معركة المجرات

البروفيسورة آنا فريبل Anna Frebel:
عالمة فلك وأستاذة مشاركة للفيزياء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT في كيمبريدج، ماساتشوستس

ما المجرة القزمة؟
المجرات القزمة Dwarf galaxies هي بضعة آلاف من النجوم تحيط بها هالة من المادة المعتمة Dark matter. نحن نعلم بوجود العناقيد النجمية في مجرة درب التبانة التي يمكن أن يبلغ عدد نجوم بعضها مليون نجم تقريباً، لكن ليست لها هالة من المادة المعتمة تدفع النجوم للبقاء معاً، بل إن النجوم تمسك ببعضها البعض. تعمل المادة المعتمة مثل المادة العادية Normal matter، مما يعني أنه يمكننا قياس قوة جاذبيتها. وعندما تكون لديك مجرة، فإن نجومها تشعر فعليا بقوة الجاذبية هذه. ولكن بناءً على قوانين الفيزياء البسيطة، يمكننا الاستنتاج بأن هالة المادة المعتمة هذه موجودة.

ما فحوى الدراسة التي نشرت في دورية نيتشر أسترونومي Nature Astronomy؟
في هذه الدراسة، كنا ننظر إلى المجرة القزمة الباهتة توكانا II (Tucana II). وكما نفعل غالباً كنا نبحث عن شيء إلا أننا وجدنا شيئاً آخر مختلفاً. فقد درست العديد من المجرات الثلاثين الصغيرة التي تدور حول مجرة درب التبانة في محاولة لتحديد التركيب الكيميائي لنجومها كي نعرف ما حدث على مدى بلايين السنين. فالنجوم تخبرنا تلك القصة. عادةً ما أستخدم التحليل الطيفي Spectroscopy لتحويل ضوء النجوم إلى أقواس قزح لدراستها، ولكن نظراً لأن هذه المجرات الصغيرة بعيدة، فلن تحصلي على عدد كافٍ من الفوتونات باستخدام تلسكوبك الخاص. هذه مشكلة كبيرة لأنها تعني أنه يمكننا فقط دراسة النجوم الأكثر سطوعاً، وتوصيف مجرة بكاملها من خلال نجم واحد فقط هو أبعد ما يكون عن الوضع المثالي.
ولذلك، وبالتعاون مع طالب الدكتوراه أنيرود تشيتي Anirudh Chiti في فريقي، طورنا تقنية جديدة للحصول على معلومات عن تركيب بنية النجوم بناءً على الصور المتخصصة Specialised images بدلاً من الأطياف Spectra. فقد كان الدافع هو دراسة أكثر من نجم واحد، أو نجمين، أو ثلاثة في كل مجرة، والوصول إلى 10 و 20 و 30 نجما. وقد استخدمنا التلسكوب سكاي مابر SkyMapper لتحقيق هذا.

كيف استخدمت التلسكوب SkyMapper لدراسة المجرة توكانا II؟
يحتوي التلسكوب SkyMapper على فلتر (مُرشِح) معيّن يتيح لك رؤية اللون الأرجواني اخترنا الضوء فوق البنفسجي القريب من الطول الموجي لخط امتصاص الكالسيوم الواضح جدا بالقرب من طول 400 نانومتر. فالضوء الذي نراه هناك هو انعكاس لمقدار الكالسيوم الموجود في النجم، ويمكننا استخدامه كبديل لمحتواه الكيميائي الكلي. كلما قلَّ الكالسيوم والعناصر الثقيلة Heavy elements في هذا النجم، قل امتصاصه، وسيتألق النجم أكثر عند رصده باستخدام هذا الفلتر. وهذا أمر مثير، لأنه يعني أن النجوم التي نهتم بها ستضيء مثل إشارات المرور. قد تسألين: لماذا نبحث عن النجوم ذات المحتوى المنخفض من الكالسيوم؟ تحتوي أقدم النجوم في الكون على أقل كمية من العناصر الثقيلة لأنها تشكلت في وقت لم يصنع فيه الكثير من هذه المواد بعد. ويبلغ عمر مجرة توكانا II نحو 13 بليون سنة.

وماذا وجدت؟
نظراً لأن التلسكوب SkyMapper يستطلع السماء الجنوبية بكاملها، فإن كل صورة من صوره هي واسعة المساحة. وقد أخضعنا هذه للخوارزمية التي طورناها، وبرزت لنا سبعة نجوم أعضاء (في مجرة توكاناII ) على مسافة بعيدة حقاً، وتساءلنا: “ما الذي يحدث هناك؟” لقد ابتعدت النجوم إلى مسافة تَقْرب من عشرة أضعاف حجم النواة. فقد كان هذا مفاجئاً، ولذا كان علينا التحقق من منهجنا وأرقامنا، لكننا استنتجنا أنها جميعاً جزء من المجرة نفسها. فقد جعلنا هذا نعيد التفكير فيما يمكن أن تكونه هذه المجرات الصغيرة. وهذه أيضاً هي المرة الأولى لرسم خرائط هالة المادة المعتمة على نطاق واسع وبعيداً جداً عن مركزها المجري؛ وقد اتضح أن المجرة بكاملها أكبر بثلاث إلى خمس مرات مما كان يعتقد سابقاً.

ماذا تخبرنا النجوم على حافة المجرة توكاناII؟
إنها تؤكد أن المجرة توكاناII هي قديمة حقاً؛ لقد كان للنجوم الأبعد تركيبة كيميائية أكثر بدائية من تلك الموجودة في النواة. وهذا يتوافق مع المحاكاة النظرية في بحث تال يشير إلى أن توكانا هي نتاج اندماج مجرتين من المجرات الأولى القديمة جداً. وعندما تصطدم المجرات ببعضها، سيلي ذلك فوضى، وتتناثر النجوم.

ما تأثير دراستك في فهمنا للكون المبكر؟
إنها توفر فرصة رائعة وجديدة للأشخاص الذين يحاكون آليات التشكل المبكر للنجوم، والتشكل المبكر للمجرات، وإنتاج العناصر القديمة المبكرة. إن محاولة فهم بداية قصة تكوّن المجرات فهما صحيحا، القصة التي بدأت بعد عدة مئات من ملايين السنين من الانفجار الكبير، محاولة سيتمخض عنها الكثير! نحن نعلم ما النهاية: إنها الصورة الحالية. لذا، فإن البداية الصحيحة هي خطوة مهمةـ لأنه بعد ذلك يمكننا استنباط كل شيء حصل فيما بينهما.