علماء الفلك يعثرون على مجرة بلا نجوم

سحابة كان ينبغي أن تصبح مجرة

Cloud-9، التي تبعد 14 مليون سنة ضوئية قرب Messier 94، تبدو كمجرة لم تُشغَّل قط. وهذه جملة أكثر إثارة للقلق مما تبدو عليه للوهلة الأولى. فمن المفترض أن تكون المجرات الأماكن التي يتفق فيها الغاز والجاذبية والزمن على صنع النجوم. والسماء الليلية سجلّ لذلك الاتفاق. ما يجعل Cloud-9 مثيرة للاهتمام هو أن الاتفاق يبدو أنه فشل، ولأن الفشل، إن كان حقيقيًا، ليس فجوة في البيانات. بل هو جسم.

عثرت التلسكوبات الراديوية أولًا على سحابة مدمجة شبه كروية تضم نحو مليون كتلة شمسية من الهيدروجين. وهذا ليس قدرًا كبيرًا من الغاز وفق معايير مجرة حلزونية ذات تصميم بارز، لكنه ليس لا شيء أيضًا. فمليون شمس من الهيدروجين، محجوزة في حزمة ضيقة شبه مستديرة، تمثل مادة كافية لصنع مجرة صغيرة لو سُمح للغاز بالتبرد والتفتت. كان الرصد الراديوي قياسًا للكتلة والشكل، ولم يكن صورة لضوء النجوم. وضوء النجوم هو ما بحث عنه علماء الفلك بعد ذلك، لأن سحابة هيدروجين بلا نجوم إما أن تكون خطأ، أو نفخة غاز قريبة أُسيء تصنيفها، أو الشيء الذي ظل المنظّرون يرسمونه لسنوات: مجرة فاشلة.

رصد هابل ضوءًا نجميًا شبه معدوم في يناير. وشبه المعدوم ليس هو المعدوم. فللتلسكوبات الفضائية حدود، وقد تختبئ مجموعة خافتة وقديمة ومتناثرة من النجوم تحت تلك الحدود. كانت صور يناير تلميحًا قويًا وحكمًا غير مكتمل. وقد تركت مهمة لمرآة أكبر على الأرض وكاميرا مصممة لاستخراج قدر أكبر قليلًا من العمق من رقعة مظلمة في السماء.

أعمق بعشر مرات، وما زال لا شيء

استخدم فريق إغناسيو تروخيو الآن كاميرا HiPERCAM على Gran Telescopio Canarias، أكبر تلسكوب بصري في العالم، لالتقاط صور أعمق بنحو عشر مرات من السابق. وخلال 2.36 ساعة، عثر الفريق على صفر من الانبعاث النجمي، وحدد حدًا أعلى لا يتجاوز 16,000 كتلة شمسية من النجوم، حتى بافتراض أن المجموعة قديمة وفقيرة بالمعادن.

هذه التفاصيل مهمة، كل واحدة منها على حدة. فـ Gran Telescopio Canarias هو أكبر تلسكوب بصري في العالم، ما يعني أنه إذا كان ضوء النجوم موجودًا بحيث يمكن جمعه بأداة بصرية أرضية، فهذا هو الجهاز الذي ينبغي أن يجمعه. أما HiPERCAM فهي كاميرا متعددة النطاقات عالية السرعة؛ وعند استخدامها لرصد عميق، فإنها تصبح وسيلة لدفع حد سطوع السطح إلى أبعد، لا وسيلة لتجميد وميض نابض. إن كون الصور أعمق بنحو عشر مرات من السابق هو الفارق بين عدم رصد يمكن المجادلة بشأنه وعدم رصد يبدأ في الظهور كنتيجة. و2.36 ساعة ليست لقطة عابرة. إنها عملية تعريض ملتزمة لهدف كان قد خيّب آمال هابل بالفعل.

إن انعدام الانبعاث النجمي هو الجملة التي يجب أن تتعايش معها بقية الورقة البحثية. وهذا لا يعني أن الفريق أثبت أن Cloud-9 لا تضم نجومًا بأي معنى فلسفي. بل يعني أنه خلال تلك الساعات، وبهذا العمق، وفي النطاقات التي تستطيع HiPERCAM رؤيتها، لم يرتفع أي ضوء نجمي فوق مستوى الضجيج. والصيغة المفيدة للصفر هي الحد الأعلى. فقد حدد الفريق هذا الحد عند 16,000 كتلة شمسية فقط من النجوم، ووضعه بافتراض يجعل إخفاء النجوم أسهل: مجموعة قديمة وفقيرة بالمعادن.

النجوم القديمة الفقيرة بالمعادن خافتة وحمراء. إنها بقايا ضوء لمرحلة مبكرة وجيزة من تشكل النجوم، أو لتدفق ضعيف إلى حد أنه لم يبنِ مجرة مرئية قط. وإذا أردت الادعاء بأن سحابة هيدروجين فشلت في أن تصبح مجرة، فعليك أن تضع هذه المجموعة تحديدًا في الحسبان. عليك أن تتخيل أقل النجوم لمعانًا التي لا يزال يمكن تسميتها مكوّنًا نجميًا، ثم تبيّن أن حتى هذه النجوم لا تظهر. إن 16,000 كتلة شمسية ميزانية نجمية ضئيلة جدًا. فقد تكون عنقود نجمي مفتوح جيد واحد في حدود هذا الرقم. أما المجرة القزمة، حتى الواهنة منها، فعادة ما تكون أغنى. وCloud-9، إن كانت تضم نجومًا أصلًا، فلديها أقل من تلك الميزانية — ولم تُظهر الصور حتى ذلك.

وصف تروخيو غرابة الأمر بلغة واضحة. «تترك معظم الأجسام في الكون أثرًا من الضوء. أما Cloud-9 فلا تفعل»، كما قال لموقع Space.com. والاقتباس ليس زينة بلاغية، بل هو الادعاء الرصدي. فالغبار يتوهج. والغاز يتوهج. والنجوم تتوهج. وحتى المحاولة الفاشلة لصنع مجرة تترك عادة لطخة من ضوء النجوم المتبقي، أو حفنة من العمالقة الحمر القدماء، أو شيئًا يمكن لصورة عميقة أن تراكِمه حتى يظهر إلى الوجود. أما Cloud-9، فعند العمق الذي بلغته HiPERCAM خلال 2.36 ساعة، فلم تترك شيئًا يمكن للكاميرا أن تسميه نجمًا.

ما الذي استطاعت التلسكوبات الراديوية رؤيته ولم تستطع العيون رؤيته

إن ترتيب الاكتشاف جزء من الحجة. فقد بدأت التلسكوبات الراديوية. فالهيدروجين المتعادل، المادة الخام للنجوم المستقبلية، يعلن عن نفسه عند طول موجي راديوي شهير حتى عندما لا يكون أي نجم قد أشرق عليه من قبل. وتُعد سحابة مدمجة شبه كروية تبلغ كتلتها نحو مليون كتلة شمسية جسمًا راديويًا مميزًا. فالانضغاط يجادل ضد محاذاة عشوائية لغاز شارد. والشكل شبه الكروي يجادل ضد حطام مدي، يميل عادة إلى الاستطالة في تيارات وحلقات. أما مليون كتلة شمسية فهو رقم يقع في نافذة مثيرة للاهتمام نظريًا، ولهذا لم يُحفظ الجسم باعتباره مجرد كتلة مجهولة أخرى في الحجم المحلي.

إن وجودها قرب Messier 94 ليس عنوانًا عابرًا. فـ Messier 94 مجرة حلزونية مدروسة جيدًا في منطقة يفتش فيها علماء الفلك بالفعل عن المجرات القزمة والتيارات وسحب الغاز الغريبة. وتبعد أربعة عشر مليون سنة ضوئية، وهي مسافة قريبة بالمصطلحات الكونية وبعيدة بما يكفي لتكون Cloud-9 نظامًا قائمًا بذاته، لا نمطًا جويًا في مجرتنا. ويمكن دراسة أجسام الحجم المحلي بتفصيل لا تتيحه نظرية الانزياح الأحمر العالي. كما يمكن التحقق منها مرة بعد مرة عندما يكون الادعاء بهذا الحجم. فمجرة بلا نجوم، على بعد 14 مليون سنة ضوئية، قريبة بما يكفي لهابل، وقريبة بما يكفي لـ Gran Telescopio Canarias، وقريبة بما يكفي للصورة الفضائية التالية التي سيُطلب منها حسم الجدل.

الهيدروجين بلا نجوم ليس تلقائيًا مجرة فاشلة. فالأقراص المجرية تقذف سحبًا. والتفاعلات تنتزع الغاز. وبعض السحب تسقط إلى الداخل بدلًا من أن تفشل في الإضاءة. إن التراص شبه الكروي والعزلة عن نظير نجمي واضح هما ما يدفعان Cloud-9 إلى خارج تلك الفئات العادية. وقد دفعتها لقطات هابل شبه الفارغة في يناير إلى أبعد من ذلك. أما صفر HiPERCAM، على عمق أكبر عشر مرات، فهو الصيغة الحالية للادعاء.

النظرية التي تنبأت بمنطقة مثالية

تقول النظرية إن الضوء فوق البنفسجي بعد إعادة التأين يمكن أن يبقي الغاز في هالات المادة المظلمة منخفضة الكتلة ساخنًا أكثر من اللازم كي ينهار إلى نجوم. وهذه الجملة هي سبب استحقاق Cloud-9 لرصد دام 2.36 ساعة على أكبر تلسكوب بصري في العالم.

في الكون المبكر، أغرقت النجوم والمجرات الأولى الفضاء بالإشعاع فوق البنفسجي. وتأين الضباب المكوّن من الهيدروجين المتعادل الذي كان يملأ الكون. وبعد إعادة التأين تلك، لم يكن الغاز بين المجرات متأينًا فحسب، بل كان ساخنًا أيضًا. وما تزال هالة المادة المظلمة الكبيرة قادرة على جذب ذلك الغاز، والسماح له بالتبرد، وصنع النجوم. أما الهالة الصغيرة جدًا فلا تستطيع الاحتفاظ بالغاز أصلًا؛ فالمادة الساخنة لا تسقط إلى الداخل ببساطة، أو تُدفع إلى الخارج مجددًا. وبين هذين المصيرين توجد مجموعة ضيقة من كتل الهالات يمكن فيها الاحتفاظ بالغاز، لكن لا يمكن تبريده بكفاءة كافية للانهيار. فالهالة ضخمة بما يكفي لتكون حاوية، لكنها ليست ضخمة بما يكفي لتكون مصنعًا.

تقع Cloud-9 في تلك المنطقة المثالية: كتلة تكفي للاحتفاظ بالغاز، لكنها لا تكفي للإشعال. فمليون كتلة شمسية من الهيدروجين في سحابة مدمجة شبه كروية تمثل النصف الباريوني من الصورة. أما هالة المادة المظلمة المحيطة بها، غير المرئية، فيُفترض أنها الزجاجة الجاذبية. والخلفية فوق البنفسجية المتبقية من إعادة التأين — والتي ظلت تتجدد منذ ذلك الحين بفعل النجوم الزائفة والمجرات الفتية — هي مصدر الحرارة الذي يمنع محتويات الزجاجة من تشكيل النجوم. النظرية ليست جديدة. لكن النادر هو وجود جسم يبدو كالرسم التوضيحي للنظرية: غاز، وجاذبية، ولا ضوء.

سبق أن أُعلن عن مجرات فاشلة، أو مجرات مظلمة، ثم اتضح أمرها بهدوء وتعقيد. فقد تكشف صورة أعمق عن لطخة من النجوم. وقد تُظهر خريطة راديوية أفضل أن الغاز عمود مدي. وقد تنقل مراجعة للمسافة السحابة إلى فئة كتلية مختلفة. ويتوخى الأدب العلمي الحذر لأن الادعاء كبير. فإذا كانت الهالات منخفضة الكتلة تجلس فعلًا، خاملة، وهيدروجينها ساخن أكثر من اللازم كي ينهار، فإن أصغر المجرات التي نراها ليست إحصاءً كاملًا لأصغر الهالات الموجودة. وستتغير مشكلة الأقمار المفقودة، ومشكلة «الكبير جدًا بحيث يفشل»، والعائلة كلها من التوترات بين محاكاة المادة المظلمة والمجرات القزمة التي نعثر عليها فعليًا، إذا لم تُشغَّل بعض أصغر الهالات قط.

لن تحل Cloud-9 هذه المشكلات بمفردها. إنها جسم واحد يبعد 14 مليون سنة ضوئية قرب Messier 94. لكنها أيضًا أوضح رسم توضيحي محلي حتى الآن لحجة المنطقة المثالية. كتلة تكفي للاحتفاظ بالغاز. لا تكفي للإشعال. الراديو يعمل. والبصري مطفأ.

لماذا لم يكن «شبه معدوم» كافيًا

كانت زيارة هابل في يناير أول مرشح بصري للاكتشاف الراديوي. فضوء النجوم شبه المعدوم هو نوع النتيجة الذي يطلق متابعة، لا الذي ينهي جدلًا. فالصور الفضائية خالية من الضبابية الجوية، لكنها ليست عميقة بلا حدود، كما أن مجال هابل ومرشحاته لم تُصمم كتجربة مخصصة لـ Cloud-9. وقد تختبئ مجموعة متناثرة من النجوم القديمة في الضجيج، خاصة إذا كانت تلك النجوم فقيرة بالمعادن، وبالتالي أخفت في النطاقات التي تستخدمها نظرة سريعة.

تعامل فريق تروخيو مع ذلك الغموض بوصفه مشكلة قياس. فالأعمق عشر مرات هو استجابة محددة لعبارة «شبه معدوم». إذا كانت لقطات هابل محدودة بالعمق، فإن تعريضًا أطول وأكثر حساسية على تلسكوب أكبر ينبغي أن يبدأ في إظهار المجموعة المختبئة. أما إذا كانت محدودة بغياب المجموعة، فينبغي أن تظل اللقطات الأعمق فارغة وأن ينخفض الحد الأعلى. وهذا ما حدث. إن انعدام الانبعاث النجمي خلال 2.36 ساعة، مع حد أعلى لا يتجاوز 16,000 كتلة شمسية حتى وفق افتراض النجوم القديمة الفقيرة بالمعادن، هو نتيجة النظرة الأعمق التي ترجّح الغياب على الاختباء.

من السهل تجاوز عبارة «الفقيرة بالمعادن»، ولا ينبغي تجاوزها. فالمعدنية تغيّر ناتج الضوء لمجموعة نجمية. والنجوم القديمة البدائية كيميائيًا هي الملاذ الأخير للمتشكك الذي يريد أن تكون Cloud-9 مجرة قزمة عادية فائقة الخفوت أفلتت من الصور الأولى. ومن خلال حساب الحد لهذا الملاذ تحديدًا، أغلق الفريق أكثر الثغرات تساهلًا التي استطاع إغلاقها من الأرض. وما لم يستطيعوا إغلاقه هو احتمال أن تعثر صورة أعمق، من الفضاء، وبمرشحات مختلفة أو رصد أطول، على شيء لم تره HiPERCAM.

هيئة المحلفين، ولماذا تتصدر هذه المرشحة

ما زال الحكم معلقًا بانتظار تصوير فضائي أعمق، لكن Cloud-9 هي أفضل مرشحة لمجرة فاشلة حتى الآن. وهذه صياغة حذرة من شقين. فالأول يرفض العنوان القائل إن القضية أُغلقت. والثاني يرفض الاستخفاف بها باعتبارها مجرد سحابة فارغة أخرى.

إن التصوير الفضائي الأعمق هو الأداة التالية الواضحة. فقد نظر هابل بالفعل ورصد ضوءًا نجميًا شبه معدوم. أما حملة أعمق — بتعريضات أطول، وفسيفساء أكثر صبرًا، وتلسكوب يجمع بين غياب الغلاف الجوي الذي يتمتع به هابل وقدرة أوسع أو أكثر احمرارًا — فهي الطريقة التي سيُخفض بها سقف 16,000 كتلة شمسية مرة أخرى أو يُستبدل باكتشاف. وإلى أن يحدث ذلك، تظل Cloud-9 مرشحة. ويمكن للمرشحات أن تفشل بالطرق المعتادة. فقد تظهر عنقود خافت من النجوم. وقد تُراجع كتلة الهيدروجين. وقد يبدو الشكل أقل كروية وأقل تراصًا، وأكثر شبهًا بالحطام.

ومع ذلك، فإن الأدلة الحالية متوافقة بطريقة نادرًا ما تمكنت منها المرشحات السابقة. فالرؤية الراديوية تقدم سحابة هيدروجين مدمجة شبه كروية تبلغ كتلتها مليون كتلة شمسية. والعنوان محلي وقابل للتحقق: 14 مليون سنة ضوئية قرب Messier 94. وأظهرت صور هابل في يناير ضوءًا نجميًا شبه معدوم بالفعل. وقد تعمقت HiPERCAM على Gran Telescopio Canarias بنحو عشر مرات خلال 2.36 ساعة، فعثرت على انعدام الانبعاث النجمي. وسقف الكتلة النجمية لا يتجاوز 16,000 شمس، حتى لو كانت النجوم غير المرئية قديمة وفقيرة بالمعادن. ولدى النظرية خانة جاهزة لهذا المزيج تحديدًا. وملخص تروخيو لموقع Space.com هو إعادة صياغة رصدية لتلك الخانة. تترك معظم الأجسام في الكون أثرًا من الضوء. أما Cloud-9 فلا تفعل.

المجرة حجة بين الكتلة والتبرد والزمن. وتبدو Cloud-9 كحجة انتهت قبل ظهور النجم الأول. فالهيدروجين موجود. والحاوية، إذا كانت صورة المنطقة المثالية صحيحة، موجودة. والخلفية فوق البنفسجية التي ملأت الفضاء منذ إعادة التأين موجودة. أما النجوم فليست موجودة، على الأقل ليس بمستوى يستطيع تلسكوب بصري عالمي المستوى إجباره على الظهور. ولهذا يُتعامل مع الجسم باعتباره أكثر من مجرد فضول وأقل من قضية محسومة. إنها أفضل مرشحة لمجرة فاشلة حتى الآن لأن كل تفسير عادي اضطر إلى بذل جهد أكبر من المعتاد، ولأن التفسير الغريب الوحيد — هالة مادة مظلمة منخفضة الكتلة احتفظت بغازها ولم تشتعل قط — لم يضطر إلى اختراع رقم جديد. كان عليه فقط أن يعثر على سحابة تشبه تلك التي رسمها المنظّرون.

وإلى أن يصل التصوير الفضائي الأعمق، يظل الوصف الصادق هو الوصف الذي تدعمه البيانات. تقع Cloud-9 على بعد 14 مليون سنة ضوئية قرب Messier 94، وهي سحابة هيدروجين مدمجة شبه كروية تبلغ كتلتها مليون كتلة شمسية، أضاءها هابل بالكاد ولم تضيئها HiPERCAM على الإطلاق. إنها تبدو كمجرة لم تُشغَّل قط. وقد تفاجئ الكاميرا التالية. لكنها في الوقت الحالي أظلم نسخة من مجرة استطاع علماء الفلك الإشارة إليها والقول: تجمّع الغاز، وكانت الكتلة كافية للاحتفاظ به، لكن النجوم لم تظهر.