إشارة عمرها 13 مليار سنة يمكن أن تكشف أخيراً عن النجوم الأولى

يكشف علماء الفلك عن طرق جديدة لدراسة النجوم الأولى في الكون، وهي أجسام بعيدة جدًا وباهتة بحيث لا يمكن مراقبتها مباشرة، وذلك من خلال فحص الإشارة الراديوية القديمة التي يبلغ طولها 21 سم والتي خلفتها ذرات الهيدروجين بعد وقت قصير من ظهورها. الانفجار العظيم.

إن فهم كيفية تحول الكون من الظلام الدامس إلى التوهج الأول لضوء النجوم يمثل معلمًا رئيسيًا في التاريخ الكوني، وهي فترة تُعرف باسم الفجر الكوني. ومع ذلك، فحتى التلسكوبات الأكثر تقدمًا اليوم لا يمكنها التقاط هذه النجوم المبكرة بشكل مباشر، مما يجعل الكشف عن خصائصها الأساسية إحدى أصعب مهام علم الفلك.

لقد أثبت فريق من الباحثين الدوليين بقيادة جامعة كامبريدج الآن أنه يمكن العثور على أدلة حول كتل هذه النجوم الأولى في إشارة راديو معينة. يتم إنتاج الإشارة بواسطة ذرات الهيدروجين التي ملأت الفضاء بين مناطق تشكل النجوم المبكرة، والتي نشأت بعد حوالي مائة مليون سنة فقط من الانفجار الكبير.

ومن خلال دراسة كيفية تغيير النجوم الأقدم وبقاياها لهذه الإشارة، المعروفة باسم إشارة 21 سنتيمترًا، أظهر العلماء أن المراصد الراديوية القادمة لديها القدرة على الكشف عن كيفية تطور الكون الشاب من سحابة موحدة تقريبًا من الهيدروجين إلى الكون الغني بالهيكل الذي نراه اليوم. تظهر النتائج في المجلة علم الفلك الطبيعة.

وقالت البروفيسورة أناستاسيا فيالكوف، المؤلفة المشاركة من معهد كامبريدج لعلم الفلك: “هذه فرصة فريدة لمعرفة كيفية ظهور أول ضوء للكون من الظلام”. “إن الانتقال من عالم بارد ومظلم إلى عالم مليء بالنجوم هو قصة بدأنا للتو في فهمها.”

يعتمد البحث في الجيل الأول من النجوم في الكون على توهج خافت للغاية يبلغ قطره 21 سم، وهو شكل قديم من أشكال الطاقة سافر لأكثر من 13 مليار سنة. ونظرًا لأن هذه الإشارة تتشكل بواسطة الإشعاع الصادر عن النجوم المبكرة والثقوب السوداء، فإنها توفر إحدى الطرق القليلة التي يمكن للعلماء من خلالها استكشاف الكون خلال مراحله الأولى.

REACH وSKA والبحث عن ضوء النجوم القديم

يقود فيالكوف المجموعة النظرية لـ REACH (التجربة الراديوية لتحليل الهيدروجين الكوني). REACH هو هوائي راديوي وهو أحد مشروعين رئيسيين يمكن أن يساعدونا في التعرف على الفجر الكوني وعصر إزالة التأين، عندما أعادت النجوم الأولى تأين ذرات الهيدروجين المحايدة في الكون.

وعلى الرغم من أن برنامج REACH، الذي يلتقط إشارات الراديو، لا يزال في مرحلة المعايرة، فإنه يعد بالكشف عن بيانات حول الكون المبكر. وفي الوقت نفسه، ستقوم مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA) – وهي مجموعة ضخمة من الهوائيات قيد الإنشاء – برسم خريطة للتقلبات في الإشارات الكونية عبر مناطق واسعة من السماء.

كلا المشروعين لهما أهمية حيوية في فحص الكتل واللمعان وتوزيع النجوم الأولى في الكون. في الدراسة الحالية، طورت فيالكوف – وهي أيضًا عضو في SKA – ومعاونوها نموذجًا يقوم بتنبؤات لإشارة 21 سنتيمترًا لكل من REACH وSKA، ووجدوا أن الإشارة حساسة لكتلة النجوم الأولى.

قال فيالكوف، وهو أيضًا عضو في معهد كافلي لعلم الكونيات في كامبريدج: “نحن أول مجموعة تضع نموذجًا ثابتًا لاعتماد إشارة 21 سم لكتل ​​النجوم الأولى، بما في ذلك تأثير ضوء النجوم فوق البنفسجي وانبعاثات الأشعة السينية الصادرة عن ثنائيات الأشعة السينية الناتجة عندما تموت النجوم الأولى”. “هذه الأفكار مستمدة من عمليات المحاكاة التي تدمج الظروف البدائية للكون، مثل تركيبة الهيدروجين والهيليوم التي أنتجها الانفجار الكبير.”

وفي تطوير نموذجهم النظري، درس الباحثون كيفية تفاعل الإشارة ذات الـ 21 سنتيمترًا مع التوزيع الشامل للنجوم الأولى، المعروفة باسم نجوم السكان III. ووجدوا أن الدراسات السابقة قللت من أهمية هذا الارتباط لأنها لم تأخذ في الاعتبار عدد وسطوع ثنائيات الأشعة السينية – وهي أنظمة ثنائية مكونة من نجم عادي ونجم منهار – بين نجوم المجموعة الثالثة، وكيف تؤثر على إشارة 21 سنتيمترًا.

نظرة إحصائية للنجوم الأولى

على عكس التلسكوبات البصرية مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي، والتي تلتقط صورًا حية، يعتمد علم الفلك الراديوي على التحليل الإحصائي للإشارات الخافتة. لن تتمكن REACH وSKA من تصوير النجوم الفردية، ولكنها ستوفر بدلاً من ذلك معلومات حول مجموعات كاملة من النجوم، وأنظمة الأشعة السينية الثنائية، والمجرات.

وقال فيالكوف: “يتطلب الأمر القليل من الخيال لربط بيانات الراديو بقصة النجوم الأولى، لكن الآثار المترتبة عميقة”.

قال المؤلف المشارك الدكتور إيلوي دي ليرا أسيدو، الباحث الرئيسي في تلسكوب REACH والباحث الرئيسي في كامبريدج لأنشطة تطوير SKA: “إن التنبؤات التي ننشرها لها آثار كبيرة على فهمنا لطبيعة النجوم الأولى في الكون”. “لقد أظهرنا أدلة على أن تلسكوباتنا الراديوية يمكن أن تخبرنا بتفاصيل حول كتلة تلك النجوم الأولى وكيف أن هذه الأضواء المبكرة ربما كانت مختلفة تمامًا عن نجوم اليوم.

“تعد التلسكوبات الراديوية مثل REACH بكشف أسرار الكون الوليد، وهذه التنبؤات ضرورية لتوجيه عمليات الرصد الراديوي التي نقوم بها من كارو، في جنوب أفريقيا.”

المرجع: “تحديد التوزيع الشامل للنجوم الأولى من إشارة 21 سم” بقلم T. Gessey-Jones، وNS Sartorio، وHTJ Bevins، وA. Fialkov، وWJ Handley، وE. de Lera Acedo، وGM Mirouh، وRG Izzard وR. Barkana، 20 يونيو 2025، علم الفلك الطبيعة.
DOI: 10.1038/s41550-025-02575-x

تم دعم البحث جزئيًا من قبل مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا (STFC)، وهو جزء من المملكة المتحدة للبحث والابتكار (UKRI). أناستاسيا فيالكوف هي زميلة كلية المجدلية، كامبريدج. إلوي دي ليرا أسيدو هو زميل STFC إرنست روثرفورد وزميل كلية سيلوين، كامبريدج.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.