مجرة شبه خالية من الكربون، بعد مليار سنة من الانفجار العظيم

بُعيد الانفجار العظيم مباشرة، كانت المادة العادية كلها تقريبًا هيدروجينًا وهيليومًا. أما كل العناصر الأثقل — الكربون والأكسجين والحديد — فقد صُنعت لاحقًا، داخل النجوم، وتناثرت بفعل انفجاراتها.

ولهذا أهمية في كيفية ولادة النجوم. فسحابة الغاز المنهارة تسخن وهي تنكمش، ولا بد أن تتخلص من هذه الحرارة كي تتفتت إلى نجوم. وفي كون اليوم، تتولى أيونات الكربون والأكسجين معظم التبريد، فتتفتت السحب إلى نجوم بكل الأحجام، كثير منها أصغر من الشمس. ومن دون هذه العناصر، لم يكن أمام السحب الأولى إلا أن تبرد عبر جزيئات الهيدروجين. فتفتتت إلى كتل كبيرة، وكانت النجوم التي كوّنتها في معظمها ضخمة.

كم يلزم من الكربون والأكسجين للانتقال إلى تكوّن نجمي «عادي»؟ قليل جدًا: نحو 1/3,000 من حصة الشمس. وقد عُبرت هذه العتبة بسرعة كبيرة، حتى إن كل مجرة بعيدة شوهدت متوهجة حتى الآن، بما فيها ما رصده تلسكوب جيمس ويب الفضائي، تكون قد تجاوزتها بكثير حين تصبح ساطعة بما يكفي لرؤيتها.

قراءة سحابة في ضوء كوازار

ثمة طريقة أخرى للعثور على الغاز البدائي: أن نتركه يمتص ضوء جرم أسطع يقع خلفه. وتعكف سارة بوسمان، من جامعة هايدلبرغ، وفريدريك ديفيز، من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك، و23 زميلًا، على مسح أسطع 30 كوازارًا عند انزياح نحو الأحمر بين 4.5 و5.5 باستخدام GHOST، وهو مطياف رُكّب عام 2024 على تلسكوب جيميني الجنوبي في تشيلي، ويصفونه بأنه أكثر المطيافات العالية الدقة حساسيةً على الإطلاق.

يعبر ضوء الكوازار J1941−4500 سحابة كثيفة من الهيدروجين المتعادل — «ماصّ لايمان-ألفا مُخمَّد»، وهو نوع من خزانات الغاز يُعتقد أنه يقع على بعد بضعة كيلوفرسخات فلكية من مناطق تكوّن النجوم في مجرة ما. ويمتص كل عنصر في السحابة الضوء عند أطواله الموجية الخاصة. وبعد تعريض دام 5.8 ساعات، تمكّن الفريق من قياس السيليكون والأكسجين والكربون؛ أما الحديد فلم يُرصد إطلاقًا.

أنقى سحابة حتى الآن

تقع السحابة، المسماة UMP-DLA-1، عند انزياح نحو الأحمر قدره 5.14، أي بعد نحو 1.1 مليار سنة من الانفجار العظيم. وأرقامها:

• الكربون: أقل بـ11,000 مرة مما في الشمس نسبةً إلى الهيدروجين (نحو 16,000 مرة أقل وفق أحدث مرجع شمسي).
• الأكسجين والسيليكون: أقل بنحو 5,000 مرة مما في الشمس.
• وهي بذلك أفقر بأكثر من ثلاث مرات في الأكسجين والسيليكون، وبأربع مرات في الكربون، من أي سحابة مماثلة عُرفت من قبل. وهي أيضًا الأفقر في الحديد.
• الكسر الكتلي الإجمالي للعناصر الأثقل من الهيليوم: 3.16 أجزاء من المليون.

يجمع المؤلفون الكربون والأكسجين في رقم واحد، هو «مميِّز الانتقال»، يتنبأ بما إذا كانت سحابة ما قادرة على أن تبرد بما يكفي:

D_trans = log₁₀ (10^[C/H] + 0.3 × 10^[O/H])

دون −3.5، لا تستطيع سحابة أن تنهار إلى نجوم أصغر من نحو كتلة شمسية واحدة. وتقع UMP-DLA-1 عند −3.85. وهي أول خزان غاز يُعثر عليه دون هذا الخط — لذا فإن محتواها المعدني المنخفض وحده يضمن أن نجومها كانت في معظمها ثقيلة.

جيب متأخر من الكون المبكر

يعني ذلك أن تكوّن النجوم في غاز شبه بِكر، بنجوم ضخمة في معظمها، ظل ممكنًا بعد ظهور النجوم الأولى بزمن طويل — بل وحتى بعد نهاية حقبة إعادة التأين.

كما أن كيمياء السحابة عيّنة مما خلّفته تلك النجوم الضخمة الفقيرة بالمعادن حين انفجرت: كربون أقل قليلًا من الأكسجين، وأكسجين وسيليكون بنسبهما الشمسية. ولا يكفي هذا النمط وحده لمعرفة ما إذا كانت تلك النجوم من الجيل الأول حقًا أم من جيل ثانٍ مبكر. لكنه يطابق سحبًا عُثر عليها في أزمنة لاحقة، ردّتها أعمال سابقة إلى ما بين 1 و30 مستعرًا أعظم فقط لنجوم من الجيل الأول. ويقترح المؤلفون أن البحث عن آثار النجوم الأولى في جيوب متبقية من الغاز البكر، عند انزياحات نحو الأحمر أقل من 7، قد يكون أكثر جدوى من النظر إلى الوراء بعيدًا جدًا، إلى ما بعد الانزياح 20.

وتشترك بضعة نجوم قديمة جدًا وفقيرة جدًا بالمعادن، في مجرات قزمة صغيرة قرب درب التبانة، في البصمة الكيميائية نفسها. ويقول المؤلفون إنه «من الممكن تمامًا» أن تكون آخر الناجين من النجوم الصغيرة التي وُلدت في مجرات مثل هذه.

حظ، أم أمر شائع؟

العثور على سحابة كهذه بين 30 كوازارًا فقط أمر مفاجئ. ويكتب المؤلفون أنه ما لم يكن المسح محظوظًا على نحو استثنائي، فقد تكون سحب أخرى من هذا النوع مختبئة في أطياف موجودة بالفعل، مدفونة تحت امتصاص الهيدروجين الكثيف في الكون المبكر. وينبغي للتلسكوبات العملاقة المستقبلية، مثل التلسكوب الكبير للغاية (ELT)، حين تُوجَّه نحو الكوازارات الخافتة التي ستكتشفها مهمة إقليدس، أن تُجري إحصاءً كاملًا. أما الآن، فـUMP-DLA-1 جرم وحيد، قيس على افتراض أن غازه يتحرك ككتلة واحدة — وهو افتراض يدعمه المؤلفون بغياب خطوط الامتصاص المشبعة.