Skip to main content
Global

28.1: ملاحظات المجرات البعيدة

  • Page ID
    197631
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

    • اشرح كيف يستخدم علماء الفلك الضوء للتعرف على المجرات البعيدة منذ فترة طويلة
    • ناقش الأدلة التي تظهر أن النجوم الأولى تشكلت عندما كان الكون أقل من 10٪ من عمره الحالي
    • وصف الاختلافات الرئيسية التي لوحظت بين المجرات التي شوهدت في الكون البعيد المبكر والمجرات التي تُرى في الكون القريب اليوم

    لنبدأ باستكشاف بعض التقنيات التي يستخدمها علماء الفلك لدراسة كيفية ولادة المجرات وتغيرها بمرور الوقت الكوني. لنفترض أنك تريد أن تفهم كيف أصبح البشر البالغون على ما هم عليه. إذا كنت مخلصًا وصبورًا للغاية، فيمكنك بالفعل مراقبة عينة من الأطفال منذ الولادة، ومتابعتهم خلال مرحلة الطفولة والمراهقة وحتى مرحلة البلوغ، وإجراء القياسات الأساسية مثل ارتفاعهم وأوزانهم والأحجام النسبية لأجزاء مختلفة من أجسادهم لفهم كيفية حدوث ذلك تتغير بمرور الوقت.

    لسوء الحظ، ليس لدينا مثل هذه الإمكانية لفهم كيفية نمو المجرات وتغيرها بمرور الوقت: في حياة الإنسان - أو حتى على مدار تاريخ الحضارة البشرية بأكمله - لا تتغير المجرات الفردية على الإطلاق. نحن بحاجة إلى أدوات أخرى غير مجرد مراقبة المجرات الفردية بصبر من أجل دراسة وفهم تلك التغييرات الطويلة والبطيئة.

    ومع ذلك، لدينا ميزة واحدة رائعة في دراسة تطور المجرة. كما رأينا، فإن الكون نفسه هو نوع من آلة الزمن التي تسمح لنا بمراقبة المجرات البعيدة كما كانت منذ فترة طويلة. بالنسبة لأقرب المجرات، مثل مجرة أندروميدا، فإن الوقت الذي يستغرقه الضوء للوصول إلينا يتراوح بين بضع مئات الآلاف وبضعة ملايين من السنين. عادةً لا يتغير الكثير بمرور الوقت الذي قد تولد فيه النجوم الفردية القصيرة في المجرة أو تموت، لكن البنية العامة للمجرة ومظهرها سيظلان على حالهما. لكننا لاحظنا المجرات بعيدًا لدرجة أننا نراها كما كانت عندما تركها الضوء منذ أكثر من 10 مليارات سنة.

    من خلال مراقبة الأجسام البعيدة، ننظر إلى الوراء نحو وقت كانت فيه كل من المجرات والكون شابة (الشكل\(\PageIndex{1}\)). هذا يشبه إلى حد ما تلقي رسائل في البريد من العديد من الأصدقاء البعيدين: فكلما كانت الصديقة بعيدة عندما أرسلت الرسالة إليك بالبريد، كلما طالت مدة نقل الرسالة، وبالتالي كلما كبرت الأخبار عند وصولها إلى صندوق البريد الخاص بك؛ أنت تتعلم شيئًا عن حياتها في وقت سابق مما كانت عليه عند قراءة الرسالة.

    بديل
    الشكل\(\PageIndex{1}\): السفر عبر الزمن الفلكي. تُظهر هذه الصورة ذات الألوان الحقيقية طويلة التعرض، التي تم التقاطها خلال 70 مدارًا للأرض باستخدام تلسكوب هابل الفضائي، مساحة صغيرة في اتجاه كوكبة النحات. تظهر المجموعة الضخمة من المجرات المسماة Abell 2744 في مقدمة هذه الصورة. تحتوي على عدة مئات من المجرات، ونحن نراها كما كانت قبل 3.5 مليار سنة. تعمل الجاذبية الهائلة في Abell 2744 كعدسة جاذبية (انظر مربع ميزات أساسيات علم الفلك حول عدسة الجاذبية في القسم 28.3) لتشويه الفضاء وإضاءة صور ما يقرب من 3000 مجرة في الخلفية البعيدة وتكبيرها. تظهر المجرات الأكثر بعدًا (العديد منها أزرق جدًا) كما كانت منذ أكثر من 12 مليار سنة، ولم يمض وقت طويل بعد الانفجار العظيم. كانت المجرات الزرقاء أكثر شيوعًا في ذلك الوقت المبكر مما هي عليه اليوم. تظهر هذه المجرات باللون الأزرق لأنها تخضع لتكوين نجمي نشط وتنتج نجومًا زرقاء ساخنة ولامعة.

    إذا لم نتمكن من اكتشاف التغييرات بمرور الوقت بشكل مباشر في المجرات الفردية لأنها تحدث ببطء شديد، فكيف يمكننا إذن فهم هذه التغييرات وأصول المجرات؟ الحل هو مراقبة العديد من المجرات على العديد من المسافات الكونية المختلفة، وبالتالي، أوقات الرجوع إلى الوراء (إلى أي مدى نرى المجرة في الماضي). إذا تمكنا من دراسة ألف مجرة «صغيرة» بعيدة جدًا عندما كان عمر الكون مليار عام، وألف مجرة «صغيرة» أخرى أقرب قليلاً عندما كان عمرها ملياري عام، وهكذا حتى الكون الحالي البالغ من العمر 13.8 مليار عام من المجرات «البالغة» بالقرب منا اليوم، فربما يمكننا أن نقطع معًا صورة متماسكة لكيفية تطور مجموعة المجرات بأكملها بمرور الوقت. هذا يسمح لنا بإعادة بناء «قصة حياة» المجرات منذ بداية الكون، على الرغم من أننا لا نستطيع متابعة مجرة واحدة من الطفولة إلى الشيخوخة.

    لحسن الحظ، لا يوجد نقص في المجرات للدراسة. ارفع خنصرك بعيدًا عن ذراعك: يحتوي الجزء من السماء المسدود بأظافرك على حوالي مليون مجرة، موضوعة في طبقات أبعد وأبعد في المكان والزمان. في الواقع، السماء مليئة بالمجرات، جميعها، باستثناء أندروميدا وغيوم ماجلان، خافتة للغاية بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة - أكثر من 100 مليار مجرة في الكون المرئي، تحتوي كل واحدة منها على حوالي 100 مليار نجم.

    إذن، تتيح لنا آلة الزمن الكونية هذه النظر إلى الماضي للإجابة على الأسئلة الأساسية حول من أين تأتي المجرات وكيف أصبحت على ما هي عليه اليوم. يسمي علماء الفلك هذه التغييرات المجرية بالتطور الزمني الكوني، وهي كلمة تستذكر عمل داروين وآخرين حول تطور الحياة على الأرض. لكن لاحظ أن تطور المجرات يشير إلى التغيرات في المجرات الفردية بمرور الوقت، في حين أن نوع التطور الذي يدرسه علماء الأحياء هو التغيرات في الأجيال المتعاقبة من الكائنات الحية بمرور الوقت.

    الأطياف والألوان والأشكال

    علم الفلك هو أحد العلوم القليلة التي يجب فيها إجراء جميع القياسات عن بعد. يمكن للجيولوجيين أخذ عينات من الأشياء التي يدرسونها; يمكن للكيميائيين إجراء تجارب في مختبراتهم لتحديد ماهية المادة; يمكن لعلماء الآثار استخدام التأريخ الكربوني لتحديد عمر شيء ما. لكن علماء الفلك لا يمكنهم التقاط النجوم أو المجرة واللعب بها. كما رأينا في جميع أنحاء هذا الكتاب، إذا أرادوا معرفة ماهية المجرات وكيف تغيرت على مدار عمر الكون، فيجب عليهم فك تشفير الرسائل التي يحملها العدد الصغير من الفوتونات التي تصل إلى الأرض.

    لحسن الحظ (كما تعلمت) يعد الإشعاع الكهرومغناطيسي مصدرًا غنيًا للمعلومات. تُشتق المسافة إلى المجرة من تحولها الأحمر (مقدار انتقال الخطوط في طيفها إلى اللون الأحمر بسبب توسع الكون). يعتمد تحويل الانزياح الأحمر إلى مسافة على خصائص معينة للكون، بما في ذلك قيمة ثابت هابل ومقدار الكتلة التي يحتويها. سنصف النموذج المقبول حاليًا للكون في The Big Bang. لأغراض هذا الفصل، يكفي معرفة أن أفضل تقدير حالي لعمر الكون هو 13.8 مليار سنة. في هذه الحالة، إذا رأينا جسمًا أطلق ضوءه منذ 6 مليارات سنة ضوئية، فإننا نراه كما كان عندما كان عمر الكون حوالي 8 مليارات سنة. إذا رأينا شيئًا انبعث منه الضوء قبل 13 مليار سنة، فإننا نراه كما كان عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة. لذلك يقيس علماء الفلك الانزياح الأحمر للمجرة من طيفها، ويستخدمون ثابت هابل بالإضافة إلى نموذج الكون لتحويل التحول الأحمر إلى مسافة، ويستخدمون المسافة والسرعة الثابتة للضوء لاستنتاج مدى رؤيتهم للمجرة في الزمن - زمن العودة إلى الوراء.

    بالإضافة إلى المسافة ووقت الرجوع إلى الوراء، يمكن أن تخبرنا دراسات تحولات دوبلر للخطوط الطيفية للمجرة عن مدى سرعة دوران المجرة وبالتالي مدى ضخامتها (كما هو موضح في المجرات). يمكن أن يشير التحليل التفصيلي لهذه الخطوط أيضًا إلى أنواع النجوم التي تعيش في المجرة وما إذا كانت تحتوي على كميات كبيرة من المادة بين النجوم.

    لسوء الحظ، فإن العديد من المجرات خافتة للغاية لدرجة أن جمع ما يكفي من الضوء لإنتاج طيف مفصل أمر مستحيل حاليًا. وبالتالي يتعين على علماء الفلك استخدام دليل أكثر خشونة لتقدير أنواع النجوم التي تعيش في المجرات الضعيفة - ألوانها الإجمالية. انظر مرة أخرى إلى الشكل\(\PageIndex{1}\) ولاحظ أن بعض المجرات زرقاء جدًا والبعض الآخر برتقالي محمر. تذكر الآن أن النجوم الزرقاء الساخنة والمضيئة ضخمة جدًا ولها عمر لا يتجاوز بضعة ملايين من السنين. إذا رأينا مجرة تهيمن عليها الألوان الزرقاء، فإننا نعلم أنه يجب أن تحتوي على العديد من النجوم الزرقاء الساخنة والمضيئة، ويجب أن يكون تكوين النجوم قد حدث في بضعة ملايين من السنين قبل أن يغادر الضوء المجرة. في المجرة الصفراء أو الحمراء، من ناحية أخرى، لا بد أن النجوم الزرقاء الشابة المضيئة التي صُنعت بالتأكيد في بدايات تكوين النجوم للمجرة قد ماتت بالفعل؛ يجب أن تحتوي في الغالب على نجوم قديمة صفراء وحمراء تدوم لفترة طويلة في مراحل تسلسلها الرئيسي وبالتالي تتكون عادةً من مليارات السنين قبل أن ينبعث الضوء الذي نراه الآن.

    دليل آخر مهم لطبيعة المجرة هو شكلها. يمكن تمييز المجرات الحلزونية عن المجرات البيضاوية بالشكل. تشير الملاحظات إلى أن المجرات الحلزونية تحتوي على نجوم شابة وكميات كبيرة من المادة بين النجوم، بينما تحتوي المجرات الإهليلجية في الغالب على نجوم قديمة وتكوين نجمي قليل جدًا أو معدوم. لقد حولت المجرات الإهليلجية معظم مادتها بين النجوم إلى نجوم منذ عدة مليارات من السنين، بينما استمر تكوين النجوم حتى يومنا هذا في المجرات الحلزونية.

    إذا تمكنا من حساب عدد المجرات من كل نوع خلال كل حقبة من الكون، فسوف يساعدنا ذلك على فهم كيفية تغير وتيرة تكوين النجوم بمرور الوقت. كما سنرى لاحقًا في هذا الفصل، تبدو المجرات في الكون البعيد - أي المجرات الصغيرة - مختلفة تمامًا عن المجرات القديمة التي نراها بالقرب من الكون الحالي.

    الجيل الأول من النجوم

    بالإضافة إلى النظر إلى المجرات البعيدة التي يمكن أن نجدها، ينظر علماء الفلك إلى أقدم النجوم (ما يمكن أن نسميه السجل الأحفوري) لمجرتنا لاستكشاف ما حدث في الكون المبكر. نظرًا لأن النجوم هي مصدر كل الضوء المنبعث من المجرات تقريبًا، يمكننا أن نتعلم الكثير عن تطور المجرات من خلال دراسة النجوم بداخلها. ما وجدناه هو أن جميع المجرات تقريبًا تحتوي على بعض النجوم القديمة جدًا على الأقل. على سبيل المثال، تحتوي مجرتنا على مجموعات كروية من النجوم التي لا يقل عمرها عن 13 مليار سنة، وقد يكون بعضها أقدم من ذلك. لذلك، إذا اعتبرنا عمر درب التبانة هو عمر أقدم مكوناتها، فلا بد أن درب التبانة قد ولد منذ 13 مليار سنة على الأقل.

    كما سنناقش في The Big Bang، اكتشف علماء الفلك أن الكون يتوسع، وتتبعوا التوسع إلى الوراء بمرور الوقت. وبهذه الطريقة، اكتشفوا أن الكون نفسه يبلغ من العمر حوالي 13.8 مليار سنة فقط. وهكذا، يبدو أن بعض النجوم العنقودية العالمية في درب التبانة على الأقل يجب أن تكون قد تشكلت بعد أقل من مليار سنة من بدء التوسع.

    تثبت العديد من الملاحظات الأخرى أيضًا أن تكوين النجوم في الكون بدأ مبكرًا جدًا. استخدم علماء الفلك الأطياف لتحديد تكوين بعض المجرات الإهليلجية البعيدة جدًا لدرجة أن الضوء الذي نراه تركها عندما كان عمر الكون نصف عمره الآن فقط. ومع ذلك، تحتوي هذه القطع البيضاوية على نجوم حمراء قديمة، لا بد أنها تشكلت قبل مليارات السنين.

    عندما نصنع نماذج حاسوبية لكيفية تطور هذه المجرات مع مرور الوقت، فإنها تخبرنا أن تكوين النجوم في المجرات الإهليلجية بدأ بعد أقل من مليار سنة أو نحو ذلك من بدء الكون في التوسع، واستمرت النجوم الجديدة في التشكل لبضعة مليارات من السنين. ولكن بعد ذلك توقف تكوين النجوم على ما يبدو. عندما نقارن المجرات البيضاوية البعيدة بالمجرات القريبة، نجد أن المجرات البيضاوية لم تتغير كثيرًا منذ أن بلغ الكون حوالي نصف عمره الحالي. سنعود إلى هذه الفكرة لاحقًا في الفصل.

    إن ملاحظات المجرات الأكثر إضاءة تأخذنا إلى الوراء بالزمن إلى الوراء. في الآونة الأخيرة، كما لاحظنا بالفعل، اكتشف علماء الفلك عددًا قليلاً من المجرات البعيدة جدًا لدرجة أن الضوء الذي نراه الآن تركها بعد أقل من مليار سنة أو نحو ذلك من البداية (الشكل\(\PageIndex{2}\)). ومع ذلك، فإن أطياف بعض هذه المجرات تحتوي بالفعل على خطوط من العناصر الثقيلة، بما في ذلك الكربون والسيليكون والألمنيوم والكبريت. لم تكن هذه العناصر موجودة عندما بدأ الكون ولكن كان لابد من تصنيعها في الأجزاء الداخلية للنجوم. هذا يعني أنه عندما انبعث الضوء من هذه المجرات، كان جيل كامل من النجوم قد ولد بالفعل، وعاش حياته، ومات - حيث أطلق العناصر الجديدة المصنوعة في داخلها من خلال انفجارات السوبرنوفا - حتى قبل أن يبلغ عمر الكون مليار سنة. ولم تكن مجرد بضع نجوم في كل مجرة هي التي بدأت بهذه الطريقة. كان على ما يكفي أن يعيش ويموت ليؤثر على التكوين العام للمجرة، بطريقة لا يزال بإمكاننا قياسها في الطيف من بعيد.

    بديل
    الشكل\(\PageIndex{2}\): مجرة بعيدة جدًا. أُخذت هذه الصورة باستخدام تلسكوب هابل الفضائي وتُظهر المجال المحيط بمجرة مضيئة عند الانزياح الأحمر z = 8.68، وهو ما يعادل مسافة تبلغ حوالي 13.2 مليار سنة ضوئية في الوقت الذي انبعث فيه الضوء (يشار إليه بالسهم ويظهر في الجزء الداخلي العلوي). تم الجمع بين التعرضات الطويلة في الأطوال الموجية الحمراء البعيدة والأشعة تحت الحمراء لإنتاج الصورة، وأظهرت التعرضات الإضافية بالأشعة تحت الحمراء باستخدام تلسكوب سبيتزر الفضائي، الذي يتمتع باستبانة مكانية أقل من هابل (الجزء السفلي الداخلي)، الضوء الأحمر المتحول للنجوم العادية. تم اكتشاف المجرة البعيدة جدًا لأنها تحتوي على خط انبعاث قوي من الهيدروجين. يتم إنتاج هذا الخط في المناطق التي يتم فيها تكوين نجوم ساخنة وشابة.

    تدعم ملاحظات الكوازارات (المجرات التي تحتوي مراكزها على ثقب أسود هائل) هذا الاستنتاج. يمكننا قياس وفرة العناصر الثقيلة في الغاز بالقرب من الثقوب السوداء شبه الزرقاء (الموضحة في المجرات النشطة والكوازارات والثقوب السوداء فائقة الكتلة). إن تركيبة هذا الغاز في الكوازارات التي انبعثت ضوءها منذ 12.5 مليار سنة ضوئية تشبه إلى حد كبير تركيبة الشمس. وهذا يعني أن جزءًا كبيرًا من الغاز المحيط بالثقوب السوداء يجب أن يكون قد تم تدويره بالفعل عبر النجوم خلال أول 1.3 مليار سنة بعد بدء توسع الكون. إذا سمحنا بالوقت لهذه الدورة، فلا بد أن تكون نجومهم الأولى قد تشكلت عندما كان عمر الكون بضع مئات الملايين من السنين فقط.

    عالم متغير من المجرات

    في العقود الوسطى من القرن العشرين، أدت ملاحظة أن جميع المجرات تحتوي على بعض النجوم القديمة إلى دفع علماء الفلك إلى فرضية أن المجرات ولدت بشكل كامل بالقرب من الوقت الذي بدأ فيه الكون توسعه. كانت هذه الفرضية مشابهة لاقتراح أن البشر ولدوا كبالغين ولم يكن عليهم المرور بمراحل التطور المختلفة من الطفولة وحتى المراهقين. إذا كانت هذه الفرضية صحيحة، فيجب أن تحتوي المجرات البعيدة على أشكال وأحجام تشبه إلى حد كبير المجرات التي نراها بالقرب منها. وفقًا لهذا الرأي القديم، يجب أن تتغير المجرات بعد تكوينها ببطء فقط، حيث تشكلت الأجيال المتعاقبة من النجوم داخلها وتطورت وماتت. ومع استخدام المادة بين النجوم ببطء وتكوين عدد أقل من النجوم الجديدة، ستهيمن على المجرات تدريجيًا النجوم الخافتة والقديمة وستبدو أكثر خفتًا وباهتًا.

    بفضل الجيل الجديد من التلسكوبات الأرضية والفضائية الكبيرة، نعلم الآن أن هذه الصورة للمجرات التي تتطور بسلام ومعزولة عن بعضها البعض خاطئة تمامًا. كما سنرى لاحقًا في هذا الفصل، لا تبدو المجرات في الكون البعيد مثل درب التبانة والمجرات القريبة مثل أندروميدا، وقصة تطورها أكثر تعقيدًا وتتضمن تفاعلًا أكبر بكثير مع جيرانها.

    لماذا كان علماء الفلك مخطئين للغاية؟ حتى أوائل التسعينيات، كانت المجرة العادية البعيدة التي تمت ملاحظتها تنبعث منها الضوء منذ 8 مليارات سنة. منذ ذلك الوقت، تطورت العديد من المجرات - وخاصة المجرات البيضاوية العملاقة، وهي الأكثر سطوعًا وبالتالي الأسهل رؤيتها على مسافات كبيرة - بسلام وببطء. لكن التلسكوبات الجديدة القوية هابل وسبيتزر وهيرشل وكيك وغيرها من التلسكوبات الجديدة القوية التي ظهرت على الإنترنت منذ التسعينيات تجعل من الممكن اختراق حاجز 8 مليارات سنة ضوئية. لدينا الآن مناظر مفصلة لعدة آلاف من المجرات التي أصدرت نورها قبل ذلك بكثير (بعضها منذ أكثر من 13 مليار سنة - انظر الشكل\(\PageIndex{2}\)).

    لقد تقدم الكثير من العمل الأخير حول تطور المجرات من خلال دراسة بعض المناطق الصغيرة المحددة من السماء حيث التقطت تلسكوبات هابل وسبيتزر والتلسكوبات الأرضية صورًا للتعرض الطويل للغاية. سمح هذا لعلماء الفلك باكتشاف المجرات الخافتة جدًا والبعيدة جدًا وبالتالي الصغيرة جدًا (الشكل\(\PageIndex{3}\)). تُظهر صور تلسكوب الفضاء السحيق لدينا بعض المجرات التي يقل وزنها 100 مرة عن الأجسام الخافتة التي يمكن ملاحظتها طيفيًا باستخدام التلسكوبات الأرضية العملاقة الحالية. اتضح أن هذا يعني أنه يمكننا الحصول على الأطياف اللازمة لتحديد التحولات الحمراء لـ خمسة بالمائة فقط من المجرات الأكثر سطوعًا في هذه الصور.

    بديل
    الشكل\(\PageIndex{3}\): حقل هابل فائق العمق. هذه الصورة هي نتيجة رصد استمر 11 يومًا باستخدام تلسكوب هابل الفضائي لمنطقة صغيرة من السماء، تقع في اتجاه كوكبة فورناكسس بالقرب من القطب السماوي الجنوبي. هذه منطقة لا تحتوي إلا على عدد قليل من نجوم درب التبانة. (نظرًا لأن هابل يدور حول الأرض كل 96 دقيقة، عاد التلسكوب لرؤية نفس القطعة الصغيرة من السماء مرارًا وتكرارًا حتى يتم جمع ما يكفي من الضوء وإضافته معًا للقيام بهذا التعرض الطويل جدًا.) هناك حوالي 10,000 كائن في هذه الصورة الواحدة، جميعها تقريبًا مجرات، ولكل منها عشرات أو مئات المليارات من النجوم. يمكننا أن نرى بعض المجرات الحلزونية على شكل عجلة دوارة، والتي تشبه درب التبانة. لكننا نجد أيضًا مجموعة كبيرة ومتنوعة من المجرات ذات الأشكال الغريبة التي تصطدم بالمجرات المصاحبة. تظهر المجرات الإهليلجية، التي تحتوي في الغالب على نجوم قديمة، على شكل نقاط حمراء.

    على الرغم من عدم وجود أطياف لمعظم المجرات الخافتة، إلا أن تلسكوب هابل الفضائي مناسب بشكل خاص لدراسة أشكالها لأن الصور الملتقطة في الفضاء لا يشوبها الغلاف الجوي للأرض. ولدهشة علماء الفلك، لم تتناسب المجرات البعيدة مع مخطط تصنيف هابل على الإطلاق. تذكر أن هابل وجد أن جميع المجرات القريبة تقريبًا يمكن تصنيفها إلى فئات قليلة، اعتمادًا على ما إذا كانت عبارة عن أشكال بيضاوية أو حلزونية. تبدو المجرات البعيدة التي لاحظها تلسكوب هابل الفضائي مختلفة تمامًا عن المجرات الحالية، بدون أذرع حلزونية وأقراص وانتفاخات يمكن التعرف عليها (الشكل\(\PageIndex{4}\)). كما أنها تميل إلى أن تكون أكثر تكتلاً بكثير من معظم المجرات اليوم. بعبارة أخرى، أصبح من الواضح أن أشكال المجرات قد تغيرت بشكل كبير بمرور الوقت. في الواقع، نحن نعلم الآن أن مخطط هابل يعمل بشكل جيد للنصف الأخير فقط من عمر الكون. قبل ذلك، كانت المجرات أكثر فوضوية.

    بديل
    الشكل\(\PageIndex{4}\): المجرات المبكرة. تُظهر صورة تلسكوب هابل الفضائي هذه ما قد تكون «مجرات قيد الإنشاء» في بداية الكون. تُظهر المربعات في هذه الصورة الملونة تكبيرات لـ 18 مجموعة من النجوم الأصغر من المجرات كما نعرفها. كل هذه الأشياء بعثت ضوءها منذ حوالي 11 مليار سنة. يبلغ عرضها عادةً حوالي 2000 سنة ضوئية فقط، وهي أصغر بكثير من مجرة درب التبانة، حيث يبلغ قطرها 100,000 سنة ضوئية. تم العثور على هذه الأجسام الـ 18 في منطقة يبلغ عرضها 2 مليون سنة ضوئية فقط وهي قريبة من بعضها بما يكفي بحيث من المحتمل أن تصطدم وتندمج لبناء واحدة أو أكثر من المجرات العادية.

    ليست الأشكال فقط هي التي تختلف. جميع المجرات تقريبًا على مسافات تزيد عن 11 مليار سنة ضوئية - أي المجرات التي نراها عندما كان عمرها أقل من 3 مليارات سنة - زرقاء للغاية، مما يشير إلى أنها تحتوي على الكثير من النجوم الشابة وأن تكوين النجوم فيها يحدث بمعدل أعلى من المجرات القريبة. تظهر الملاحظات أيضًا أن المجرات البعيدة جدًا أصغر بشكل منهجي في المتوسط من المجرات القريبة. عدد قليل نسبيًا من المجرات الموجودة قبل أن يبلغ عمر الكون حوالي 8 مليارات سنة ولها كتل أكبر من\(10^11\)\(M_{\text{Sun}}\). هذا يساوي 1/20 كتلة درب التبانة إذا قمنا بتضمين هالة المادة المظلمة. قبل أحد عشر مليار سنة، لم يكن هناك سوى عدد قليل من المجرات ذات الكتل الأكبر من\(10^{10}\)\(M_{\text{Sun}}\). ما نراه بدلاً من ذلك يبدو أنه قطع صغيرة أو أجزاء من مادة المجرة (الشكل\(\PageIndex{5}\)). عندما ننظر إلى المجرات التي انبعثت ضوءها منذ 11 إلى 12 مليار سنة، نعتقد الآن أننا نرى بذور المجرات الإهليلجية والانتفاخات المركزية للحلزونات. مع مرور الوقت، اصطدمت هذه المجرات الصغيرة واندمجت لتبني المجرات الكبيرة اليوم.

    ضع في اعتبارك أن النجوم التي تشكلت منذ أكثر من 11 مليار سنة ستكون نجومًا قديمة جدًا اليوم. في الواقع عندما ننظر إلى مكان قريب (إلى المجرات التي نراها أقرب إلى عصرنا)، نجد في الغالب نجومًا قديمة في الانتفاخات النووية للحلزونات القريبة وفي المجرات الإهليلجية.

    بديل
    الشكل\(\PageIndex{5}\): واحدة من أبعد المجرات وأبطأها وأصغرها على الإطلاق. تشير المربعات البيضاء الصغيرة، المصنفة أ، ب، ج، إلى مواقع ثلاث صور لنفس المجرة. تم إنتاج هذه الصور المتعددة بواسطة المجموعة الضخمة من المجرات المعروفة باسم Abell 2744، والتي تقع بيننا وبين المجرة وتعمل كعدسة جاذبية. الأسهم الموجودة في الأجزاء الداخلية المكبرة في النقطة اليمنى للمجرة. كل صورة مكبرة تجعل المجرة تبدو أكبر بعشر مرات وأكثر سطوعًا مما ستبدو عليه بدون العدسة المتداخلة. أصدرت هذه المجرة الضوء الذي نلاحظه اليوم عندما كان عمر الكون حوالي 500 مليون سنة فقط. عندما انبعث الضوء، كانت المجرة صغيرة - بعرض 850 سنة ضوئية فقط، أو أصغر بـ 500 مرة من درب التبانة، وكانت كتلتها تزيد 40 مليون مرة فقط عن كتلة الشمس. يحدث تكوين النجوم في هذه المجرة، لكنه يظهر باللون الأحمر في الصورة بسبب تحولها الأحمر الكبير.

    ما تظهره لنا هذه الملاحظات هو أن المجرات نمت في الحجم مع تقدم الكون في العمر. لم تكن المجرات أصغر حجمًا منذ عدة مليارات من السنين فحسب، بل كان هناك المزيد منها؛ فالمجرات الغنية بالغاز، وخاصة الأقل إضاءة، كانت أكثر عددًا بكثير مما هي عليه اليوم.

    هذه بعض الملاحظات الأساسية التي يمكننا القيام بها للمجرات الفردية (وتطورها) بالنظر إلى الزمن الكوني. الآن نريد أن ننتقل إلى السياق الأكبر. إذا تم تجميع النجوم في المجرات، فهل يتم تجميع المجرات أيضًا بطريقة ما؟ في القسم الثالث من هذا الفصل، سوف نستكشف أكبر الهياكل المعروفة في الكون.

    ملخص

    عندما ننظر إلى المجرات البعيدة، فإننا ننظر إلى الوراء في الوقت المناسب. لقد رأينا الآن المجرات كما كانت عندما كان عمر الكون حوالي 500 مليون سنة - حوالي خمسة بالمائة فقط من عمره الآن. يبلغ عمر الكون الآن 13.8 مليار سنة. لون المجرة هو مؤشر على عمر النجوم التي تسكنها. يجب أن تحتوي المجرات الزرقاء على الكثير من النجوم الساخنة والضخمة والشابة. تميل المجرات التي تحتوي على نجوم قديمة فقط إلى اللون الأحمر المصفر. تشكل الجيل الأول من النجوم عندما كان عمر الكون بضع مئات الملايين من السنين فقط. تميل المجرات التي تمت ملاحظتها عندما كان عمر الكون بضعة مليارات من السنين إلى أن تكون أصغر من مجرات اليوم، ولديها أشكال غير منتظمة أكثر، وتكوين نجمي أسرع من المجرات التي نراها بالقرب من كون اليوم. هذا يدل على أن أجزاء المجرة الصغيرة جمعت نفسها في المجرات الأكبر التي نراها اليوم.

    مسرد المصطلحات

    تطور المجرات
    التغيرات في المجرات الفردية على مر الزمن الكوني، والتي يتم استنتاجها من خلال مراقبة لقطات للعديد من المجرات المختلفة في أوقات مختلفة من حياتها