28.5: تكوين وتطور المجرات والبنية في الكون
- Page ID
- 197630
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- لخص النظريات الرئيسية التي تحاول شرح كيفية تشكل المجرات الفردية
- اشرح كيف نمت «بذور» المادة المظلمة الصغيرة في بداية الكون من خلال الجاذبية على مدى مليارات السنين إلى أكبر الهياكل التي لوحظت في الكون: مجموعات المجرات والمجموعات الفائقة والخيوط والفراغات
كما هو الحال مع معظم فروع العلوم الطبيعية، يرغب علماء الفلك وعلماء الكونيات دائمًا في معرفة إجابة السؤال، «كيف وصلت الأمور بهذه الطريقة؟» ما الذي جعل المجرات ومجموعات المجرات والمجموعات الفائقة والفراغات والخيوط تبدو بالشكل الذي تبدو عليه؟ يعد وجود مثل هذه الخيوط الكبيرة من المجرات والفراغات لغزًا مثيرًا للاهتمام لأن لدينا دليلًا (سيتم مناقشته في The Big Bang) على أن الكون كان سلسًا للغاية حتى بعد بضع مئات الآلاف من السنين من تكوينه. يتمثل التحدي الذي يواجه المنظرين في فهم كيف تحول كون عديم المعالم تقريبًا إلى عالم معقد ومتكتل نراه اليوم. مسلحين بملاحظاتنا وفهمنا الحالي لتطور المجرة عبر الزمن الكوني والمادة المظلمة والبنية واسعة النطاق، نحن الآن على استعداد لمحاولة الإجابة على هذا السؤال على بعض أكبر المقاييس الممكنة في الكون. كما سنرى، فإن الإجابة المختصرة لكيفية وصول الكون بهذه الطريقة هي «المادة المظلمة+الجاذبية+الوقت».
كيف تتشكل المجرات وتنمو
لقد رأينا بالفعل أن المجرات كانت أكثر عددًا، ولكنها أصغر وزرقاء وأكثر تكتلاً، في الماضي البعيد مما هي عليه اليوم، وأن عمليات دمج المجرات تلعب دورًا مهمًا في تطورها. في الوقت نفسه، لاحظنا الكوازارات والمجرات التي تنبعث منها ضوءها عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة - لذلك نعلم أن التكثفات الكبيرة للمادة قد بدأت تتشكل في وقت مبكر على الأقل. لقد رأينا أيضًا في المجرات النشطة والكوازار والثقوب السوداء فائقة الكتلة أن العديد من الكوازارات موجودة في مراكز المجرات الإهليلجية. هذا يعني أن بعض التركيزات الكبيرة الأولى للمادة يجب أن تكون قد تطورت إلى المجرات الإهليلجية التي نراها في عالم اليوم. يبدو من المحتمل أن الثقوب السوداء الهائلة في مراكز المجرات والتوزيع الكروي للمادة العادية من حولها تشكلت في نفس الوقت ومن خلال العمليات الفيزيائية ذات الصلة.
لم يصل التأكيد الدرامي لهذه الصورة إلا في العقد الماضي، عندما اكتشف علماء الفلك علاقة تجريبية غريبة: كما رأينا في المجرات النشطة والكوازار والثقوب السوداء فائقة الكتلة، كلما زادت ضخامة المجرة، كلما زاد حجم الثقب الأسود المركزي. بطريقة ما، «يعرف» الثقب الأسود والمجرة ما يكفي عن بعضهما البعض لتتناسب مع معدلات نموهما.
هناك نوعان رئيسيان من نماذج تكوين المجرات لشرح كل هذه الملاحظات. يؤكد الأول أن المجرات الإهليلجية الضخمة تشكلت في انهيار واحد سريع للغاز والمادة المظلمة، حيث تم تحويل كل الغاز تقريبًا بسرعة إلى نجوم. بعد ذلك تغيرت المجرات ببطء فقط مع تطور النجوم. هذا ما يسميه علماء الفلك سيناريو «من أعلى إلى أسفل».
يشير النموذج الثاني إلى أن الأجهزة الإهليلجية العملاقة اليوم تشكلت في الغالب من خلال عمليات دمج المجرات الصغيرة التي حولت بالفعل بعضًا من غازها على الأقل إلى نجوم - سيناريو «من أسفل إلى أعلى». بعبارة أخرى، ناقش علماء الفلك ما إذا كانت الأشكال البيضاوية العملاقة شكلت معظم نجومها في المجرة الكبيرة التي نراها اليوم أو في المجرات الصغيرة المنفصلة التي اندمجت لاحقًا.
نظرًا لأننا نرى بعض الكوازارات المضيئة عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة، فمن المحتمل أن بعض الأشكال البيضاوية العملاقة على الأقل بدأت تطورها مبكرًا جدًا من خلال انهيار سحابة واحدة. ومع ذلك، يبدو أن أفضل دليل يظهر أيضًا أن المجرات الإهليلجية العملاقة الناضجة مثل تلك التي نراها بالقرب منها كانت نادرة قبل أن يبلغ عمر الكون حوالي 6 مليارات سنة وأنها أكثر شيوعًا اليوم مما كانت عليه عندما كان الكون صغيرًا. تشير الملاحظات أيضًا إلى أن معظم الغاز في المجرات الإهليلجية تم تحويله إلى نجوم بحلول الوقت الذي كان فيه الكون يبلغ حوالي 3 مليارات سنة، لذلك يبدو أن المجرات الإهليلجية لم تشكل العديد من النجوم الجديدة منذ ذلك الحين. غالبًا ما يُقال إنها «حمراء وميتة» - أي أنها تحتوي في الغالب على نجوم قديمة ورائعة وحمراء، وهناك القليل من تكوين النجوم الجديدة أو معدوم.
تشير هذه الملاحظات (عند النظر إليها معًا) إلى أن المجرات الإهليلجية العملاقة التي نراها بالقرب منها تشكلت من مزيج من الآليات من أعلى إلى أسفل ومن أسفل إلى أعلى، مع تشكل المجرات الأكثر ضخامة في المجموعات الأكثر كثافة حيث حدثت العمليتان في وقت مبكر جدًا وبسرعة في تاريخ كون.
يبدو أن الوضع مع المجرات الحلزونية مختلف تمامًا. تشكلت انتفاخات هذه المجرات مبكرًا، مثل المجرات البيضاوية (الشكل\(\PageIndex{1}\)). ومع ذلك، تشكلت الأقراص لاحقًا (تذكر أن النجوم الموجودة في قرص درب التبانة أصغر من النجوم في الانتفاخ والهالة) ولا تزال تحتوي على الغاز والغبار. ومع ذلك، فإن معدل تكوين النجوم في اللوالب اليوم أقل بحوالي عشر مرات مما كان عليه قبل 8 مليارات سنة. ينخفض عدد النجوم المتكونة مع استهلاك الغاز. لذلك يبدو أن اللوالب تتشكل في الغالب «من الأسفل إلى الأعلى» ولكن لفترة أطول من الأشكال البيضاوية وبطريقة أكثر تعقيدًا، مع مرحلتين متميزتين على الأقل.
اعتقد هابل في الأصل أن المجرات الإهليلجية صغيرة وستتحول في النهاية إلى حلزونات، وهي فكرة نعرف الآن أنها ليست صحيحة. في الواقع، كما رأينا أعلاه، من المرجح أن يكون العكس هو الصحيح: يمكن أن يتحول اللوالب اللذان يصطدمان معًا تحت جاذبيتهما المتبادلة إلى شكل بيضاوي.
على الرغم من هذه التطورات في فهمنا لكيفية تشكل المجرات وتطورها، لا تزال هناك العديد من الأسئلة. على سبيل المثال، من الممكن أيضًا، في ضوء الأدلة الحالية، أن تفقد المجرات الحلزونية أذرعها وأقراصها الحلزونية في حدث الاندماج، مما يجعلها تبدو أشبه بمجرة بيضاوية الشكل أو غير منتظمة، ثم تستعيد القرص والأذرع مرة أخرى لاحقًا إذا بقي ما يكفي من الغاز متاحًا. لا تزال قصة كيفية اتخاذ المجرات لأشكالها النهائية قيد الكتابة بينما نتعلم المزيد عن المجرات وبيئتها.
تكوين مجموعات المجرات والمجموعات الفائقة والفراغات والخيوط
إذا بدا أن المجرات الفردية تنمو في الغالب عن طريق تجميع القطع الصغيرة معًا بشكل جذاب عبر الزمن الكوني، فماذا عن مجموعات المجرات والهياكل الأكبر مثل تلك الموضحة في الشكل\(28.3.8\) في القسم 28.3؟ كيف نفسر الخرائط واسعة النطاق التي تُظهر المجرات الموزعة على جدران الهياكل الضخمة الشبيهة بالإسفنج أو الفقاعة التي تمتد لمئات الملايين من السنين الضوئية؟
كما رأينا، وجدت الملاحظات أدلة متزايدة على التركيزات والخيوط والمجموعات والمجموعات الفائقة للمجرات عندما كان عمر الكون أقل من 3 مليارات سنة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). هذا يعني أن تركيزات كبيرة من المجرات قد اجتمعت بالفعل عندما كان عمر الكون أقل من ربع عمره الآن.
تحكي جميع النماذج المفضلة حاليًا تقريبًا عن كيفية تشكل البنية واسعة النطاق في الكون قصة مشابهة لتلك الخاصة بالمجرات الفردية: «بذور» المادة المظلمة الصغيرة في الحساء الكوني الساخن بعد الانفجار العظيم نمت بالجاذبية إلى هياكل أكبر وأكبر مع مرور الوقت الكوني (الشكل\(\PageIndex{3}\)). يجب أن تكون النماذج النهائية التي نبنيها قادرة على شرح الحجم والشكل والعمر والعدد والتوزيع المكاني للمجرات والعناقيد والخيوط - ليس فقط اليوم، ولكن أيضًا في زمن بعيد. لذلك، يعمل علماء الفلك بجد لقياس ثم نمذجة تلك الميزات للهيكل واسع النطاق بأكبر قدر ممكن من الدقة. حتى الآن، يبدو أن مزيجًا من 5٪ من الذرات العادية و 27٪ من المادة المظلمة الباردة و 68٪ من الطاقة المظلمة هو أفضل طريقة لشرح جميع الأدلة المتاحة حاليًا (انظر The Big Bang).
المربع الموجود على اليسار مكتوب عليه «الانفجار الكبير»، والمربع الموجود في المنتصف غير مسمى والمربع الموجود على اليمين يسمى «موجود». يشير سهم أبيض من اليسار إلى اليمين يمثل اتجاه الوقت.
حتى أن العلماء لديهم نموذج لشرح كيف اكتسب «حساء» ساخن وموحد تقريبًا من الجسيمات والطاقة في بداية الوقت هيكلًا يشبه الجبن السويسري الذي نراه الآن على أكبر المقاييس. كما سنرى في The Big Bang، عندما كان عمر الكون بضع مئات الآلاف من السنين فقط، كان كل شيء في درجة حرارة تصل إلى بضعة آلاف من الدرجات. يشير المنظرون إلى أنه في ذلك الوقت المبكر، كان كل الغاز الساخن يهتز، مثلما تهتز الموجات الصوتية هواء ملهى ليلي بنطاق صاخب بشكل خاص. يمكن أن يؤدي هذا الاهتزاز إلى تركيز المادة في قمم عالية الكثافة وخلق مساحات فارغة بينها. عندما يبرد الكون، كانت تركيزات المادة «تتجمد»، وتكونت المجرات في النهاية من المادة في هذه المناطق عالية الكثافة.
الصورة الكبيرة
لإنهاء هذا الفصل، دعونا نجمع كل هذه الأفكار معًا لسرد قصة متماسكة عن كيفية ظهور الكون بالشكل الذي يبدو عليه. في البداية، كما قلنا، كان توزيع المادة (المضيئة والمظلمة على حد سواء) تقريبًا، ولكن ليس تمامًا، سلسًا وموحدًا. هذا «ليس تمامًا» هو مفتاح كل شيء. هنا وهناك كتل كانت فيها كثافة المادة (المضيئة والمظلمة) أعلى قليلاً من المتوسط.
في البداية، توسعت كل كتلة فردية لأن الكون كله كان يتوسع. ومع ذلك، مع استمرار الكون في التوسع، اكتسبت المناطق ذات الكثافة العالية المزيد من الكتلة لأنها مارست قوة جاذبية أكبر قليلاً من المتوسط على المواد المحيطة. إذا كان الجذب الداخلي للجاذبية مرتفعًا بدرجة كافية، فإن المناطق الفردية الأكثر كثافة توقفت في النهاية عن التوسع. ثم بدأت في الانهيار إلى نقاط غير منتظمة الشكل (هذا هو المصطلح الفني الذي يستخدمه علماء الفلك!). في العديد من المناطق، كان الانهيار أسرع في اتجاه واحد، لذلك لم تكن تركيزات المادة كروية ولكنها أصبحت تشبه الكتل العملاقة والفطائر والخيوط الشبيهة بالحبل - كل منها أكبر بكثير من المجرات الفردية.
كانت هذه الكتل الطويلة موجودة في جميع أنحاء الكون المبكر، وكانت موجهة في اتجاهات مختلفة وتنهار بمعدلات مختلفة. قدمت الكتل إطارًا للهياكل الخيطية الكبيرة الشبيهة بالفقاعات التي نراها محفوظة في الكون اليوم.
ثم شرع الكون في «بناء نفسه» من الأسفل إلى الأعلى. داخل الكتل، تشكلت الهياكل الصغيرة أولاً، ثم اندمجت لبناء هياكل أكبر، مثل قطع الليغو التي يتم تجميعها واحدة تلو الأخرى لإنشاء مدينة ليغو عملاقة. كانت التركيزات الكثيفة الأولى للمادة التي انهارت هي حجم المجرات القزمية الصغيرة أو المجموعات الكروية - مما يساعد على تفسير سبب كون العناقيد الكروية أقدم الأشياء في درب التبانة ومعظم المجرات الأخرى. ثم يتم تجميع هذه الأجزاء تدريجيًا لبناء المجرات ومجموعات المجرات، وفي النهاية، مجموعات فائقة من المجرات.
وفقًا لهذه الصورة، تشكلت المجرات الصغيرة ومجموعات النجوم الكبيرة لأول مرة في المناطق الأعلى كثافة على الإطلاق - الشعيرات والعقد التي تتقاطع فيها الفطائر - عندما كان الكون حوالي 2٪ من عمره الحالي. ربما تكون بعض النجوم قد تشكلت حتى قبل ظهور مجموعات النجوم والمجرات الأولى. تسببت بعض التصادمات بين المجرات والمجرات في حدوث انفجارات ضخمة من تكوين النجوم، وأدى بعضها إلى تكوين ثقوب سوداء. في تلك البيئة الغنية والمزدحمة، وجدت الثقوب السوداء طعامًا ثابتًا ونمت بكميات كبيرة. ثم أدى تطور الثقوب السوداء الضخمة إلى إطلاق كوازارات ونواة مجرية نشطة أخرى أدت تدفقاتها القوية من الطاقة والمادة إلى إيقاف تكوين النجوم في المجرات المضيفة لها. يجب أن يكون الكون المبكر مكانًا مثيرًا!
ثم تشكلت مجموعات المجرات عندما تجمعت المجرات الفردية، ويتم تجميعها معًا من خلال جاذبيتها المتبادلة (الشكل\(\PageIndex{4}\)). أولاً، اجتمعت بعض المجرات لتشكيل مجموعات، تشبه إلى حد كبير مجموعتنا المحلية. ثم بدأت المجموعات في الاندماج لتشكيل مجموعات، وفي النهاية، مجموعات فائقة. يتنبأ هذا النموذج بأن المجموعات والمجموعات الفائقة يجب أن تظل في طور التجمع معًا، وتشير الملاحظات في الواقع إلى أن المجموعات لا تزال تجمع قطعان المجرات الخاصة بها وتجمع المزيد من الغاز أثناء تدفقه على طول الخيوط. حتى أننا نرى في بعض الحالات مجموعات كاملة من المجرات تندمج معًا.
تشكلت معظم المجرات البيضاوية العملاقة من خلال تصادم ودمج العديد من الأجزاء الصغيرة. ربما تكون بعض المجرات الحلزونية قد تشكلت في مناطق معزولة نسبيًا من سحابة غاز واحدة انهارت لتكوين قرص مسطح، لكن البعض الآخر اكتسب المزيد من النجوم والغاز والمادة المظلمة من خلال التصادمات، والنجوم المكتسبة من خلال هذه التصادمات تملأ الآن هالاتها وانتفاخها. كما رأينا، لا تزال مجرة درب التبانة تلتقط المجرات الصغيرة وتضيفها إلى هالتها، وربما تسحب أيضًا الغاز النقي من هذه المجرات إلى قرصها.
ملخص
في البداية، تم توزيع المادة المضيئة والمظلمة في الكون تقريبًا - ولكن ليس تمامًا - بشكل موحد. يتمثل التحدي الذي تواجهه نظريات تكوين المجرات في إظهار كيف أدى هذا التوزيع السلس «غير التام» للمادة إلى تطوير الهياكل - المجرات ومجموعات المجرات - التي نراها اليوم. من المحتمل أن يكون التوزيع الخيطي للمجرات والفراغات قد تم بناؤه بالقرب من البداية، قبل أن تبدأ النجوم والمجرات في التكون. كانت التكثفات الأولى للمادة تدور حول كتلة عنقود نجمي كبير أو مجرة صغيرة. ثم اندمجت هذه الهياكل الصغيرة بمرور الوقت الكوني لتشكيل المجرات الكبيرة ومجموعات المجرات والمجموعات الفائقة من المجرات. لا تزال المجموعات الفائقة اليوم تجمع المزيد من المجرات والغاز والمادة المظلمة. ولا تزال المجرات الحلزونية مثل درب التبانة تحصل على المواد من خلال التقاط المجرات الصغيرة القريبة منها.