اللؤلؤة السوداء: بصمة غبار بعد 500 مليون سنة من الانفجار العظيم

لا يكفّ تلسكوب جيمس ويب الفضائي عن اكتشاف أن المجرات امتلأت بالمعادن والغبار بسرعة مدهشة، خلال المليار سنة الأولى من التاريخ الكوني. ودراسة الغبار على هذه المسافات صعبة: فتوهّجه الحراري الذاتي عسير الرصد للغاية. لكن الغبار يترك أيضًا علامات على ضوء النجوم الذي يعبره، وإحدى هذه العلامات بليغة الدلالة على نحو خاص.

انخفاض في الأشعة فوق البنفسجية

في درب التبانة، يُعتِم الغبار الضوء فوق البنفسجي مع «نتوء» (bump) عريض مركزه قرب 2,175 أنغستروم: انخفاض في الطيف، وهو أقوى سمة في منحنى الخمود (extinction curve) لمجرتنا. ويُعزى على نطاق واسع إلى حبيبات أو جزيئات صغيرة غنية بالكربون، وإن كان تحديدها بدقة لا يزال موضع جدل — فمن بين المرشحين حبيبات الغرافيت الصغيرة والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs) والكربون غير المتبلور. وعلى امتداد خطوط نظر مختلفة في درب التبانة، يتفاوت عرض النتوء وقوته، لكن موضعه المركزي ثابت على نحو لافت.

دفع تلسكوب ويب البحث إلى الكون المبكر. فقد جاء رصد بارز في مجرة عند انزياح نحو الأحمر قدره 6.71، بعد نحو 800 مليون سنة من الانفجار العظيم، بنتوء تبلغ ذروته نحو 2,263 Å — أكثر احمرارًا منه في درب التبانة. وآخر، عند انزياح نحو الأحمر 7.11، تبلغ ذروته 2,257 Å. وفي المتوسط، يبدو أن النتوء يضعف كلما عدنا إلى أزمنة أبكر.

مجرة عند انزياح نحو الأحمر 9.33

راجعت جوليا روديغييرو (Giulia Rodighiero)، من جامعة بادوفا والمعهد الوطني الإيطالي للفيزياء الفلكية (INAF)، ونحو خمسين مؤلفًا مشاركًا في أوروبا والأمريكتين وآسيا، أطياف جهاز NIRSpec على تلسكوب ويب من برنامجين منسَّقين، ZENITH وEMBER. فحصوا مصادر يتجاوز انزياحها نحو الأحمر 8، حيث تكون منطقة 2,175 Å مغطّاة، من دون انتقاء ما أظهر منها نتوءًا مسبقًا. وبرز مصدر واحد. يسمّونه اللؤلؤة السوداء — ولا تذكر الورقة السبب.

تضعها خطوط انبعاث الهيدروجين والأكسجين عند انزياح نحو الأحمر قدره 9.3335، فنراها كما كانت بعد نحو 500 مليون سنة من الانفجار العظيم. إنها مجرة صغيرة نسبيًا، كتلتها النجمية نحو 10^8.35 من كتل الشمس، تكوّن ما يعادل نحو 2.4 كتلة شمسية من النجوم سنويًا، وهي من أشد المجرات سطوعًا في الأشعة فوق البنفسجية المؤكَّدة طيفيًا بعد الانزياح نحو الأحمر 9.

طريقتان لرؤية الانخفاض نفسه

يُظهر طيفها انخفاضًا عريضًا في الموضع الذي يُتوقَّع فيه نتوء الغبار تمامًا. وقد قاسه الفريق بطريقتين مستقلتين.

الأولى مباشرة: مطابقة المتصل فوق البنفسجي (continuum) بمنحنى أملس وقياس الإعتام الإضافي. يُرصد الانخفاض بدلالة 17.6 سيغما، وإضافة منحنى على شكل نتوء تحسّن المطابقة تحسينًا هائلًا (إذ تنخفض قيمة χ² من 474 إلى 8.2). وتبلغ ذروة المنحنى 2,132 ± 17 Å، بعرض 413 ± 54 Å وإعتام أقصى قدره 0.21 قدر. وتستبعد الاختبارات أن يكون السبب خط انبعاث كربونيًا قريبًا أو مزيجًا من خطوط غير مفصولة.

والثانية بنموذج كامل للمجرة — النجوم والغاز والغبار والقياس الضوئي — باستخدام قانون غبار مرن يكون فيه موضع النتوء وعرضه حرّين. ويستعيد كلا تاريخَي تكوّن النجوم المختبرَين نتوءًا، عند نحو 2,147 و2,168 Å، يتسق مع القياس المباشر وإن كان أقل دقة.

هل يمكن أن يكون ثقب أسود هو من يزيّف ذلك؟ فالنواة النشطة قد تنتج غابة من خطوط الحديد تحاكي الانخفاض. تشير خطوط الانبعاث إلى حقل إشعاعي صلب وتترك مجالًا لمساهمة ما من نواة، لكن ليس لنواة قوية بما يكفي لتهيمن على الأشعة فوق البنفسجية. ويرجّح المؤلفون الغبار، مع الإشارة إلى أن نواة «قد تكون كبيرة أيضًا» لا يمكن استبعادها قطعيًا.

انزياح في الاتجاه الخاطئ

يتطابق العرض مع عرض نتوء درب التبانة. أما الموضع فلا: فهو أزرق بـ43 Å من متوسط مجرتنا، بدلالة نحو 2.5 سيغما، وأزرق بنحو 127 Å من النتوءين المعروفين حول الانزياح نحو الأحمر 7، وهما منزاحان نحو الأحمر. ويرى المؤلفون في هذا التنوع حجة ضد وجود نتوء كوني واحد في الكون المبكر: فحبيبات الغبار المسؤولة عنه اختلفت على الأرجح من مجرة إلى أخرى.

ما هي إذن؟ تقترب الحسابات الخاصة بـأصغر حبيبات الغرافيت من منحنى اللؤلؤة السوداء، على خلاف الحالة السابقة عند الانزياح نحو الأحمر 6.71. ويمكن لبعض جزيئات الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات المنفردة أن تحاكيه أيضًا — لكن هذه الجزيئات نادرة في المجرات الفقيرة بالمعادن عند انزياحات أدنى، وقد يدمّر الإشعاع الشديد المستنتَج هنا أصغرها. ويبقى الاحتمالان معقولين.

غبار في 200 مليون سنة

الساعة المعتبرة ليست الـ500 مليون سنة منذ الانفجار العظيم، بل الزمن منذ أن بدأت المجرة تكوين النجوم. فإن كان ذلك قد بدأ قرابة الانزياح نحو الأحمر 14، فقد توفّر نحو 200 مليون سنة. وقد تكون المستعرات العظمى، ونموّ الحبيبات بين النجوم، وربما نجوم الفرع العملاق المقارب (AGB) الأسرع تطورًا، قد أسهمت؛ أما مقدار إسهام كلٍّ منها فلا يزال مسألة مفتوحة.

إنها مجرة واحدة، وانزياح نتوئها لا يبلغ دلالته إلا نحو 2.5 سيغما، ومنحنيات التوهين لا تقابل أنواع الحبيبات مقابلة فريدة. وقد قُدِّمت الورقة إلى مجلة ApJ. ورسالتها أن شكل النتوء، لا مجرد وجوده، بات يتيح تتبّع الكيفية التي تكوّن بها الغبار الأول.