ومنذ ذلك الوقت تحول اللون الأحمر ...
  • إذا كنا محظوظين جدًا ، يمكننا أن نرى هذه النجوم وهي تنفجر - نظرًا لأنها كبيرة جدًا ، فإنها ستنتهي سريعًا وتنفجر - ولكن نظرًا لغيوم الغاز المحيطة ، يُعتبر ذلك حدثًا نادرًا.
  • هناك محاكاة مبدئية مثل هذه حيث نستخدم قوانين الفيزياء المعروفة حاليًا لحساب تطور المادة منذ أن بعثت الضوء لأول مرة (CMB - الشيء المخضر المزرق في الصورة أعلاه) ؛ الاختلافات الصغيرة جدًا في هذا الضوء البدائي الذي يمكننا رؤيته تسمح للمحاكاة بشرح اختلافات الكثافات وظهور خيوط, طائرات و عناقيد المجموعات (العقد عند تقاطع الطائرات والخيوط). يمكن أن تكون هذه الأشياء فنية ، كما ترون هنا خيوط و بروتوجالاكسى مقلد:

من سكاي وتلسكوب

العناقيد حيث الأماكن الأكثر كثافة في الكون ، و بسبب هذه الكثافة العالية للمادة ، هو المكان الذي تكونت فيه النجوم الأولى.

  • هذه صور يُعتقد فيها أن الخيط يُرى فعليًا ، يخفف بحدث كارثي يستضيفه:

تمتد كتلة Lyman-alpha blob (الزغب الأزرق) المحيطة بالكوازار UM 287 (النقطة البيضاء في المركز) بطول 1.5 مليون سنة ضوئية ، وهي كبيرة جدًا بحيث لا يمكن احتواؤها داخل المجرة المضيفة للكوازار أو هالة المجرة المضيفة. من المحتمل أن يكون الزغب الأزرق جزءًا من خيوط شبكة كونية.

S. كانتالوبو / جامعة كاليفورنيا

أدعوك للحصول على فكرة أفضل عما يمكننا رؤيته لتوزيع النجوم من كوكبنا هنا ، حيث يمكنك التكبير والتصغير وفهم المقاييس.


أصل الهياكل الأولى التي تشكلت في مجرات مثل مجرة ​​درب التبانة المحددة


مثال على مجرة ​​حلزونية قريبة ، M81 ، حيث يمكن التعرف بسهولة على الانتفاخ والقرص. CREDIT NASA / JPL-Caltech / ESA / Harvard-Smithsonian CfA.

استخدم فريق دولي من العلماء بقيادة مركز علم الأحياء الفلكية (CAB ، CSIC-INTA) ، بمشاركة من Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ، جران Telescopio Canarias (GTC) لدراسة عينة تمثيلية من المجرات ، وكلاهما قرصي وكروي ، في منطقة السماء العميقة في كوكبة الدب العظيم لتوصيف خصائص التجمعات النجمية للانتفاخات المجرية.

تمكن الباحثون من تحديد طريقة تكوين وتطوير هذه الهياكل المجرية. تم نشر نتائج هذه الدراسة مؤخرًا في مجلة الفيزياء الفلكية.

ركز الباحثون دراستهم على القرص الهائل والمجرات الكروية ، باستخدام بيانات التصوير من تلسكوب هابل الفضائي وبيانات التحليل الطيفي من مشروع SHARDS (مسح للمصادر الحمراء والميتة ذات الامتصاص العالي z) ، وهو برنامج ملاحظات على GOODS-N الكامل. منطقة (Great Observations Origins Deep Survey - North) من خلال 25 مرشحًا مختلفًا مأخوذة بأداة OSIRIS على Gran Telescopio Canarias (GTC) ، أكبر تلسكوب بصري وأشعة تحت الحمراء في العالم ، في مرصد Roque de los Muchachos (Garafía ، La Palma ، جزر الكناري).

سمح تحليل البيانات للباحثين باكتشاف شيء غير متوقع: تشكلت انتفاخات المجرات القرصية على موجتين. تشكل ثلث الانتفاخات في المجرات القرصية عند الانزياح الأحمر 6.2 ، وهو ما يتوافق مع حقبة مبكرة في الكون ، عندما كان 5٪ فقط من عمره الحالي ، أي حوالي 900 مليون سنة. "هذه الانتفاخات هي بقايا الهياكل الأولى التي تشكلت في الكون ، والتي وجدناها مخبأة في مجرات القرص المحلي" ، يوضح لوكا كوستانتين ، الباحث في CAB ضمن برنامج جذب المواهب في مجتمع مدريد ، والأول المؤلف على الورق.

ولكن على النقيض من ذلك ، فإن ما يقرب من ثلثي الانتفاخات التي تمت ملاحظتها تُظهر قيمة متوسطة للانزياح الأحمر تبلغ حوالي 1.3 ، مما يعني أنها تشكلت مؤخرًا ، أي ما يعادل أربعة آلاف مليون سنة ، أو ما يقرب من 35 ٪ من عمر كون.

السمة المميزة التي تسمح بالتمييز بين الموجتين هي أن الانتفاخات المركزية للموجة الأولى ، الانتفاخات القديمة ، تكون أكثر إحكاما وكثافة من تلك التي تشكلت في الموجة الثانية الأكثر حداثة. بالإضافة إلى ذلك ، تُظهر البيانات المأخوذة من المجرات الكروية في العينة متوسط ​​انزياح أحمر بقيمة 1.1 ، مما يشير إلى أنها تشكلت في نفس الوقت العام لانتفاخات الموجة الثانية.

بالنسبة إلى Jairo Méndez Abreu ، الباحث في جامعة غرناطة (UGR) والمؤلف المشارك للمقال ، والذي كان سابقًا باحث ما بعد الدكتوراه Severo Ochoa في IAC ، "الفكرة وراء التقنية المستخدمة لمراقبة النجوم في الوسط الانتفاخ بسيط إلى حد ما ، لكن لم يكن من الممكن تطبيقه حتى التطوير الأخير للطرق التي سمحت لنا بفصل الضوء عن النجوم في الانتفاخ المركزي عن تلك الموجودة في القرص ، لتكون محددة خوارزميات GASP2D و C2D ، التي قمنا بتطويرها مؤخرًا والتي مكنتنا من تحقيق دقة غير مسبوقة ".

نتيجة مهمة أخرى للدراسة هي أن موجتي تشكل الانتفاخ تختلف ليس فقط من حيث أعمار نجومهم ، ولكن أيضًا من حيث معدلات تكوين النجوم. تشير البيانات إلى أن النجوم في انتفاخات الموجة الأولى تشكلت بسرعة ، على مقاييس زمنية تبلغ عادة 200 مليون سنة. على العكس من ذلك ، فإن جزءًا كبيرًا من النجوم في انتفاخات الموجة الثانية يتطلب تكوينًا أطول بخمس مرات ، أي حوالي ألف مليون سنة.

"لقد وجدنا أن للكون طريقتان لتشكيل المناطق المركزية من المجرات مثل منطقتنا: البدء مبكرًا والأداء بسرعة كبيرة ، أو أخذ وقت للبدء ، ولكن أخيرًا تكوين عدد كبير من النجوم فيما نعرفه باسم الانتفاخ" ، تعليقات Pablo G. Pérez González ، باحث في CAB ، والباحث الرئيسي في مشروع SHARDS ، الذي أعطى البيانات الأساسية لهذه الدراسة. على حد تعبير أنطونيو كابريرا ، رئيس العمليات العلمية في GTC ، "SHARDS هو مثال ممتاز لما هو ممكن بسبب الجمع بين قدرة التجميع الضخمة لـ GTC والظروف الاستثنائية في مرصد Roque de los Muchachos ، لإنتاج 180 ساعة من البيانات بجودة صورة ممتازة ، وهي ضرورية لاكتشاف الأشياء التي تم تحليلها هنا ".

كما وصفتها باولا ديماورو ، الباحثة في المرصد الوطني للبرازيل والمؤلفة المشاركة لهذه المقالة ، "لقد سمحت لنا هذه الدراسة باستكشاف التطور المورفولوجي وتاريخ تجميع المكونات الهيكلية للمجرات ، على غرار الدراسات الأثرية ، وتحليل المعلومات المشفرة في ملايين النجوم في كل مجرة. وكانت النقطة المثيرة للاهتمام هي العثور على أنه لم يتم تشكيل جميع الهياكل في نفس الوقت ، أو بنفس الطريقة ".

سمحت نتائج هذه الدراسة للمراقبين بإقامة علاقة غريبة بين التكوين والتطور عبر الزمن لدراسات مجرات القرص وخلق مدينة كبيرة وتطورها على مر القرون. مثلما نجد أن بعض المدن الكبيرة بها مراكز تاريخية ، وهي أقدم وتضم أقدم المباني في شوارع ضيقة مزدحمة ، تشير نتائج هذا العمل إلى أن بعض مراكز المجرات القرصية الضخمة تؤوي بعضًا من أقدم الأجسام الشبه الكروية التي تشكلت في الكون ، التي استمرت في الحصول على المواد ، وتشكيل الأقراص بشكل أبطأ ، ضواحي المدينة الجديدة في تشبيهنا.

تشكل Gran Telescopio Canarias ومراصد Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) جزءًا من شبكة البنى التحتية العلمية والتقنية الفردية (ICTS) في إسبانيا.


تشكلت النجوم الأولى بسرعة كبيرة

منذ أن أدرك علماء الفلك أن الكون في حالة توسع مستمر وأن انفجارًا هائلاً من المحتمل أن يكون قد بدأ كل شيء قبل 13.8 مليار سنة (الانفجار العظيم) ، كانت هناك أسئلة لم يتم حلها حول متى وكيف تشكلت النجوم الأولى. استنادًا إلى البيانات التي تم جمعها بواسطة NASA & # 8217s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ومهام مماثلة ، يُعتقد أن هذا حدث بعد حوالي 100 مليون سنة من الانفجار العظيم.

ظلت الكثير من تفاصيل كيفية عمل هذه العملية المعقدة لغزا. ومع ذلك ، تشير الأدلة الجديدة التي جمعها فريق بقيادة باحثين من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك إلى أن النجوم الأولى يجب أن تكون قد تشكلت بسرعة كبيرة. باستخدام بيانات من تلسكوبات ماجلان في مرصد لاس كامباناس ، لاحظ الفريق سحابة من الغاز حيث كان تكوين النجوم يحدث بعد 850 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم.

الدراسة التي وصفت النتائج التي توصلوا إليها والتي ظهرت مؤخرًا في مجلة الفيزياء الفلكية، بقيادة إدواردو بانيادوس. لاحظ بانادوس وزملاؤه ، وهو عضو في معهد كارنيجي للعلوم في ذلك الوقت ، سحابة الغاز أثناء إجراء ملاحظات متابعة على مسح لـ 15 من أبعد الكوازارات المعروفة.

تم إعداد هذا المسح بواسطة كيارا مازوتشيلي ، عالمة الفلك في المرصد الأوروبي الجنوبي (ESO) ومؤلفة مشاركة في الدراسة ، كجزء من الدكتوراه الخاصة بها. البحث في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك. أثناء فحص أطياف أحد الكوازارات على وجه الخصوص (P183 + 05) ، لاحظوا أن له بعض السمات الغريبة إلى حد ما.

باستخدام تلسكوبات ماجلان 6.5 متر في معهد كارنيجي & # 8217s في مرصد لاس كامباناس في تشيلي ، أدرك بانادوس وزملاؤه الميزات الطيفية لما كانت عليه: سحابة غاز قريبة كانت مضاءة بالكوازار. أخبرهم الأطياف أيضًا مدى بعد سحابة الغاز عن الأرض & # 8211 على بعد أكثر من 13 مليار سنة ضوئية & # 8211 مما يجعلها واحدة من أبعد ما يمكن ملاحظته وتحديده من قبل علماء الفلك.

بالإضافة إلى ذلك ، وجدوا أطيافًا تشير إلى وجود كميات ضئيلة من العناصر مثل الكربون والأكسجين والحديد والمغنيسيوم & # 8211 المصنفة كيميائيًا باسم & # 8220metals & # 8221 لأنها أثقل من الهيليوم. نشأت هذه العناصر خلال بدايات الكون حيث أطلقت الأجيال الأولى من النجوم (ويعرف أيضًا باسم "المجموعة الثالثة") هذه العناصر في الكون بعد أن وصلت إلى نهاية عمرها الافتراضي وانفجرت على شكل مستعرات أعظم.

تلسكوبات ماجلان في مرصد لاس كامباناس في تشيلي. الائتمان: معهد كارنيجي للعلوم

كما قال مايكل راوخ ، عالم الفلك من معهد كارنيجي للعلوم والمؤلف المشارك للدراسة الجديدة:

& # 8220 بعد اقتناعنا بأننا [] كنا نبحث في مثل هذا الغاز البكر بعد 850 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم بدأنا نتساءل عما إذا كان هذا النظام لا يزال بإمكانه الاحتفاظ بالتوقيعات الكيميائية التي أنتجها الجيل الأول من النجوم. & # 8221

لطالما كان العثور على الجيل الأول من النجوم هدف علماء الفلك لأنه سيسمح بفهم أكثر شمولاً لتاريخ الكون. مع مرور الوقت ، لعبت العناصر الأثقل من الهيدروجين دورًا رئيسيًا في تكوين النجوم ، حيث تتجمع المادة معًا بسبب التجاذب المتبادل ثم تتعرض لانهيار الجاذبية.

نظرًا للاعتقاد بوجود الهيدروجين والهيليوم فقط في الكون بعد الانفجار العظيم ، لم يكن لدى الجيل الأول من النجوم هذه العناصر الكيميائية & # 8211 مما يجعلها متميزة عن كل جيل تلاه. لذلك كان من المدهش أن نلاحظ الوفرة النسبية لهذه العناصر في مثل هذه السحابة الغازية المبكرة ، والتي كانت في الواقع قابلة للمقارنة مع ما يراه علماء الفلك اليوم في السحب الغازية بين المجرات.

وفقًا للأدلة الجديدة ، ربما تكون النجوم قد تشكلت قبل مليار سنة مما كنا نظن. الائتمان: ناسا / سيرج برونير

تشكل هذه الملاحظات تحديًا كبيرًا للنظريات التقليدية حول كيفية تشكل النجوم الأولى في كوننا. بشكل أساسي ، يشير إلى أن تكوين النجوم يجب أن يكون قد بدأ قبل ذلك بكثير لإنتاج هذه العناصر الكيميائية. بناءً على الدراسات التي شملت المستعرات الأعظمية من النوع Ia ، تشير التقديرات إلى أن الانفجارات اللازمة لإنتاج هذه المعادن بالوفرة المرصودة ستستغرق حوالي مليار سنة.

باختصار ، ربما يكون العلماء قد غادروا لمدة جيل تقريبًا عندما يتعلق الأمر بوقت ميلاد النجوم الأولى ، مما يعني أنه ربما كان هناك بعض ما حولها خلال الدهور الأولى من الكون. هذا يعني بشكل فعال أن النجوم الأولى كان عليها أن تتشكل بسرعة كبيرة من الحساء البدائي للهيدروجين والهيليوم الذي كان الكون المبكر. يمكن أن يكون لهذا الاكتشاف آثار خطيرة على النظريات المتعلقة بالتطور الكوني.

كما قال بانيادوس ، الهدف الآن هو تأكيد ذلك من خلال إيجاد سحب غاز إضافية ذات وفرة كيميائية مماثلة:

"من المثير أن نتمكن من قياس المعادن والوفرة الكيميائية في وقت مبكر جدًا من تاريخ الكون ، ولكن إذا أردنا تحديد بصمات النجوم الأولى ، فإننا نحتاج إلى استكشافها حتى في وقت مبكر من التاريخ الكوني. أنا متفائل بأننا سنجد المزيد من السحب الغازية البعيدة ، والتي يمكن أن تساعدنا في فهم كيف ولدت النجوم الأولى ".

تخبرنا النسبية أن المكان والزمان تعبيران عن نفس الحقيقة. Ergo ، من خلال النظر بعيدًا في الكون ، فإننا أيضًا ننظر إلى الوراء بعيدًا في الوقت المناسب. وبذلك ، تمكن علماء الفلك من تعديل نماذجهم وأفكارهم الكونية حول كيف ومتى بدأ كل شيء. مع العلم أن النجوم الأولى في الكون يمكن أن تعود أصولها إلى وقت سابق بشكل جيد ، وهذا هو جزء من منحنى التعلم!


يعمل علماء الفلك على معرفة وقت تألق النجوم الأولى

يقولون أن هذه الفترة ، المعروفة باسم & # 8220c الفجر الكوني ، & # 8221 حدثت بين 250 إلى 350 مليون سنة بعد الانفجار العظيم.

تشير النتائج إلى أن المجرات الأولى ستكون ساطعة بما يكفي لرؤيتها بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا ، والذي من المقرر إطلاقه في وقت لاحق من هذا العام.

نُشرت الدراسة في الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.

كان اكتشاف بداية الفجر الكوني هو عمل حياة البروفيسور ريتشارد إليس ، من جامعة كوليدج لندن ، المملكة المتحدة.

قال لبي بي سي نيوز: & # 8220 الكأس المقدسة هي النظر إلى الوراء بعيدًا بما يكفي بحيث يمكنك رؤية الجيل الأول من النجوم والمجرات. والآن لدينا أول دليل مقنع على وقت غمر الكون لأول مرة في ضوء النجوم. & # 8221

حلل الفريق ستة من أبعد المجرات. لقد كانوا بعيدين للغاية لدرجة أنه حتى مع أقوى التلسكوبات في العالم و # 8217 ، ظهروا على شكل عدد قليل من البكسل على شاشة الكمبيوتر.

وهي أيضًا من بين الأوائل التي ظهرت في الكون ، وبحلول الوقت الذي يتم فيه التقاط صورهم بواسطة التلسكوبات على الأرض ، تُرى بعد فترة ليست طويلة من الانفجار العظيم.

من خلال حساب أعمارهم ، قام الفريق بحساب بداية الفجر الكوني & # 8211 عندما تكون النجوم الأولى. قاد التحليل الدكتور نيكولاس لابورت ، من معهد كافلي لعلم الفلك في كامبريدج.

& # 8220 هذا أحد أكبر الأسئلة في علم الكونيات الحديث. هذه هي المرة الأولى التي تمكنا فيها من التنبؤ من الملاحظات عندما حدثت هذه اللحظة الحاسمة في تاريخ الكون. & # 8221

قال الدكتور لابورت أن الحصول على النتيجة كان بمثابة حلم أصبح حقيقة.

& # 8220 إنه لأمر رائع أن نعتقد أن جسيمات الضوء كانت تنتقل عبر الفضاء لأكثر من 13 مليار سنة ثم دخلت إلى التلسكوب. إن الشيء الرائع في كونك عالم فيزياء فلكية هو القدرة على السفر عبر الزمن ومشاهدة الماضي البعيد ، & # 8221 شرح.

نشأ الكون قبل 13.8 مليار سنة في الانفجار العظيم. بعد وميض أولي ، مرت فترة تعرف باسم العصور المظلمة الكونية. وفقًا للدراسة الجديدة ، بعد 250 إلى 350 مليون سنة من الانفجار العظيم ، ظهرت النجوم الأولى وجلبت الضوء إلى الكون.

بشكل حاسم ، يشير التحليل الجديد أيضًا إلى أن المجرات الأولى ساطعة بدرجة كافية وضمن النطاق حيث يمكن رؤيتها بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي & # 8211 الذي خلف تلسكوب هابل الفضائي الموقر. قد يتمكن علماء الفلك بعد ذلك من مشاهدة هذه اللحظة الحاسمة في تطور الكون مباشرة.

Image caption كان التلسكوب الكبير جدا في تشيلي واحدا من ستة تلسكوبات استخدمت لتحديد متى بدأت النجوم الأولى في التألق

قالت عالمة الفلك الملكية في اسكتلندا ، البروفيسور كاثرين هايمانز ، إنها كانت & # 8220 شديدة الإثارة & # 8221 من هذا الاحتمال.

قالت لبي بي سي نيوز: & # 8220Isn & # 8217t ، إنه أمر رائع للغاية أنه ، كإنسانية ، حضارة صغيرة على panet Earth ، يمكننا إنشاء تلسكوب يمكننا إرساله إلى الفضاء ويمكننا العودة إلى الكون كما كان. بضع مئات من ملايين السنين بعد الانفجار العظيم! & # 8221

كان العديد من النجوم الأولى مختلفًا تمامًا عن شمسنا. كانت كتلتها أكبر ولم تحرق سوى الهيدروجين. لكن هذه الأجسام خلقت الجيل التالي من النجوم التي أدت إلى تكوين عناصر أثقل في الجدول الدوري.

كل شيء باستثناء الهيدروجين والهيليوم والليثيوم ، يتم إنشاؤه داخل النجوم عندما تنفجر في نهاية حياتها.

لذلك ، فقد صنعنا في النهاية من النجوم التي ولدت بالقرب من فجر الكون.

& # 8220 لأننا أنفسنا نتاج التطور النجمي ، فإننا ننظر إلى الوراء إلى أصلنا ، & # 8221 قال البروفيسور إليس.

قام الباحثون بتحليل ضوء النجوم من المجرات باستخدام كل من هابل وتلسكوب سبيتزر الفضائي. لقد قدروا عمر المجرات من خلال فحص نسبة ذرات الهيدروجين في الغلاف الجوي لنجومهم. كلما كبرت النجوم ، زادت نسبة ذرات الهيدروجين.

حقوق نشر الصورة نيكولاس لابورت

Image caption منظر قريب من بداية الكون. هذه واحدة من المجرات التي درسها الباحثون. شوهد بعد 500 مليون سنة فقط أو نحو ذلك بعد الانفجار العظيم. إنه بعيد جدًا لدرجة أنه حتى من خلال أقوى التلسكوبات في العالم ، يبدو منقسمًا

ثم قام الفريق بحساب مدى بعد المجرات. نظرًا لأن الضوء المنبعث من هذه المجرات يستغرق وقتًا للوصول إلينا ، فكلما ابتعدنا ، كلما كان علماء الفلك يراقبونها.

نظرًا لأن المجرات الست التي درسها الفريق تقع في حدود الأجسام التي يمكن ملاحظتها بواسطة التلسكوبات ، فهي أيضًا من بين أقدم المجرات المعروفة.

احتاج الفريق إلى 70 ساعة من وقت المراقبة ، باستخدام أربعة من أكبر التلسكوبات الأرضية لتقدير مسافاتهم. كانت هذه مجموعة Atacama Large Millimeter Array (Alma) ، والتلسكوب الكبير جدًا (VLT) و Gemini South Telescope & # 8211 جميعها موجودة في تشيلي & # 8211 بالإضافة إلى تلسكوبات Keck المزدوجة في هاواي.

مكنت هذه القياسات الفريق من تأكيد أنهم كانوا يرصدون هذه المجرات عندما كان عمر الكون 550 مليون سنة. إن معرفة عمر المجرات ووقت وجودها مكن الفريق من حساب وقت ميلاد النجوم الأولى.

تم إجراء تقديرات مماثلة باستخدام مجرات واحدة فقط ، ولكن هذا هو أول تقدير ذي مغزى يعتمد على مجموعة تمثيلية منها.


تشكيل النجم المبكر في الكون مضاء

قدمت دراسة رائدة نظرة ثاقبة جديدة حول الطريقة التي تشكلت بها النجوم الأولى في بداية الكون ، منذ حوالي 13 مليار سنة.

اقترح علماء الكونيات من جامعة دورهام ، الذين نشروا نتائجهم في مجلة Science ، أن تكوين النجوم الأولى يعتمد بشكل حاسم على طبيعة "المادة المظلمة" ، وهي المادة الغريبة التي تشكل معظم الكتلة في الكون.

يأخذ هذا الاكتشاف العلماء خطوة إلى الأمام لتحديد طبيعة المادة المظلمة ، والتي لا تزال لغزا منذ اكتشافها لأول مرة منذ أكثر من 70 عامًا. كما يشير أيضًا إلى أنه لا يزال من الممكن العثور على بعض النجوم الأولى التي تشكلت على الإطلاق في مجرة ​​درب التبانة اليوم.

يتضمن التكوين المبكر للبنية في الكون التفاعل بين الجسيمات المراوغة المعروفة باسم "المادة المظلمة". على الرغم من أنه لا يُعرف الكثير عن طبيعتها ، فإن الأدلة على وجود المادة المظلمة ساحقة ، من ملاحظات المجرات ، إلى عناقيد المجرات ، إلى الكون ككل.

بعد الانفجار العظيم ، كان الكون في الغالب "سلسًا" ، مع تموجات صغيرة فقط في كثافة المادة. نمت هذه التموجات بشكل أكبر بسبب قوى الجاذبية المؤثرة على جسيمات المادة المظلمة الموجودة فيها. في النهاية ، تم سحب الغاز إلى الهياكل المتكونة ، مما أدى إلى تكوين النجوم الأولى ، بعد حوالي 100 مليون سنة من الانفجار العظيم.

من أجل أبحاثهم ، أجرى فريق من معهد علم الكونيات الحسابي بجامعة دورهام عمليات محاكاة حاسوبية متطورة لتشكيل هذه النجوم المبكرة بنماذج علمية مقبولة لما يسمى بالمادة المظلمة "الباردة" و "الدافئة".

وجد النموذج الحاسوبي أنه بالنسبة لجزيئات "المادة المظلمة الباردة" بطيئة الحركة ، تشكلت النجوم الأولى بشكل منعزل ، مع تشكل نجم كتلة واحدة أكبر لكل تركيز متطور للمادة المظلمة الكروية.

في المقابل ، بالنسبة لـ "المادة المظلمة الدافئة" سريعة الحركة ، تشكل عدد كبير من النجوم ذات الأحجام المختلفة في نفس الوقت في انفجار كبير من تشكل النجوم. حدثت الانفجارات في خيوط طويلة ورفيعة.

قال أحد الباحثين ، الدكتور ليانج جاو ، الذي يتلقى تمويلًا من مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا في المملكة المتحدة: "كانت هذه الخيوط يبلغ طولها حوالي 9000 سنة ضوئية ، أي ما يقرب من ربع حجم مجرة ​​درب التبانة اليوم. كان انفجار النجم شديد السطوع يضيء الكون المظلم بطريقة مذهلة ".

النجوم المتكونة في المادة المظلمة الباردة تكون ضخمة. كلما كان النجم أكبر ، كلما كان عمره أقصر ، لذلك لم تكن هذه النجوم ذات الكتلة الأكبر على قيد الحياة حتى اليوم. ومع ذلك ، فإن نموذج المادة المظلمة الدافئة يتنبأ بتكوين النجوم ذات الكتلة المنخفضة بالإضافة إلى النجوم الأكبر ، ويقول العلماء إن النجوم ذات الكتلة المنخفضة ستبقى على قيد الحياة حتى اليوم.

يمهد البحث الطريق للدراسات القائمة على الملاحظة التي يمكن أن تقرب العلماء من اكتشاف المزيد عن طبيعة المادة المظلمة. قال الباحث المشارك الدكتور توم ثيون: "السؤال الرئيسي الذي يطرحه علماء الفلك غالبًا هو" أين هم أحفاد النجوم الأولى اليوم "والإجابة هي أنه إذا كانت المادة المظلمة دافئة ، فيجب أن تكون بعض هذه النجوم البدائية الكامنة حول مجرتنا ".

يقدم علماء جامعة دورهام أيضًا رؤى جديدة حول الطريقة التي يمكن أن تتشكل بها الثقوب السوداء. تحتوي معظم المجرات في مراكزها على ثقوب سوداء ضخمة ، بعضها يزيد كتلته عن مليار ضعف كتلة الشمس.

يفترض الفريق أن الاصطدامات بين النجوم في الخيوط الكثيفة في سيناريو المادة المظلمة الدافئة تؤدي إلى تكوين البذور لمثل هذه الثقوب السوداء.

وأضاف الدكتور ثيونز: "تثير نتائجنا احتمالية مثيرة للتعرف على طبيعة المادة المظلمة من خلال دراسة أقدم النجوم. ويمكن أن تكون علامة الحكاية الأخرى هي الثقوب السوداء العملاقة التي تعيش في مراكز المجرات مثل درب التبانة. تشكلت أثناء انهيار الخيوط الأولى في كون تهيمن عليه المادة المظلمة الدافئة ".

مصدر القصة:

المواد المقدمة من جامعة دورهام. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.


كشف تاريخ المجرات لأول مرة

أبيل 2667 عبارة عن مجموعة مجرات غنية تبعد حوالي 3000 مليون سنة ضوئية في كوكبة النحات. الكتلة المجمعة لجميع المجرات الأعضاء كبيرة جدًا لدرجة أن العنقود يعمل كعدسة جاذبية. يُظهر Abell 2667 شكل مجرة ​​واسع النطاق في هذه الصورة من Hubble Space Telecope. ائتمان الصورة: NASA و ESA و J. Kneib (Laboratorie d & # 8217Astrophysique de Marseille). أظهر فريق من العلماء الدوليين ، بقيادة علماء الفلك من جامعة كارديف وكلية الفيزياء وعلم الفلك # 8217s ، لأول مرة أن المجرات يمكن أن تغير هيكلها على مدار حياتها.

من خلال مراقبة السماء كما هي اليوم ، والنظر بالزمن إلى الوراء باستخدام تلسكوبات هابل وهيرشل ، أظهر الفريق أن نسبة كبيرة من المجرات خضعت لـ "تحول" كبير منذ تشكلت في البداية بعد الانفجار العظيم.

من خلال تقديم أول دليل مباشر على مدى هذا التحول ، يأمل الفريق في تسليط الضوء على العمليات التي تسببت في هذه التغييرات الدراماتيكية ، وبالتالي اكتساب فهم أكبر لمظهر وخصائص الكون كما نعرفه اليوم.

في دراستهم ، التي نُشرت في الإخطارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية ، لاحظ الباحثون حوالي 10000 مجرة ​​موجودة حاليًا في الكون باستخدام مسح للسماء تم إنشاؤه بواسطة مشروعي Herschel ATLAS و GAMA.

ثم صنف الباحثون المجرات إلى نوعين رئيسيين: مجرات مسطحة ، دوارة ، على شكل قرص (تشبه إلى حد كبير مجرتنا ، مجرة ​​درب التبانة) والمجرات الكروية الكبيرة مع سرب من النجوم المضطربة.

باستخدام تلسكوبات هابل وهيرشل ، نظر الباحثون إلى الكون بعيدًا ، وبالتالي إلى الوراء في الوقت المناسب ، لملاحظة المجرات التي تشكلت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم.

أظهر الباحثون أن 83 في المائة من جميع النجوم التي تشكلت منذ الانفجار العظيم كانت موجودة في البداية في مجرة ​​على شكل قرص. ومع ذلك ، فإن 49 في المائة فقط من النجوم الموجودة في الكون اليوم تقع في هذه المجرات على شكل قرص و [مدش] والباقي موجود في مجرات كروية الشكل.

تشير النتائج إلى تحول هائل حيث أصبحت المجرات ذات الشكل القرصي مجرات كروية الشكل.

هناك نظرية شائعة مفادها أن هذا التحول نتج عن العديد من الكوارث الكونية ، حيث تم إجبار مجرتين يهيمن عليهما القرص ، بالقرب من بعضهما البعض ، عن طريق الجاذبية على الاندماج في مجرة ​​واحدة ، حيث أدى الاندماج إلى تدمير الأقراص وإنتاج مجرة ​​ضخمة. تتراكم النجوم. نظرية معارضة هي أن التحول كان عملية أكثر لطفًا ، حيث تشكلت النجوم في قرص وتتحرك تدريجياً إلى مركز القرص وتنتج تراكمًا مركزيًا للنجوم.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة البروفيسور ستيف إيلز ، من كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة كارديف: "ادعى العديد من الناس من قبل أن هذا التحول قد حدث ، ولكن من خلال الجمع بين Herschel و Hubble ، تمكنا لأول مرة من القياس بدقة مدى هذا التحول.

"المجرات هي اللبنات الأساسية للكون ، لذا فإن هذا التحول يمثل بالفعل أحد أهم التغييرات في مظهره وخصائصه في آخر 8 مليارات سنة."


يعمل علماء الفلك على معرفة وقت تألق النجوم الأولى

يقولون أن هذه الفترة ، المعروفة باسم & # 8220c الفجر الكوني ، & # 8221 حدثت بين 250 إلى 350 مليون سنة بعد الانفجار العظيم.

تشير النتائج إلى أن المجرات الأولى ستكون ساطعة بما يكفي لرؤيتها بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا ، والذي من المقرر إطلاقه في وقت لاحق من هذا العام.

نُشرت الدراسة في الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.

كان اكتشاف بداية الفجر الكوني هو عمل حياة البروفيسور ريتشارد إليس ، من جامعة كوليدج لندن ، المملكة المتحدة.

قال لبي بي سي نيوز: & # 8220 الكأس المقدسة هي النظر إلى الوراء بعيدًا بما يكفي بحيث يمكنك رؤية الجيل الأول من النجوم والمجرات. والآن لدينا أول دليل مقنع على وقت غمر الكون لأول مرة في ضوء النجوم. & # 8221

حلل الفريق ستة من أبعد المجرات. لقد كانوا بعيدين للغاية لدرجة أنه حتى مع أقوى التلسكوبات في العالم و # 8217 ، ظهروا على شكل عدد قليل من البكسل على شاشة الكمبيوتر. وهي أيضًا من بين الأوائل التي ظهرت في الكون ، وبحلول الوقت الذي يتم فيه التقاط صورهم بواسطة التلسكوبات على الأرض ، تُرى بعد فترة ليست طويلة من الانفجار العظيم.

من خلال حساب أعمارهم ، قام الفريق بحساب بداية الفجر الكوني & # 8211 عندما تكون النجوم الأولى. قاد التحليل الدكتور نيكولاس لابورت ، من معهد كافلي لعلم الفلك في كامبريدج.

& # 8220 هذا أحد أكبر الأسئلة في علم الكونيات الحديث. هذه هي المرة الأولى التي تمكنا فيها من التنبؤ من الملاحظات عندما حدثت هذه اللحظة الحاسمة في تاريخ الكون. & # 8221

قال الدكتور لابورت إن الحصول على النتيجة كان بمثابة حلم أصبح حقيقة.

& # 8220 إنه لأمر رائع أن نعتقد أن جسيمات الضوء كانت تنتقل عبر الفضاء لأكثر من 13 مليار سنة ثم دخلت إلى التلسكوب. إن الشيء الرائع في كونك عالم فيزياء فلكية هو القدرة على السفر عبر الزمن ومشاهدة الماضي البعيد ، & # 8221 شرح.

Image caption كان التلسكوب الكبير جدا في تشيلي واحدا من ستة تلسكوبات استخدمت لتحديد متى بدأت النجوم الأولى في التألق

نشأ الكون قبل 13.8 مليار سنة في الانفجار العظيم. بعد وميض أولي ، مرت فترة تعرف باسم العصور المظلمة الكونية. وفقًا للدراسة الجديدة ، بعد 250 إلى 350 مليون سنة من الانفجار العظيم ، ظهرت النجوم الأولى وجلبت الضوء إلى الكون.

بشكل حاسم ، يشير التحليل الجديد أيضًا إلى أن المجرات الأولى ساطعة بدرجة كافية وضمن النطاق حيث يمكن رؤيتها بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي & # 8211 الذي خلف تلسكوب هابل الفضائي الموقر. قد يتمكن علماء الفلك بعد ذلك من مشاهدة هذه اللحظة الحاسمة في تطور الكون مباشرة.

قالت عالمة الفلك الملكية في اسكتلندا ، الأستاذة كاثرين هايمانز ، إنها كانت & # 8220 متحمسة للغاية & # 8221 من هذا الاحتمال.

قالت لبي بي سي نيوز: & # 8220Isn & # 8217t ، إنه أمر رائع للغاية أنه ، كإنسانية ، حضارة صغيرة على panet Earth ، يمكننا إنشاء تلسكوب يمكننا إرساله إلى الفضاء ويمكننا العودة إلى الكون كما كان. بضع مئات من ملايين السنين بعد الانفجار العظيم! & # 8221

حقوق نشر الصورة نيكولاس لابورت

image caption A view from close to the beginning of the Universe. This is one of the galaxies the researchers studied. It is seen just 500 million years or so after the Big Bang. It is so distant that, even seen through the world’s most powerful telescopes, it appears pixelated

Many of the first stars were quite different to our own Sun. They were more massive and burned only hydrogen. But these objects created the next generation of stars that led to the formation of heavier periodic table elements.

Everything except for hydrogen, helium and lithium, is created inside stars when they explode at the end of their lives.

We are, therefore, ultimately made from the stars that were born close to the dawn of the cosmos.

“Because we are ourselves the produce of stellar evolution, we are looking back at our own origin,” said Prof Ellis.

The researchers analysed starlight from the galaxies using both Hubble and the Spitzer Space Telescope. They estimated the age of the galaxies by examining the proportion of hydrogen atoms in the atmosphere of their stars. The older the stars, the greater the proportion of hydrogen atoms.

The team then calculated how far away the galaxies were. Because light from these galaxies takes time to reach us, the further away they are, the further back in time astronomers are observing them.

Because the six galaxies the team studied are at the limits of objects that can be observed by telescopes, they are also among the earliest known.

The team needed 70 hours of observing time, using four of the largest ground-based telescopes to estimate their distances. These were the Atacama Large Millimetre Array (Alma), the Very Large Telescope (VLT) and the Gemini South Telescope – all located in Chile – as well as the twin Keck telescopes in Hawaii.

These measurements enabled the team to confirm that they were observing these galaxies when the Universe was 550 million years old. Knowing the age of the galaxies and when they existed enabled the team to calculate when the first stars were born.

Similar estimates have been made using just single galaxies, but this is the first meaningful estimate based on a representative group of them.


IN DEPTH

Key Questions

  • When and how did reionization occur?
  • What sources caused reionization?
  • What are the first galaxies?
  • See also our Q&A with John Mather about the Big Bang.

Webb's Role in Answering These Questions

To find the first galaxies, Webb will make ultra-deep near-infrared surveys of the Universe, and follow up with low-resolution spectroscopy and mid-infrared photometry (the measurement of the intensity of an astronomical object's electromagnetic radiation). To study reionization, high resolution near-infrared spectroscopy will be needed.

The Era of Recombination

Until around a few hundred million years or so after the Big Bang, the universe was a very dark place. There were no stars, and there were no galaxies.

After the Big Bang, the universe was like a hot soup of particles (i.e. protons, neutrons, and electrons). When the universe started cooling, the protons and neutrons began combining into ionized atoms of hydrogen and deuterium. Deuterium further fused into helium-4. These ionized atoms of hydrogen and helium attracted electrons turning them into neutral atoms. Ultimately the composition of the universe at this point was 3 times more hydrogen than helium with just trace amounts of other light elements.

This process of particles pairing up is called "Recombination" and it occurred approximately 240,000 to 300,000 years after the Big Bang. The Universe went from being opaque to transparent at this point. Light had formerly been stopped from traveling freely because it would frequently scatter off the free electrons. Now that the free electrons were bound to protons, light was no longer being impeded. "The era of recombination" is the earliest point in our cosmic history to which we can look back with any form of light. This is what we see as the Cosmic Microwave Background today with satellites like the Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) and the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Following this are the cosmic dark ages - a period of time after the Universe became transparent but before the first stars formed. When the first stars formed, it ended the dark ages, and started the next epoch in our universe.

Illustration of the Timeline of the Universe. Credit: WMAP

The Epoch of Reionization

Another change occurred after the first stars started to form. Theory predicts that the first stars were 30 to 300 times as massive as our Sun and millions of times as bright, burning for only a few million years before exploding as supernovae. The energetic ultraviolet light from these first stars was capable of splitting hydrogen atoms back into electrons and protons (or ionizing them). This era, from the end of the dark ages to when the universe was around a billion years old, is known as "the epoch of reionization." It refers to the point when most of the neutral hydrogen was reionized by the increasing radiation from the first massive stars. Reionization is an important phenomenon in our universe's history as it presents one of the few means by which we can (indirectly) study these earliest stars. But scientists do not know exactly when the first stars formed and when this reionization process started to occur.

Hubble Deep Field - The first significant look back to the era of the universe when early galaxies were forming. The image is a long exposure of a very small area of the sky, which revealed a large number of very faint, and previously unseen, objects. These objects are some of the oldest and most distant galaxies and allowed us to, as Stefano Cristiani said, "glimpse the first steps of galaxy formation more than 10 billion years ago." Other deeper studies have come after, and Webb will also do deep field studies. Webb's imaging capabilties and infrared vision will show us the early universe with unprecedented clarity. Credit: Robert Williams and the Hubble Deep Field Team (STScI) and NASA

The emergence of these first stars marks the end of the "Dark Ages" in cosmic history, a period characterized by the absence of discrete sources of light. Understanding these first sources is critical, since they greatly influenced the formation of later objects such as galaxies. The first sources of light act as seeds for the later formation of larger objects.

Additionally, the first stars that exploded as supernovae might have collapsed further to form black holes. The black holes started to swallow gas and other stars to become objects known as "mini-quasars," which grew and merged to become the huge black holes now found at the centers of nearly all massive galaxies.


Astronomers Find No Evidence of Elusive First-Generation Stars in Early Universe

Astronomers using the NASA/ESA Hubble Space Telescope have found no evidence of hypothetical first-generation stars — called Population III stars — as far back as when the Universe was just 500 million years old.

An artist’s impression of the early Universe. Image credit: NASA / ESA / Hubble / M. Kornmesser.

The very first stars born after the Big Bang were probably very massive, with masses between 60 and 300 times that of the Sun, and short lived, typically 2 million years.

Unlike the stars of today, these Population III stars would have been solely made out of the few primordial elements (hydrogen, helium and lithium) first forged in the seething crucible of the Big Bang.

ESA astronomer Rachana Bhatawdekar and colleagues set out to study these objects in the early Universe from about 500 million to 1 billion years after the Big Bang.

They used data from the Hubble Frontier Fields program to study a galaxy cluster called MACS J0416.1-2403 and its parallel field.

They also used additional data from NASA’s Spitzer Space Telescope and ESO’s Very Large Telescope.

“We found no evidence of these first-generation Population III stars in this cosmic time interval,” Dr. Bhatawdekar said.

This Hubble image shows the galaxy cluster MACS J0416.1–2403 (MACS0416). This is one of six being studied by the Hubble Frontier Fields program, which together have produced the deepest images of gravitational lensing ever made. Due to the huge mass of the cluster it is bending the light of background objects, acting as a magnifying lens. Image credit: NASA / ESA / HST Frontier Fields Team / STScI.

The Hubble Frontier Fields program produced the deepest observations ever made of galaxy clusters and the galaxies located behind them which were magnified by the gravitational lensing effect.

The masses of foreground galaxy clusters are large enough to bend and magnify the light from the more distant objects behind them. This allows Hubble to use these cosmic magnifying glasses to study objects that are beyond its nominal operational capabilities.

Dr. Bhatawdekar and colleagues developed a new technique that removes the light from the bright foreground galaxies that constitute these gravitational lenses.

This allowed them to discover galaxies with lower masses than ever previously observed with Hubble, at a distance corresponding to when the Universe was less than a billion years old.

At this point in cosmic time, the lack of evidence for Population III stars and the identification of many low-mass galaxies support the suggestion that these galaxies are the most likely candidates for the reionization of the Universe.

This period of reionization in the early Universe is when the neutral intergalactic medium was ionized by the first stars and galaxies.

“These results have profound astrophysical consequences as they show that galaxies must have formed much earlier than we thought,” Dr. Bhatawdekar said.

“This also strongly supports the idea that low-mass/faint galaxies in the early Universe are responsible for reionization.”

R. Bhatawdekar & C. Conselice. 2020. Studying the high redshift Universe combining HST, JWST and the power of gravitational lensing. AAS 236, abstract # 307.03


شاهد الفيديو: حقائق مذهلة لا تعرفونها عن النجوم. النجوم اكثر من حبات الرمل على الارض 1000 مرة!! (شهر اكتوبر 2021).