تلسکوپ فضایی جیمز وب و آلما هسته دورترین پیش خوشه کهکشانی را ثبت کردند!!

اعتبار: دانشگاه تسوکوبا

مطالعه چگونگی تولد و مرگ ستارگان منفرد در کهکشانها، چگونگی تولد ستارگان جدید از بقایای ستارگان قدیمی و چگونگی رشد خود کهکشانها موضوعات مهمی در نجوم هستند، زیرا بینشی از ریشه‌های ما در جهان ارائه می‌دهند. خوشه‌های کهکشانی، یکی از بزرگترین ساختارهای جهان، مجموعه بیش از 100 کهکشان هستند که از طریق نیروی گرانشی متقابل به یکدیگر متصل شده‌اند.

مشاهدات کهکشانهای نزدیک نشان داده است که رشد یک کهکشان به محیط آن بستگی دارد، به این معنا که جمعیت‌های ستاره‌ای بالغ معمولاً در مناطقی دیده می‌شوند که کهکشان‌ها به صورت متراکم جمع‌آوری شده‌اند که به عنوان “اثر محیطی” یاد می شود. اگرچه اثر محیطی قطعه مهمی برای درک شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها در نظر گرفته شده است، اما به خوبی مشخص نیست که این اثر از چه زمانی در تاریخ جهان آغاز شد.

یکی از کلیدهای درک این موضوع، مشاهده اجداد خوشه‌های کهکشانی اندکی پس از تولد کیهان است. اینها که به عنوان پیش‌خوشه‌های کهکشانی (از این پس پیش‌خوشه‌ها) شناخته می‌شوند، مجموعه‌هایی از حدود 10 کهکشان دوردست هستند. خوشبختانه، نجوم به ما اجازه می‌دهد تا جهان دور را مانند گذشته مشاهده کنیم. به عنوان مثال، نور یک کهکشان در فاصله 13 بیلیون سال نوری از زمین، 13 بیلیون سال طول می‌کشد تا به زمین برسد، بنابراین آنچه که اکنون مشاهده می‌کنیم این است که آن کهکشان در 13 بیلیون سال پیش چه شکلی بوده است.

با این حال، نوری که 13 میلیارد سال نوری را طی می‌کند، کم‌نورتر می‌شود، بنابراین تلسکوپ‌هایی که آن را رصد می‌کنند باید حساسیت و وضوح فضایی بالایی داشته باشند.

(سمت چپ) برداشت هنری از پیش خوشه A2744ODz7p9 که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب و آلما آشکار شد. (راست) برداشت هنرمند از آنچه که “منطقه کلان شهر” ده ها میلیون سال پس از زمان مشاهده شده به چه چیزی تبدیل خواهد شد. اعتبار: NAOJ

یک تیم تحقیقاتی بین المللی به سرپرستی استادیار تاکویا هاشیموتو (دانشگاه تسوکوبا، ژاپن) و محقق خاویر آلوارز مارکز (مرکز اخترزیست شناسی اسپانیا) از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST، رصد نور مرئی و فروسرخ) و میلی متر بزرگ آتاکاما استفاده کرده است. آرایه زیر میلی‌متری (ALMA، مشاهده امواج رادیویی) برای مطالعه “منطقه هسته” پروتوکلاستر A2744z7p9OD.

پیش خوشه A2744z7p9OD بر اساس مشاهدات با جیمزوب توسط یک گروه تحقیقاتی دیگر به عنوان دورترین پیش خوشه در فاصله 13.14 بیلیون سال نوری از ما اعلام شد. “با این حال، ما نتوانسته‌ایم کل منطقه هسته، منطقه شهری، با بیشترین تعداد کاندیدای کهکشانی در این پیش خوشه را مشاهده کنیم. مشخص نبود که آیا اثرات زیست محیطی کهکشانها در این پیش خوشه آغاز شده است یا خیر. بنابراین تصمیم گرفتیم تمرکز کنیم.

تیم تحقیقاتی ابتدا با استفاده از جیمزوب ناحیه هسته این پروتوکلاستر را مشاهده کردند. این تیم با استفاده از NIRSpec، ابزاری که طیف‌ها را در طول موج‌های مرئی تا فروسرخ نزدیک مشاهده می‌کند، مشاهدات طیف‌سنجی میدانی یکپارچه را انجام داد که می‌تواند به طور همزمان طیف‌ها را از همه مکان‌های درون میدان دید به دست آورد.

این تیم با موفقیت نور اکسیژن یونیزه شده ([OIII] 5008 Å) را از چهار کهکشان در یک منطقه چهارضلعی با اندازه 36000 سال نوری در امتداد یک ضلع شناسایی کردند  که معادل نیمی از شعاع کهکشان راه شیری است،. بر اساس انتقال این نور به سرخ (طول موج در اثر انبساط کیهانی)، فاصله چهار کهکشان از زمین 13.14 میلیارد سال نوری شناسایی شد.

تصویر رنگی پس‌زمینه نقشه‌ای از شدت نور را نشان می‌دهد (رنگ قرمزتر تابش قوی‌تری را نشان می‌دهد) در ناحیه هسته خوشه پیش‌کهکشانی A2744ODz7p9، که با جیمزوب روی NIRCam به دست آمده است. اندازه تصویر با حدود نیمی از شعاع کهکشان راه شیری مطابقت دارد. خطوط (سمت چپ) توزیع نور ساطع شده از اکسیژن یونیزه شده را نشان می‌دهند که با ابزار NIRSpec موجود در جیمزوب به دست آمده است. 4 کهکشان در فاصله 13.14 بیلیون سال نوری از ما شناسایی شدند. (سمت راست) خطوط نشان دهنده توزیع گرد و غبار از سه تا از چهار کهکشان است. دایره سفید در سمت چپ پایین شکل نشان دهنده اندازه پرتو داده‌های آلما است. اعتبار: JWST (NASA، ESA، CSA)، ALMA (ESO/NOAJ/NRAO)، T. Hashimoto و همکاران.

یوما سوگاهارا (Waseda/NAOJ) که تجزیه و تحلیل داده‌های جیمزوب را رهبری کرد، می‌گوید: “وقتی چهار کهکشان را با تشخیص انتشار یون اکسیژن در فاصله تقریباً یکسانی شناسایی کردیم، شگفت زده شدم. “کهکشانهای کاندید” در ناحیه هسته در واقع اعضای دوردستترین پیش خوشه بودند.”

علاوه بر این، تیم تحقیقاتی به داده‌های آرشیوی آلما که قبلاً برای این منطقه به دست آمده بود، توجه کردند. داده‌ها انتشار رادیویی از غبار کیهانی در این کهکشان‌های دور را ضبط می‌کند. در نتیجه تجزیه و تحلیل، آنها انتشار غبار از سه تا از چهار کهکشان را شناسایی کردند.

این اولین کشف انتشار غبار در کهکشان‌های عضو یک پیش‌خوشه در زمان بسیار دور است. تصور می‌شود که غبار کیهانی در کهکشان‌ها توسط انفجارهای ابرنواختری در پایان تکامل ستارگان پرجرم در کهکشان‌ها تامین می‌شود که مواد لازم برای ستاره‌های جدید را فراهم می‌کنند.

بنابراین، وجود مقادیر زیادی غبار در یک کهکشان نشان می‌دهد که بسیاری از ستارگان نسل اول در کهکشان زندگی خود را به پایان رسانده اند و کهکشان در حال رشد است. پروفسور لوئیس کولینا (El Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA)) اهمیت نتایج را توضیح می دهد: “گسیل از غبار کیهانی در کهکشان های عضو پیش خوشه در خارج از منطقه هسته شناسایی نشد. نتایج نشان می دهد که بسیاری از کهکشان‌ها خوشه هستند. در یک منطقه کوچک و رشد کهکشان ها تسریع شده است، که نشان می دهد اثرات زیست محیطی تنها 700 میلیون سال پس از انفجار بزرگ وجود داشته است.

شبیه‌سازی شکل‌گیری کهکشان از آینده هسته A2744z7p9OD. (الف) چگالی گاز در منطقه ای مشابه با پیش خوشه A2744z7p9OD در سن کیهانی 689 میلیون سال. (ب) نمای بزرگنمایی شده از ناحیه هسته در (a)، مربوط به ناحیه مشاهده شده توسط جیمزوب. نقشه رنگی توزیع نور یونهای اکسیژن را نشان می‌دهد. (ب) تا (د) تکامل جسم شبیه‌سازی‌شده را نشان می‌دهد: چهار کهکشان به تدریج ادغام می‌شوند و به یک جرم بزرگتر تبدیل می‌شوند. اعتبار: تی هاشیموتو و همکاران.

علاوه بر این، تیم تحقیقاتی شبیه‌سازی شکل‌گیری کهکشان را برای آزمایش تئوری چگونگی شکل‌گیری و تکامل چهار کهکشان در ناحیه هسته انجام دادند. نتایج نشان داد که حدود 680 میلیون سال پس از انفجار بزرگ منطقه‌ای از ذرات گاز متراکم وجود داشته است. در وسط چهار کهکشان شبیه به منطقه هسته مشاهده شده تشکیل شده است. برای دنبال کردن تکامل این چهار کهکشان، شبیه‌سازی فرآیندهای فیزیکی مانند سینماتیک ستاره‌ها و گازها، واکنش‌های شیمیایی، تشکیل ستاره‌ها و ابرنواخترها را محاسبه کرد.

شبیه‌سازی‌ها نشان داد که چهار کهکشان با هم ادغام می‌شوند و طی چند ده میلیون سال به یک کهکشان بزرگ‌تر تبدیل می‌شوند که مقیاس زمانی کوتاهی در تکامل جهان است.

یورینا ناکازاتو، دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه توکیو که داده‌های شبیه سازی را تجزیه و تحلیل کرد، می‌گوید: ما با موفقیت ویژگی‌های کهکشان‌ها را در ناحیه هسته به دلیل وضوح فضایی بالای شبیه‌سازی‌هایمان و تعداد زیادی نمونه کهکشانی بازتولید کردیم که در اختیار داریم. در آینده، می‌خواهیم مکانیسم شکل‌گیری ناحیه هسته و ویژگی های دینامیکی با جزئیات بیشتر آن را کشف کنیم.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

James Webb Space Telescope and ALMA capture the core of the most distant galaxy protocluster

by University of Tsukuba SEPTEMBER 20, 2023

https://phys.org/news/2023-09-james-webb-space-telescope-alma.html