مع مرور الوقت من اليمين إلى اليسار ، يُظهر هذا التصور تكوين النجوم الأولى من ضباب الهيدروجين المحايد بعد فجر الكون الكوني.
(الصورة: © NASA / STScI)
بول سوتر عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية أوهايو وكبير العلماء في مركز علوم COSI. Sutter هو أيضًا مضيف لـ Ask a Spaceman and Space Radio ، ويقود AstroTours حول العالم. ساهم سوتر بهذا المقال في أصوات خبراء Space.com: Op-Ed & Insights.
ربما يكون أكبر اكتشاف في المائة سنة الماضية من دراسة الكون هو أن وطننا يتغير ويتطور بمرور الوقت. وليس فقط بطرق بسيطة غير ذات أهمية مثل النجوم التي تتحرك حولها ، وتضغط السحب الغازية والنجوم الضخمة التي تموت في انفجارات كارثية. لا ، لقد غيَّر الكون بأكمله شخصيته الأساسية أكثر من مرة في الماضي البعيد ، فغيّر بشكل كامل حالته الداخلية على نطاق عالمي - أي عالمي.
لنأخذ ، على سبيل المثال ، حقيقة أنه لم يكن هناك نجوم في الماضي في الماضي الضبابي الذي لا ينسى.
قبل النور الأول
نحن نعرف هذه الحقيقة البسيطة بسبب وجود الخلفية الكونية الميكروية (CMB) ، وهي حمام من الإشعاع الضعيف والمستمر الذي ينقع الكون بأكمله. إذا واجهت فوتونًا عشوائيًا (القليل من الضوء) ، فهناك فرصة جيدة من مصدر الإشعاع CMB - حيث يستهلك هذا الضوء أكثر من 99.99 بالمائة من جميع الإشعاع في الكون. إنه بقايا من بقايا الكون عندما كان عمره 270.000 عام فقط ، وانتقل من بلازما ساخنة متدفقة إلى حساء محايد (بدون شحنة موجبة أو سالبة). أطلق هذا التحول إشعاعًا أبيض حارًا ، على مدى 13.8 مليار سنة ، تبرد وتمدد في الموجات الدقيقة ، مما أعطانا ضوء الخلفية الذي يمكننا اكتشافه اليوم. [خلفية الميكروويف الكونية: شرح أثر الانفجار الكبير (مخطط المعلومات)]
في وقت إطلاق CMB ، كان الكون حوالي مليون جزء من حجمه الحالي وآلاف الدرجات أكثر سخونة. كانت أيضًا موحدة تمامًا تقريبًا ، مع اختلافات في الكثافة لا تزيد عن جزء واحد في 100000.
لذا ، ليست بالضبط الدولة التي يمكن أن توجد فيها النجوم بسعادة.
العصور المظلمة
في ملايين السنين التي أعقبت إطلاق CMB (المعروف باسم "إعادة التركيب" في دوائر علم الفلك ، بسبب سوء الفهم التاريخي للعهود السابقة) ، كان الكون في حالة غريبة. كان هناك حمام مستمر من الإشعاع الأبيض الساخن ، لكن هذا الإشعاع كان يبرد بسرعة حيث استمر الكون في تمدده الذي لا يرحم. كانت هناك مادة مظلمة ، بالطبع ، تتدلى في التفكير في أعمالها الخاصة. وكان هناك غازًا محايدًا الآن ، تقريبًا بالكامل من الهيدروجين والهيليوم ، تم إطلاقه أخيرًا من صراعاته مع الإشعاع وحرة في القيام بما يحلو له.
وما يسرها أن تفعلها مع أكبر قدر ممكن من نفسها. لحسن الحظ ، لم يكن عليها أن تعمل بجد: في الكون المبكر للغاية ، تتضخم التقلبات الكمية المجهرية لتصبح مجرد اختلافات صغيرة في الكثافة (وسبب حدوث ذلك قصة ليوم آخر). لم تؤثر هذه الاختلافات في الكثافة الدقيقة على التوسع الكوني الأكبر ، لكنها أثرت على حياة ذلك الهيدروجين المحايد. أي رقعة واحدة كانت أكثر كثافة قليلاً من المتوسط - حتى ولو كانت صغيرة جدًا - لديها قوة جاذبية أقوى قليلاً على جيرانها. شجع هذا السحب المعزز المزيد من الغاز للانضمام إلى الحزب ، مما أدى إلى تضخيم قوة الجاذبية ، والتي شجعت المزيد من الجيران وما إلى ذلك.
مثل الموسيقى الصاخبة في حفلة منزلية تعمل كأغنية صافرة لتشجيع المزيد من المحتفلين ، على مدى ملايين السنين أصبح الغاز الغني أكثر ثراء وأصبح الغاز الفقير أكثر فقراً. من خلال الجاذبية البسيطة ، نمت اختلافات الكثافة الضئيلة ، وبناء أول تجمعات ضخمة للمادة وتفريغ ما يحيط بها.
فجر "الفجر الكوني"
في مكان ما ، في مكان ما ، كانت بعض قطع الهيدروجين المحايدة محظوظة. تتراكم الطبقات على طبقات ساحقة على نفسها ، يصل النواة الداخلية إلى درجة حرارة وكثافة حرجة ، مما يجبر النوى الذرية معًا في نمط معقد ، ويشتعل في الاندماج النووي ويحول المواد الخام إلى هليوم. كما أطلقت هذه العملية الشرسة القليل من الطاقة ، وبسرعة ولد النجم الأول.
لأول مرة منذ الدقائق العشر الأولى من الانفجار الكبير ، حدثت تفاعلات نووية في كوننا. مصادر جديدة للضوء ، تنتشر في الكون ، غمرت الفراغات التي كانت فارغة في السابق بالإشعاع. لكننا لسنا متأكدين بالضبط متى حدث هذا الحدث الهام ؛ ملاحظات هذه الحقبة صعبة للغاية. أولاً ، تمنع المسافات الكونية الشاسعة حتى أقوى المقاريب لدينا من مراقبة هذا الضوء الأول. ما يزيد الأمر سوءًا هو أن الكون المبكر كان تقريبًا محايدًا تمامًا ، ولا ينبعث الغاز المحايد الكثير من الضوء في المقام الأول. ليس الأمر حتى تلتصق عدة أجيال من النجوم ببعضها البعض لتشكيل المجرات حتى يمكننا الحصول على تلميح خافت لهذا العصر المهم.
نشك في أن النجوم الأولى تشكلت في مكان ما خلال بضع مئات ملايين السنين الأولى من الكون. ليس في وقت لاحق أن لدينا ملاحظات مباشرة عن المجرات ، ونوى المجرات النشطة وحتى بدايات مجموعات المجرات - الهياكل الأكثر ضخامة التي تنشأ في نهاية المطاف في الكون. في بعض الأحيان قبل وصول النجوم الأولى ، ولكن ليس مبكرًا جدًا ، لأن الظروف المحمومة للكون الرضيع كانت ستمنع تكوينها.
في الأفق
على الرغم من أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي القادم سيكون قادرًا على تحديد المجرات المبكرة بدقة ممتازة ، مما يوفر ثروة من البيانات عن الكون المبكر ، فإن مجال الرؤية الضيق للتلسكوب لن يعطينا الصورة الكاملة لهذه الحقبة. يأمل العلماء أن تحتوي بعض المجرات الأولى على بقايا النجوم الأولى - أو حتى النجوم نفسها - ولكن سيتعين علينا الانتظار و (حرفيا).
الطريقة الأخرى لفتح الفجر الكوني هي من خلال الغرابة المذهلة للهيدروجين المحايد. عندما ينقلب الكم الإلكترون والبروتون بشكل عشوائي ، يبعث الهيدروجين إشعاعًا بطول موجي محدد للغاية: 21 سم. يسمح لنا هذا الإشعاع برسم جيوب من الهيدروجين المحايد في مجرتنا درب التبانة الحديثة ، لكن المسافات الشديدة إلى عصر الفجر الكوني تشكل تحديًا مختلفًا تمامًا.
المشكلة هي أن الكون قد توسع منذ تلك الحقبة التي ماتت منذ فترة طويلة ، الأمر الذي يتسبب في امتداد كل الإشعاعات بين المجرات إلى أطوال موجية أطول. في الوقت الحاضر ، يبلغ طول موجة موجة الهيدروجين المحايدة البدائية حوالي 2 متر ، مما يضع الإشارة بقوة في نطاقات الراديو. والعديد من الأشياء الأخرى في الكون - السوبرنوفا ، والمجالات المغناطيسية المجرية ، والأقمار الصناعية - صاخبة جدًا في نفس الترددات ، مما يحجب الإشارة الخافتة من السنوات الأولى للكون.
هناك العديد من المهمات في جميع أنحاء العالم تحاول العودة إلى إشارة الفجر الكونية المثيرة ، واستخراج همساتها البدائية من النغمة الحالية ، وكشف ولادة النجوم الأولى. ولكن في الوقت الحالي ، سيتعين علينا الانتظار والاستماع.
تعرف على المزيد من خلال الاستماع إلى حلقة "ما الذي أيقظ الفجر الكوني؟" على بودكاست Ask A Spaceman ، المتوفر على iTunes وعلى الويب على http://www.askaspaceman.com. بفضل جويس س على الأسئلة التي أدت إلى هذه القطعة! اطرح سؤالك على Twitter باستخدام #AskASpaceman أو باتباع Paul @ PaulMattSutter و facebook.com/PaulMattSutter. تابعونا علىSpacedotcom و Facebook و Google+. المقالة الأصلية على موقع Space.com.
