المجرة المزدوجة تحير علماء فلك هابل – “لقد كنا في حيرة من أمرهم”

الرسوم المتحركة ثلاثية الأبعاد تظهر تلسكوب هابل الفضائي فوق الأرض. الائتمان: ESA / Hubble (M. Kornmesser & LL Christensen)

رأى علماء الفلك بعض الأشياء الغريبة جدًا المنتشرة في جميع أنحاء كوننا الواسع ، من النجوم المتفجرة إلى المجرات المتصادمة. لذلك ، قد تعتقد أنه عندما يرون جسمًا سماويًا غريبًا ، سيكونون قادرين على التعرف عليه.

لكن ناسااكتشف تلسكوب هابل الفضائي ما يبدو أنه زوج من الأجسام المتماثلة التي تبدو غريبة للغاية ، فقد استغرق علماء الفلك عدة سنوات لتحديد ماهيتهم.

قال عالم الفلك تيموثي هاميلتون من جامعة شوني ستيت في بورتسموث بولاية أوهايو: “لقد شعرنا بالحيرة حقًا”.

تتكون الأجسام الغريبة من زوج من انتفاخات المجرات (المحور المركزي المملوء بالنجوم لمجرة) وثلاثة خطوط متفرقة متوازية على الأقل. اكتشفهم هاميلتون بالصدفة أثناء استخدام هابل لمسح مجموعة من الكوازارات ، وهي النوى المشتعلة للمجرات النشطة.

بعد مطاردة نظريات الطريق المسدود ، وطلب المساعدة من الزملاء ، والقيام بالكثير من الخدش ، قام هاملتون والفريق المتنامي بقيادة ريتشارد غريفيثس من جامعة هاواي في هيلو ، أخيرًا بتجميع كل القرائن لحل اللغز.

كانت الأجسام الخطية عبارة عن صور ممتدة لمجرة بعيدة ذات عدسة جاذبية ، تقع على بعد أكثر من 11 مليار سنة ضوئية. وبدا أنهما صورتان متطابقتان لبعضهما البعض.

اكتشف الفريق أن الجاذبية الهائلة لمجموعة مجرات متداخلة وغير مدرجة في مقدمة المجرات تعمل على تشويه الفضاء وتضخيمه وإشراقه وتمديده لمجرة بعيدة خلفه ، وهي ظاهرة تسمى عدسة الجاذبية. على الرغم من أن استطلاعات هابل تكشف عن الكثير من تشوهات المرآة والمرآة هذه الناتجة عن عدسة الجاذبية ، إلا أن هذا الجسم كان محيرًا بشكل فريد.

في هذه الحالة ، ينتج عن المحاذاة الدقيقة بين مجرة ​​في الخلفية ومجموعة مجرة ​​في المقدمة نسختين مكبرتين من نفس الصورة للمجرة البعيدة. تحدث هذه الظاهرة النادرة لأن المجرة الخلفية تموج تموجًا في نسيج الفضاء. هذا “التموج” هو منطقة ذات تضخم أكبر ، بسبب جاذبية كميات كثيفة من المادة المظلمة ، الصمغ غير المرئي الذي يشكل معظم كتلة الكون. عندما يمر الضوء من المجرة البعيدة عبر الكتلة على طول هذا التموج ، يتم إنتاج صورتين مرآتين ، إلى جانب صورة ثالثة يمكن رؤيتها من الجانب.

يقارن Griffiths هذا التأثير بالأنماط المتموجة الساطعة التي تظهر في قاع حوض السباحة. وأوضح: “فكر في السطح المموج لحمام السباحة في يوم مشمس ، يظهر أنماطًا من الضوء الساطع في قاع البركة”. هذه الأنماط الساطعة في الجزء السفلي ناتجة عن نوع مشابه من تأثير عدسة الجاذبية. تعمل التموجات على السطح كعدسات جزئية وتركز ضوء الشمس على أنماط متعرجة لامعة في الأسفل “.

في المجرة البعيدة ذات العدسة الجاذبية ، يقوم التموج بتكبير وتشويه الضوء من المجرة الخلفية التي تمر عبر العنقود. يعمل التموج كمرآة منحنية غير كاملة تولد النسخ المزدوجة.

حل اللغز

لكن هذه الظاهرة النادرة لم تكن معروفة جيدًا عندما اكتشف هاميلتون السمات الخطية الغريبة في عام 2013.

وبينما كان ينظر من خلال صور الكوازار ، برزت لقطة الصور العاكسة والخطوط المتوازية. لم ير هاملتون شيئًا مثله من قبل ، ولم يكن لديه أي من أعضاء الفريق الآخرين.

قال هاميلتون: “كان فكرتي الأولى أنها ربما كانت تتفاعل مع المجرات بأذرع ممدودة بشكل مدبب”. “لم يكن مناسبًا حقًا ، لكنني لم أكن أعرف ما الذي أفكر به أيضًا.”

لذلك بدأ هاملتون والفريق سعيهم لحل لغز هذه الخطوط المستقيمة المحيرة ، والتي أطلق عليها لاحقًا اسم “كائن هاملتون” لمكتشفها. أظهروا الصورة الغريبة للزملاء في مؤتمرات علم الفلك ، والتي أثارت مجموعة متنوعة من الاستجابات ، من الأوتار الكونية إلى السدم الكوكبية.

ولكن بعد ذلك ، قدم غريفيث ، الذي لم يكن عضوًا في الفريق الأصلي ، التفسير الأكثر منطقية عندما أظهر له هاميلتون الصورة في اجتماع ناسا في عام 2015. كانت صورة مكبرة ومشوهة ناتجة عن ظاهرة عدسة مشابهة لتلك التي شوهدت في هابل. صور عناقيد مجرية ضخمة أخرى تعمل على تضخيم صور المجرات البعيدة جدًا. أكد Griffiths هذه الفكرة عندما علم بجسم خطي مشابه في أحد مسوحات Hubble للعنقود العميقة.

ومع ذلك ، لا يزال الباحثون يواجهون مشكلة. لم يتمكنوا من تحديد الكتلة العدسة. عادة ، يرى علماء الفلك الذين يدرسون عناقيد المجرات أولاً المجموعة الأمامية التي تسبب الانعكاس ، ثم يجدون الصور المكبرة للمجرات البعيدة داخل العنقود. كشف البحث في صور Sloan Digital Sky Survey عن وجود مجموعة مجرات في نفس منطقة الصور المكبرة ، لكنها لم تظهر في أي مسح مفهرس. ومع ذلك ، فإن حقيقة أن الصور الغريبة كانت في مركز كتلة أوضحت لجريفيثس أن العنقود كان ينتج الصور العدسية.

كانت الخطوة التالية للباحثين هي تحديد ما إذا كانت الصور الثلاث بعدسة على نفس المسافة ، وبالتالي كانت جميع الصور المشوهة لنفس المجرة البعيدة. ساعدت القياسات الطيفية مع مراصد Gemini و WM Keck في هاواي الباحثين على تأكيد هذا التأكيد ، حيث أظهرت أن الصور بعدسة كانت من مجرة ​​تقع على بعد أكثر من 11 مليار سنة ضوئية.

تبدو المجرة البعيدة ، استنادًا إلى إعادة بناء الصورة الثالثة بعدسة ، وكأنها دوامة متعرجة متعرجة مع تشكيل نجم متكتل مستمر.

في نفس الوقت تقريبًا مع الملاحظات الطيفية التي أجراها جريفيث وطلاب المرحلة الجامعية الأولى في هيلو ، حددت مجموعة منفصلة من الباحثين في شيكاغو الكتلة وقياس مسافتها باستخدام بيانات سلون. تقع الكتلة على بعد أكثر من 7 مليارات سنة ضوئية.

ولكن مع القليل جدًا من المعلومات حول العنقود ، كان فريق Griffiths لا يزال يكافح من أجل كيفية تفسير أشكال العدسة غير العادية هذه. أوضح غريفيث: “تختلف عدسة الجاذبية هذه كثيرًا عن معظم العدسات التي درسها هابل من قبل ، لا سيما في مسح Hubble Frontier Fields للعناقيد”. “ليس عليك التحديق في تلك المجموعات لفترة طويلة للعثور على العديد من العدسات. في هذا الكائن ، هذه هي العدسة الوحيدة التي لدينا. ولم نكن نعرف حتى عن الكتلة في البداية “.

رسم خرائط غير المرئي

وذلك عندما اتصل غريفيث بخبير في نظرية عدسة الجاذبية ، جيني واجنر من جامعة هايدلبرغ في ألمانيا. درس واغنر كائنات مماثلة ، وقام مع زميله نيكولاس تيسور ، الموجود الآن في جامعة مانشستر في إنجلترا ، بتطوير برنامج كمبيوتر لتفسير العدسات الفريدة مثل هذه. ساعد برنامجهم الفريق في اكتشاف كيفية ظهور الصور الثلاث بعدسة. وخلصوا إلى أن المادة المظلمة حول الصور الممتدة يجب أن يتم توزيعها “بسلاسة” في الفضاء بمقاييس صغيرة.

قال فاغنر: “إنه لأمر رائع أننا نحتاج فقط إلى صورتين مرآتين من أجل الحصول على مقياس مدى تكتل المادة المظلمة أو عدم تواجدها في هذه المواضع”. “هنا ، لا نستخدم أي نماذج للعدسات. نأخذ فقط ما يمكن ملاحظته من الصور المتعددة وحقيقة أنه يمكن تحويلها إلى بعضها البعض. يمكن طيها مع بعضها البعض من خلال طريقتنا. يمنحنا هذا بالفعل فكرة عن مدى سلاسة المادة المظلمة في هذين الموضعين “.

قال غريفيث إن هذه النتيجة مهمة لأن علماء الفلك ما زالوا لا يعرفون ماهية المادة المظلمة ، بعد ما يقرب من قرن من اكتشافها. نحن نعلم أنه شكل من أشكال المادة ، لكن ليس لدينا أي فكرة عن ماهية الجسيم المكون. لذلك نحن لا نعرف كيف يتصرف على الإطلاق. نحن نعلم فقط أن لها كتلة وتخضع للجاذبية. تكمن أهمية حدود الحجم في التكتل أو النعومة في أنها تعطينا بعض الأدلة حول ماهية الجسيم. كلما كانت المادة المظلمة أصغر حجمًا ، يجب أن تكون الجسيمات أكثر كتلة “.

تظهر ورقة الفريق في عدد سبتمبر من الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.

المرجع: “جسم هاميلتون – مجرة ​​متكتلة تمتد على امتداد الجاذبية الكاوية لحشد مجري: قيود على تكتل المادة المظلمة” بقلم ريتشارد إي غريفيثس ، ميتشل روديسيل ، جيني واجنر ، تيموثي هاميلتون ، بو تشيه هوانج وكارولين فيلفورث ، 17 مايو 2021 ، الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
DOI: 10.1093 / mnras / stab1375

تلسكوب هابل الفضائي هو مشروع تعاون دولي بين وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية (وكالة الفضاء الأوروبية). يدير التلسكوب مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند. يجري معهد علوم تلسكوب الفضاء (STScI) في بالتيمور بولاية ماريلاند عمليات علوم هابل. يتم تشغيل STScI لصالح وكالة ناسا من قبل اتحاد الجامعات لأبحاث علم الفلك في واشنطن العاصمة