بيانات ويب تثير احتمال وجود نجوم مظلمة في الكون المبكر

حدّد علماء فلك يدرسون رصود تلسكوب جيمس ويب الفضائي ثلاثة أجسام قد يأتي ضوؤها من نجوم مظلمة، لا من مجرات مبكرة عادية، وفقاً لمجلة «سكاي آت نايت». ولا تزال الأطياف المتاحة غير واضحة بما يكفي للفصل بين الاحتمالين.

تنتمي الأجسام إلى مجموعة تضم 700 مصدر محتمل من الكون المبكر، حُدّدت في بيانات ويب لعام 2022. ولا يملك سوى تسعة من تلك المصادر أطيافاً دقيقة بما يكفي للتعرّف التفصيلي. وقد تأكد أن أحدها مجرة مبكرة، لأن ضوءها يحتوي على بصمات عدة عناصر. أما ثلاثة أخرى فلا تزال إما نجوماً مظلمة محتملة أو مجرات، في حين أن الأدلة الخاصة بالأجسام المتبقية غير كافية لحسم طبيعتها.

ويهم هذا التمييز لأن النجوم المظلمة ستقدم رؤية مختلفة لكيفية تشكّل البنى الكبيرة الأولى. وقد توفر أيضاً سبيلاً لتفسير سبب رصد ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مرحلة مبكرة جداً من التاريخ الكوني.

نوع مختلف من النجوم الأولى

النجوم المظلمة مرشحة نظرياً لأن تكون النجوم الأولى، إذ ظهرت بعد نحو 200 مليون سنة من الانفجار العظيم. وكالنجوم المبكرة العادية، كانت ستبدأ بالهيدروجين والهيليوم الناتجين من الانفجار العظيم. غير أن مصدر طاقتها لن يكون في البداية الاندماج النووي.

ويُتوقع أن تتشكل هذه النجوم في مراكز المجرات الأولية الفتية، وهي مناطق تحتوي على كميات كبيرة بصفة خاصة من المادة المظلمة. ومع بدء غاز الهيدروجين في الانهيار، يمكن لجسيمات المادة المظلمة أن تفنى بعضها بعضاً. وستُحتجز الفوتونات والجسيمات الأخرى الناتجة في الغاز، فتنقل طاقة المادة المظلمة إلى الجسم المتكوّن.

وقد توقف تلك الطاقة الانهيار وتُنشئ جسماً شبيهاً بنجم. وتشير تسمية «النجم المظلم» إلى مصدر طاقته، لا إلى مظهره؛ إذ يمكن أن تكون هذه الأجسام شديدة السطوع على نحو استثنائي. وستكون دواخلها باردة نسبياً، بدرجات حرارة مشابهة لسطح الشمس، لكن حجمها الهائل سيسمح لها بالتوهج بقوة.

ومن دون الإشعاع عالي الطاقة الذي ينتجه سطح أكثر سخونة، يمكن للجسم أن يواصل جمع المادة. وقد تصل النجوم المظلمة نظرياً في النهاية إلى نحو مليون ضعف كتلة الشمس، وأن تتوهج بلمعان يعادل تقريباً مليار ضعف لمعان الشمس. وعند هذا الحجم، يمكن لنجم مظلم واحد أن يبدو ساطعاً بقدر مجرة فتية مؤلفة من عدد كبير من النجوم التقليدية.

وستعتمد أعمارها على إمكانية وصولها إلى المادة المظلمة. فقد يظل النجم المظلم نشطاً لملايين السنين أو حتى ملياراتها ما دام مزوداً بالوقود. وإذا خرج من بيئة كثيفة بالمادة المظلمة، فسيضعف مصدر طاقته، وسيبدأ النجم في الانكماش والازدياد سخونة.

تحدي ويب: نجم أم مجرة؟

يستخدم الباحثون الفروق بين ضوء النجوم وضوء المجرات لاختبار هذه الفكرة. وينبغي أن تحتوي المجرة الفتية على نجوم كثيرة، ومن ثم أن تظهر في طيفها أدلة على مجموعة من العناصر الكيميائية. أما النجم المظلم، فعلى النقيض، فينبغي أن يتكون من الهيدروجين والهيليوم فقط.

وعند الدقة المتاحة حالياً، يمكن أن يظهر أي من نوعي المصدر كنقطة ضوء واحدة. وقد تكشف المجرة، من حيث المبدأ، معلومات إضافية من خلال حجمها أو شكلها الظاهري، لكن المسافات الشاسعة المعنية تجعل ذلك صعباً. ولذلك يوفر التحليل الطيفي الاختبار الأهم، والقياسات الحالية ليست قوية بما يكفي لثلاثة من أهداف ويب.

ناقشت مجلة «سكاي آت نايت» التحقيق مع كاثرين فريز، مديرة معهد واينبرغ للفيزياء النظرية وأستاذة كرسي الفيزياء في جامعة تكساس، أوستن. وتتخصص فريز في علم الكونيات النظري وفيزياء الجسيمات الفلكية، وقد عملت على تفسير النجوم المظلمة.

بذور محتملة للثقوب السوداء العملاقة

وقد تربط النجوم المظلمة أيضاً بين الجيل النجمي الأول والثقوب السوداء الضخمة التي رُصدت في الكون الفتي. فعندما تعود بيئة غنية بالمادة المظلمة عاجزة عن دعم نجم مظلم بالغ الكبر، يمكن أن ينتهي انهياره بطرق مختلفة تبعاً لكتلته. وقد يطوّر جسم أصغر نواة ساخنة تعمل بالاندماج. أما النجم المظلم الذي يقترب من مليون ضعف كتلة الشمس، فقد ينهار بدلاً من ذلك إلى ثقب أسود.

وقد عثر علماء الفلك على ثقوب سوداء تبلغ كتلها نحو مليار ضعف كتلة الشمس في مرحلة مبكرة بشكل غير متوقع من التاريخ الكوني. وإذا أنتج عدد كبير من النجوم المظلمة بذوراً لثقوب سوداء تبلغ كتلة كل منها نحو مليون ضعف كتلة الشمس، فقد تندمج تلك البذور، وربما تكوّن الثقوب السوداء فائقة الكتلة التي رصدتها مشاهدات لاحقة.

وقد تأتي الفرصة التالية لاختبار تفسير النجوم المظلمة من أجسام كبّرتها عدسة الجاذبية. فعندما يقع جسم هائل بين الأرض ومصدر بعيد، تثني جاذبيته ضوء المصدر ويمكن أن تكبّره. وقد توفر رصود أفضل لمثل هذه الأجسام الطبيعية المكبّرة من الكون المبكر أطيافاً أكثر وضوحاً، وتجعل من الأسهل تحديد ما إذا كانت المرشحات نجوماً غير مألوفة أم مجرات فتية.