الالتهام المَجَري

الكتلة المخفية

المجرات القزمة

إن «سيجواي ١» ليست المجرة القزمة الوحيدة الموجودة بالقرب من مجرتنا. فمجرة درب التبانة جزءٌ من مجموعة مجراتٍ تسمى المجموعة المحلية، تمتد حوالي ١٠ ملايين سنة ضوئية. تتميز المجرات بأشكال وأحجام مختلفة، ولذا يمكننا تقسيمها إلى مجموعات مورفولوجية متعددة. على سبيل المثال، هناك مجرات حلزونية، وإهليلجية، وحلزونية ضلعية، ومجرات غير منتظمة الشكل. فالمجموعة المحلية أشبه بـ «حديقة من المجرات»، حيث تحتوي على عدد لا بأس به من الأنواع المختلفة. أكبر ثلاث مجرات هي بالترتيب: أندروميدا، ودرب التبانة، ومجرة المثلث، وهي أيضًا المجرات الحلزونية الوحيدة في المجموعة المحلية. ربما تكون قد سمعت عن سحابة ماجلان الكبرى وسحابة ماجلان الصغرى، اللتين تحتلان المركز الرابع والسادس من حيث الحجم في المجموعة المحلية، ولكن بصرف النظر عنهما، من غير المحتمل أن تكون قد صادفت المجرات الأخرى. من الصعب تحديد متى تكون المجرة صغيرة بما يكفي لوصفها بأنها «قزمة»، تمامًا كما هو الحال عند وصف شخص ما بأنه «قصير القامة» حيث لا يوجد تعريف دقيق لهذا الأمر. قد نذهب على الفور إلى أنه يمكننا وصف أي شخص أقصر من متوسط الطول المتعارف عليه بأنه قصير القامة، وأي شخص أطول من ذلك بأنه طويل القامة. لا يمكننا بالتأكيد تطبيق ذلك على مجراتنا؛ لأن المجرات القزمة هي في الواقع أكثر المجرات عددًا في الكون، ومن ثَمَّ فإن التسمية غير عادلة بعض الشيء. حريٌّ بنا في واقع الأمر أن نطلق على المجرات القزمة اسم «المجرات»، بينما نطلق على المجرات الكبيرة مثل مجرة درب التبانة اسم «المجرات الضخمة» أو ما شابه ذلك، ولكن مَن أنا حتى أناقش أمرًا كهذا. على أي حال، عادةً ما تحتوي المجرات القزمة على بضعة مليارات من النجوم كحد أقصى، مقارنةً بمئات المليارات من النجوم الموجودة في درب التبانة، ولذا فهي أصغر حجمًا بكثير وأقل سطوعًا.

أهم المجرات القزمة المثيرة لاهتمامنا هي المجرات الكروية القزمة، والمجرات القزمة الفائقة الخفوت التي تُعد أقل المجرات القزمة سطوعًا على الإطلاق. على الرغم من أن المجرات الكروية القزمة فقيرة في الغاز، فإنها تتسم بدرجة كبيرة من السطوع؛ بحد أقصى حوالي ٢٠ مليون مرة من درجة سطوع الشمس وحد أدنى بضعة آلاف فقط. في المقابل تتسم أندروميدا بدرجة سطوع تُقدر ﺑ ١٠ مليارات مرة من درجة سطوع الشمس. تكشف عمليات رصد المجرات الكروية القزمة أن مخزونها من الغاز لم يستمر لفترة كافية لتكوين العديد من النجوم الغنية بالمعادن التي نراها تتشكل اليوم. يمكننا إلقاء نظرة على هذه المجرات القزمة ودراسة النجوم بالطريقة نفسها التي ندرس بها النجوم في الهالة النجمية في علم الآثار النجمي. فكلما قلَّت درجة سطوع المجرة الكروية القزمة التي ندرسها، قلَّت معدنية النجوم بداخلها. ويعد البحث عن المجرات القزمة الأقل سطوعًا طريقة مركَّزة للبحث عن النجوم الأقل مَعدنية، ويتميز مجال علم آثار المجرات القزمة بأجواء يخالطها قدر كبير من التفاؤل والإثارة. يمثل علم الآثار النجمي وعلم آثار المجرات القزمة نهجَين متكاملَين. فعلماء آثار النجوم ينقبون عن القطع الأثرية المهمَلة، ويبحثون في عليَّة درب التبانة. في المقابل، يبحث علماء آثار المجرات القزمة عن بيئاتٍ غير مضطربة. ويقدم كلاهما أنواعًا مختلفة من المعلومات، ويعملان معًا لحل لغز النجوم الأولى. تتمتع المجرات القزمة بالمقومات التي يمكن أن تجعل منها أقدم مثال للمجرات في كوننا. ولذلك، إذا تمكَّنا من العثور على مجرة قزمة تُركت وشأنها حتى نفد غازها — ومن ثَمَّ لم تسنح الفرصة لتطور ما تحتويه من نجوم — يكون قد توفرت لدينا بيئة نقية لتكوُّن نجوم الجمهرة الثالثة.

الالتهام المَجَري

تعريف المجرة القزمة

نظرًا إلى عملية الالتهام المجري، من المرجح أن تكون المجرات القزمة كبيرة في السن، ويمكن أن تكون بقايا اللبنات الأساسية الأولى لتكوين المجرات الهرمي، إذا تمكَّنا من العثور عليها. لا يزال الكثير من المجرات القزمة مجراتٍ بالمعنى الصريح للكلمة مقارنةً بالعناقيد الكروية، وذلك على الرغم من صغر حجمها مقارنةً بمجراتٍ مثل مجرتنا. في البداية، كان من السهل التمييز بين العناقيد الكروية والمجرات. إذ كانت الأولى صغيرة ومعتمة، بينما كانت الأخيرة أكثر سطوعًا وأكبر حجمًا. وكان من الممكن التمييز بين المجموعتَين عند تمثيلهما على رسم بياني يوضح درجة سطوع كل منهما مقابل حجمَيهما. ومع تطوُّر تلسكوباتنا وتمكُّنها من رصد المجرات القزمة الفائقة الخفوت، تداخلت المجموعتان، ومن ثَمَّ أصبح من الصعب معرفة ما إذا كان الهيكل عبارة عن عنقود كروي أو مجرة قزمة بِناءً على الحجم والسطوع فقط.

لتحديد ما إذا كان الهيكل مجرة قزمة أم لا، علينا أن نبحث عن أمرَين. أولًا، علينا أن نقيس سرعاتَ النجوم. فعند الدوران حول كتلة مركزية، يتناسب نطاقُ السرعات التي تتحرك بها النجوم مع كمية الكتلة في المجرة، سواء للمادة الباريونية العادية أو المادة المظلمة. ومن خلال تتبع سرعات النجوم، يمكننا تقدير كتلة المجرة. كما يمكننا تقدير كتلة المجرة عن طريق قياس كتلتها المضيئة. وبهذه الطريقة، نتوصل إلى تقديرين للكتلة: تقدير ديناميكي أو حركي، وتقدير باريوني. ولكي تكون المجرة مجرة قزمة، يجب أن تكون الكتلة الديناميكية أكبر بكثير من التقدير الباريوني، وهو ما نستدل منه على وجود مادة مظلمة. فالفارق في تقديرات الكتلة هو أول علامة مميزة للمجرة القزمة. ويعتبر فرق قيم نسبة المعادن في النجوم ثاني علامة مميزة. فعند انفجار نجم، يمكن أن تُطرد المعادن خارج نظام صغير مثل العنقود الكروي إذا كانت جميع قوى جاذبية النظام صغيرة بما فيه الكفاية. وفي حالة المجرات القزمة، يضمن المكون الإضافي لهالة المادة المظلمة الحفاظَ على بعض المواد المنبثقة من انفجار المستعر الأعظم أو جميعها لاستخدامها في الأجيال اللاحقة من النجوم. وهذا يجعل تلك الأجيال الجديدة أكثر تنوعًا من حيث نسبة المعادن مقارنةً بأسلافها، ويخلق نطاقًا من قيم المعادن أكبر من تلك الموجودة في العناقيد الكروية.

المجرات الأولى

كيمياء المجرة القزمة

علم آثار المجرات القزمة

شكل ٨-١: زاد عدد المجرات القزمة المعروفة مؤخرًا زيادة كبيرة، حيث تضاعف مرتَين بسبب مسحَين نُفِّذا مؤخرًا، مسح سلون الرقمي للسماء ومسح الطاقة المظلمة. يمكننا أن نتوقع تضاعفًا آخر قريبًا، عند بدء استخدام تلسكوب المسح الشامل الكبير. اعتمد هذا الشكل على بيانات من بحث سيمون وآخرين، ٢٠١٩.‏²¹

يشبه هذا الوضع الموازنة. فإذا استهدفنا المجرات القزمة الأصغر حجمًا، فسنجد نسبة أكبر من النجوم الناجية من الجمهرة الثالثة، ولكن ستقل فرص وجود عملاق أحمر يمكن رصده بينها نظرًا إلى قلة أعداد النجوم المَعنية. وفي المقابل، إذا استهدفنا المجرات الأعلى كتلة، فبينما نتوقع أن يوجد مزيد من العمالقة الحمراء من نجوم الجمهرة الثالثة، فإن نسبة النجوم الناجية من الجمهرة الثالثة منخفضة، ولذا علينا البحث في نجوم كثيرة كي نتمكن من اكتشافها. ومن ثَمَّ، قد تكمن أفضل استراتيجية في الموازنة بين الأمرين.

مختبرات المادة المظلمة على مستوى المجرة

قد لا تكون «سيجواي ١» المكان الأفضل للبحث عن النجوم الأولى، لكن هذا لا يعني أنه لا فائدة من دراستها. فقد كان حجمها أحد أسباب تسليط الضوء عليها؛ والسبب الآخر هو ما تحتويه من نسبة عالية من المادة المظلمة. المجرات القزمة الفائقة الخفوت مثل «سيجواي ١» هي أقرب هالات للمادة المظلمة إلينا، مما يجعلها أهدافًا أسهل لتجارب الكشف غير المباشر عن المادة المظلمة. والمادة المظلمة، كما ذكرنا في الفصل الخامس، هي المكون الغامض في كوننا، والذي لا يتفاعل مع الضوء. ولم يُستدل حتى الآن على وجودها إلا من خلال تأثيرات الجاذبية على المناطق المحيطة بها. على سبيل المثال، يؤدي وجود المادة المظلمة في إحدى المجرات إلى تحرك النجوم حول النواة المركزية بمعدل سرعة أعلى من المتوقع. وفي الوضع المثالي، يمكننا اكتشاف المادة المظلمة مباشرةً، وإنتاج أو احتجاز ذرة أو جزيء من المادة لإجراء مزيد من الدراسات عليها. ولكن نظرًا إلى ضعف تفاعل المادة المظلمة مع المادة العادية أو انعدامه، اضطررنا إلى انتهاج أسلوب غير مباشر لاكتشاف أكبر قدر منها، كالاستدلال على وجودها من خلال الجاذبية، على سبيل المثال. وللقيام بذلك، نحتاج إلى مختبرات في السماء حيث يمكننا تجربة فرضياتنا وتضييق نطاق الاحتمالات حول ماهية المادة المظلمة وسلوكها. ونظرًا إلى تضاؤل وتيرة تكوُّن النجوم، فإن تأثيراتها على هالات المادة المظلمة في المجرات القزمة الفائقة الخفوت كانت ضعيفة، مما ساعد في الحفاظ على هالات المادة المظلمة سليمةً بمنأى عن أي اضطرابات. وبهذا، توفر المجرات القزمة الفائقة الخفوت بيئة اختبار مثالية.

المجرات القزمة المفقودة

المجرات الصغيرة والمسائل الكونية

أحبُّ دورهام حبًّا جمًّا، مثل شعور معظم الطلاب تجاه مدنهم الجامعية، وأستشهد على ذلك بما قاله كاتب أدب الرحلات بيل برايسون في كتابه «ملاحظات من جزيرة صغيرة»: «دعني أقولها صراحةً الآن: إذا لم يسبق لك زيارة دورهام من قبل، فاذهب فورًا. خذ سيارتي. إنها رائعة.» ومن أجمل معالم دورهام كاتدرائيتها التي تقع على تلة مرتفعة تشرف على المدينة الصغيرة. وبينما كنت جالسة في حفل تخرجي في تلك الكاتدرائية، أخبرنا رئيس الجامعة آنذاك بيل برايسون كيف أن كل حجر في الكاتدرائية قد استُبدل في مرحلة ما من عمرها الذي دام ألف عام. لقد خضعت الكاتدرائية لأعمال تجديد وتطوير. ويدهشني أحيانًا أن المجرات الكبيرة التي نراها حولنا تفعل الشيء نفسه. فقد تبدو وكأنها كياناتٌ ضخمة صلبة لا تتغير، تجمَّعت في الماضي السحيق، لكنها في الواقع تتطوَّر حتى يومنا هذا. فالنجوم التي نراها في هذه المجرات ليست هي النجوم التي كانت موجودة عندما تشكَّلت المجرة. ربما يوجد نجم قديم وحيد مختبئ بين النجوم البديلة الجديدة، لكن العثور على هذا النجم ليس بالمهمة السهلة. وعلى مدى مليارات السنين، ربما يكون هيكل المجرة قد تغير كليًّا لدرجة أنه أصبح من الصعب التعرف عليها. عندما ننظر إلى المجرات من حولنا، فإن التنوع المذهل الذي نراه يشير إلى عدد من السيناريوهات التاريخية المحتملة؛ إذ يبدو الأمر كما لو أن شخصًا ما قد استبدل أحجار الكاتدرائية بلون ونمط وحجم عشوائي. هل من الممكن أن تظل إحدى المجرات الأولى في مكان ما في هذه المجموعة، بعد أن تجنبت جميع عمليات الاندماج، ومنعت بطريقة ما التطور المستمر الذي فرضه تكوُّن النجوم، وتحايلت على جميع الأحداث الكارثية التي قد تجبرها على التبدُّد؟ يبدو أن «سيجواي ١» هي الدليل على أنه على الرغم من الاضطرابات التي تعرض لها الكون المبكر، فما زال هناك بعض الناجين بين الأنقاض. ومع تطور درجة حساسية التلسكوبات، سنكتشف مزيدًا من المجرات الأحفورية وربما نعثر بداخلها على أحد النجوم الأولى.

•••

يُقال إن أفضل الأشياء وأقيمها لا تأتي في عبواتٍ كبيرة. وفيما يبدو، ينطبق هذا حقًّا في حالة المجرات القزمة. لقد عرفنا منذ زمن طويل بوجود المجرات القزمة، تلك التي تحتوي على هالة من المادة المظلمة وبضعة ملياراتٍ من النجوم على الأكثر، لكنها كانت ساطعة وقليلة العدد. في العقدَين الأخيرين، ازدادت أعداد المجرات القزمة المعروفة، وتضاعفت مع كل مسح جديد. تحيط بمجرة درب التبانة مجراتٌ قزمة، وهي بقايا عملية تكوُّن الهياكل الهرمية، حيث تشكَّلت المجرات الأكبر من اندماج الهياكل الأصغر. وقد تكون أصغر المجرات القزمة من المجرات الأقل تطورًا في الكون، والتي تحتوي على نجوم الجمهرة الثالثة. فنحن نعتقد أن المجرات الأولى كانت تحتوي بالفعل على نجوم الجمهرة الثانية، التي تشكلت من هالات متعددة من نجوم الجمهرة الثالثة السريعة التطور. وعليه، من غير الواضح السبب وراء اختيار استهداف أصغر المجرات في البحث عن نجم خالٍ من المعادن، حيث تقل فرص وجود أي من تلك النجوم القليلة في حالة يمكن رصدها. وبصرف النظر عن قيمتها في الفيزياء الفلكية، فقد تبيَّن أن المجرات القزمة الفائقة الخفوت هي أكثر الأنظمة المعروفة التي تهيمن عليها المادة المظلمة، وقد حوَّلت تجارب فيزياء الجسيمات أنظارها إلى محاولة اكتشاف جسيم المادة المظلمة المحيِّر. من المقرر أن تنطلق تجارب أكثر حساسية قريبًا، وبهذا سيحصل علماء آثار المجرَّات القزمة على كم هائل من البيانات. وسيتعين عليهم اختيار أهدافهم بعناية للمتابعة الطيفية والتحلي بالصبر أمام العديد من الخرائط التي تحتوي جميعها على علامات تشير إلى اكتشافات جديدة.

في يوليو ٢٠١٩، حظيتُ بشرف العودة إلى دورهام لحضور مؤتمر حول المجرات القزمة بعنوان «المجرات الصغيرة، والمسائل الكونية». في الواقع إنني أحضر الكثير من المؤتمرات، ولكن نظرًا إلى أننا نميل إلى البقاء ضمن تخصصاتنا الصغيرة، فمن النادر أن نحضر مؤتمرًا لا نعرف فيه أحدًا. فعادةً ما ترى الخمسين شخصًا عينهم لبقية حياتك المهنية. في هذا المؤتمر، كنت دخيلة عليهم من مجال الكون المبكر، أحاول أن أستكشف موضوعًا كنت قد انخرطت فيه توًّا، ومن ثَمَّ لم أكن أعرف سوى شخصَين هناك. كان من الرائع حقًّا الاطلاع على مجال مختلف والالتقاء بمجموعة مختلفة من الباحثين. لقد بدأ هذا المجال للتو، ومن ثَمَّ يوجد العديد من فروع البحث التي يمكن استكشافها. وفي إحدى الجلسات أذهلني أن نبرة الخطاب كانت خالية من أي إلحاح. في مجال تخصصي المتعلق باكتشاف خط الانزياح الأحمر العالي الذي يبلغ طوله الموجي ٢١سم (الذي سنناقشه لاحقًا)، نوشك على التوصُّل إلى اكتشاف طال انتظاره، ورغم أننا نتنافس على الوصول، فنحن على استعداد للتحلي بالصراحة والعمل معًا من أجل تذليل العقبات العديدة التي تعترض طريقنا. نشعر دائمًا بأننا في عجلة من أمرنا، وأننا لا نملك ما يكفي من الوقت أو الأشخاص للإجابة عن جميع الأسئلة. على النقيض، لم أشعر بالقدر نفسه من الإلحاح أو التوتر في هذا المؤتمر. بل عوضًا عن ذلك، ساد جو من الاسترخاء، وحماسة مفعمة بالاطمئنان، مثل طفل لديه كومة من الهدايا المفتوحة لا يعرف بأي منها سيلعب أولًا. لقد أذهلتني أيضًا الطريقة التي عُرضت بها المشكلات بوصفها فرصًا للتعلم (على سبيل المزاح). اقترح أحد الحضور أن وظيفة العقل لا يفترض أن تكون حل هذه المشاكل، بل خلق المزيد منها، لاكتشاف المزيد من الأشياء التي لسنا على دراية بها عن المجرات القزمة. حتى لحظة ذهابي إلى هذا المؤتمر، لم أكن أستوعب علاقة ذلك بعلم آثار المجرات القزمة. واكتشفتُ أنني لم أكن بالدخيلة على نادٍ مترابط الأعضاء. بل بدلًا من ذلك، كنت أواجه مجتمعًا جديدًا يتكوَّن من عائلاتٍ متعددة. كان بين الحضور علماء فيزياء الجسيمات الذين تحدوهم الرغبة في استكشاف المجرات القزمة بحثًا عن المادة المظلمة. وكان هناك أيضًا علماء آثار النجوم المتحمسين لإيجاد العديد من المواقع التي تقدم مزيدًا من الفرص للبحث عن نجمهم الثمين الخالي من المعادن. وكان هناك علماء فلك مختصون بمجال تكوُّن المجرات لاستخدام هذه اللبنات الصغيرة وتوظيفها في فهم كيفية تشكُّل المجرات الضخمة التي نراها اليوم. وكان هناك علماء فلك آخرون مختصون بمجال الكون المبكر مثلي، وقد اقترحوا أن المجرات القزمة الأصغر سنًّا التي تتشكل بها النجوم يمكن استخدامها كنظائر للمجرات الأولى التي تتشكل بها النجوم في كوننا. ومع ذلك، في ظل كل هذه المناقشات، لم يُذكر إلا القليل عن «سيجواي ١»، التي كنت أعتقد أنها ستكون الموضوع الرئيسي للنقاش. لقد تلاشت حماسة العثور على أول مجرة أحفورية، وكان علماء الفلك يبحثون بالفعل عن مجرات مرشحة أخرى، ويخططون لمزيد من عمليات الرصد بسعادة. هذا لا يعني أن دراسة «سيجواي ١» غير ذات صلة. بل على العكس تمامًا. ذلك أن «سيجواي ١» هي أول مجرة أحفورية ولكنها ليست الأخيرة بأي حال من الأحوال، والتقنيات التي استخدمناها لتحديد طبيعتها قابلة للتطبيق على نطاق واسع. إن علم آثار المجرات القزمة مجال بدأ للتو في ترسيخ مكانته. وهو يتألف من مجموعاتٍ صغيرة من الموضوعات، تدور جميعها حول هدف واحد: الكشف عن هذه الحفريات الصغيرة واستخدامها كمختبراتٍ لفهم الكيفية التي تشكَّل بها كوننا.

هوامش