8 دقیقه
آنها در نور سرد میان ستارگان پنهان شده بودند — کهکشانهای کمنور و پوشیده از غبار که دورهٔ شناختهشدهٔ تشکیل شدید ستاره را به اعماق گذشتهٔ کیهان میرانند. این کشف تنها یک تلنگر کوچک به روایت تاریخ کیهانی ما نیست؛ بلکه پرسشی اساسی را مطرح میکند که نیاز به بازنگری در زمانبندی و مکانیزمهای ساخت عناصر سنگین و غبار در نسلهای نخستین کهکشانها دارد.
با استفاده از ترکیب قدرتمند آرایهٔ میلیمتری/زیرمیلیمتری آتاکاما (ALMA) و تلسکوپ فضایی جیمز وب، پژوهشگران کهکشانهای ضعیف و غبارآلود در لبهٔ منطقهٔ قابل مشاهدهٔ کیهان را شناسایی کردهاند. این سامانههای دیرپدید ممکن است مرحلهٔ گذار مهمی در تکامل کهکشانها را نشان دهند و پلهایی میان گروههای شناختهشدهٔ پیشین برقرار کنند.
یک تیم بینالمللی به رهبری دانشگاه ماساچوست امهرست، جمعیتی از کهکشانهای غبارآلود و در حال تشکیل ستاره را کشف کرده است که حدود یک میلیارد سال پس از بیگ بنگ ظهور کردهاند. این همکاری شامل نزدیک به پنجاه اخترشناس از چهارده کشور است که تصویرسازی عمیق زیرمیلیمتری از آرایهٔ آتاکاما (ALMA) را با رصدهای مادونقرمز نزدیکِ تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ترکیب کردهاند تا اجرامی را آشکار سازند که در بیشتر پیمایشهای نوری از دید میلغزند.
چگونه آنها را یافتند
در اخترشناسی، غبار نقش یک عامل دوگانه را ایفا میکند: هم میپوشاند و هم نشانه میدهد. ذرات ریز کربن و سیلیکات در غبار، نور فرابنفش و مرئی منتشره از ستارگان جوان و داغ را جذب میکنند و باعث میشوند که کهکشان میزبان در تلسکوپهای نوری سنتی تقریباً نامرئی به نظر برسد. اما همین غبار، انرژی جذبشده را گرم و دوباره به صورت تابش فروسرخ — در طولموجهایی که ALMA و JWST قادر به آشکارسازیشان هستند — بازتاب میدهد. هر یک از این ابزارها در بازهٔ طولموجی مکملی حساسیت بالایی دارند: ALMA در باندهای میلیمتری/زیرمیلیمتری و JWST بهویژه با ابزارهایی مانند NIRCam و MIRI در مادونقرمز نزدیک تا میانی.
تیم پژوهشی کار خود را با فهرستی از حدود 400 منبع روشن و غنی از غبار که توسط ALMA شناسایی شده بودند آغاز کرد. سپس در نقشههای مادونقرمز نزدیک JWST به دنبال همتایان کمنور گشتند و حدود 70 نامزد کهکشان را جدا کردند که رنگها و شار کم آنها نشاندهندهٔ فواصل بسیار بزرگ (ردشیفتهای بالا) بود. برای بلند کردن این سیگنالهای ضعیف از میان نویز، پژوهشگران از روش «stacking» در دادههای ALMA استفاده کردند — تکنیکی که با میانگینگیری از مشاهدات متعدد، تابش زمینهای اجرامی را آشکار میکند که بهتنهایی برای مطالعهٔ امن بسیار ضعیف هستند. این فرایند شامل همترازی دقیق تصاویر، حذف اجرام زمینهای و ارزیابی آماری خطاها میشد تا اطمینان حاصل شود که سیگنال جمعشده واقعی و ناشی از منابع دور است.
با انجام stacking، یک زیرمجموعه از این نامزدها به عنوان سامانههای غبارآلودی تأیید شدند که تقریباً 13 میلیارد سال پیش شکل گرفتهاند. از میان اینها، نویسندگان روی حدود هجده کهکشان تأکید کردهاند که سن و ویژگیهای استنباطشدهٔ آنها را در انتهای یک میلیارد سال نخستِ عمر کیهان قرار میدهد — دورهای که طی آن، بر اساس بسیاری از مدلها، وجود سامانههای عظیم و غنی از غبار باید نادر باشد. این نتایج بهویژه زمانی جالب میشود که به سازوکارهای تولید غبار و عناصر سنگین در اوایل کیهان توجه کنیم: آیا ابرنواخترهای هستهایِ پرجرم یا ستارگان AGB اولیه مسئولیت عمدهٔ تولید غبار را داشتهاند؟ سنها و نرخهای تشکیل ستارهٔ استخراجشده میتوانند سرنخهایی به ما بدهند.
«ما در حال مشاهدهٔ کهکشانهایی هستیم که فلزات و غبار را بسیار سریع تجمع کردهاند،» گفت خورخه زوالا، نویسندهٔ اصلی و استادیار اخترشناسی در دانشگاه UMass Amherst. «وجود این سامانهها نشان میدهد که تشکیل ستارهٔ پرتحرک و غنیسازی شیمیایی بهمراتب زودتر از پیشبینیهای سادهٔ ما رخ داده است.» این جمله نشاندهندهٔ اختلاف میان مشاهدات و برخی پیشبینیهای نظری است و نیازمند بازنگری در پارامترهایی مانند کارایی تبدیل گاز به ستاره و نرخ تولید غبار در رویدادهای انفجاری ستارهای است.
چرا این موضوع برای تکامل کیهانی اهمیت دارد
جمعیت تازهٔ آشکارشده ممکن است «میانگین مفقود» در یک خط زمانی پراکنده شده را پر کند. مطالعات اخیر JWST کهکشانهای بسیار درخشان و با تشکیل ستارهٔ شدید را در رِدشیفتهای بسیار بالا یافتهاند — مرحلهای که بهنوعی نوجوانی پرانرژی کیهان را نشان میدهد. از سوی دیگر، رصدها کهکشانهای منفعل و بهنسبتِ پرجرمی را شناسایی کردهاند که بهظاهر شکلگیری ستاره را ظرف یک تا دو میلیارد سال پس از بیگ بنگ متوقف کردهاند. کهکشانهای غبارآلود در میانهٔ این مراحل قرار دارند: نه تازهمتولدهای آبی و داغِ شدید، و نه سالمندان خاموش. آنها شبیه بزرگسالان جوانِ کیهان هستند؛ سامانههایی که هم ستارهزایی فعال دارند و هم بهاندازهٔ کافی زمان داشتهاند تا فلزات و غبار تولید کنند.
این تصویر مهم است زیرا دیدگاه ما را دربارهٔ زمان و مکان تشکیل عناصر سنگین و غبار تغییر میدهد، سرعت تبدیل گاز به ستاره در نسلهای نخست کهکشانها را بازتعریف میکند و نحوهٔ کنترل رشد توسط فرآیندهای بازخور — از جمله ابرنواخترها و احتمالاً سیاهچالههای اولیهٔ فعال — را روشنتر میسازد. اگر غبار و فلزات زودتر و گستردهتر از آنچه تصور میشد پخش شده باشند، این بر خروج فوتونها به فضای بینکهکشانی و میانجیهای بازاهمیت نقش داشته و بنابراین بر مطالعات بازیوژهسازی (reionization) نیز تأثیر میگذارد؛ زیرا میزان جذب و پراکندگی فوتونهای یونیزهکننده توسط غبار تعیینکنندهٔ زمان و نحوهٔ بازیوژهسازی است.
از منظر روششناختی، این کار نمونهای از اثربخشی اخترفیزیک چندطولیموجی مدرن است. حساسیت ALMA به تابش زیرمیلیمتری و عمق مادونقرمز نزدیک JWST ترکیبی قدرتمند برای شناسایی سامانههایی است که هیچکدام از این تأسیسات بهتنهایی قادر به توصیف کاملشان نبودند. پروژه بر پایهٔ تطبیق دقیق دادهها، برآوردهای رِدشیفت فوتومتریک، مدلسازی طیف تولید شده توسط ستارهها و غبار، و تخصص جمعی دهها مؤسسه انجام شد و با حمایت نهادهایی مانند بنیاد ملی علوم ایالات متحده (NSF) همراه بود. چنین همکاریهایی نشان میدهند که همگرا کردن منابع و دادههای چندمرکزی برای پاسخگویی به پرسشهای بنیادین کیهانشناسی ضروری است.
دیدگاه کارشناسان
«یافتن غبار زمانی بسیار نزدیک به بیگ بنگ به ما میگوید که موج اول تشکیل ستاره هم فشرده و هم کارا بوده است،» گفت دکتر آمینا خاتری، اخترفیزیکدانی متخصص شکلگیری کهکشانها. «این کهکشانها مانند آزمایشگاههای طبیعی هستند: آنها به ما اجازه میدهند تا بررسی کنیم چگونه اولین عناصر سنگین تولید و توزیع شدند. طیفسنجیهای پیگیری برای اندازهگیری سرعتها، جرمها و اثر انگشت شیمیایی آن ستارگان اولیه حیاتی خواهد بود.» در عمل، طیفسنجی جمعبندیشده با ابزارهای ALMA و JWST میتواند خطوط نشری کربن، اکسیژن و کربون مونوکسید را آشکار سازد که اطلاعاتی در بارهٔ دما، چگالی و ترکیب شیمیایی گاز فراهم میآورد.
نگاهی به آینده نشان میدهد که گامهای بعدی از نظر مفهومی سادهاند ولی از نظر فنی سخت و زمانبر. تأیید طیفسنجی با ALMA و JWST رِدشیفتها و خواص غبار را دقیقتر میکند؛ در عین حال، پیمایشهای پهنهٔ وسیعتر در طولموجهای زیرمیلیمتری میتواند مشخص کند که آیا این سامانههای غبارآلود کنجکاویهای نادرند یا یک حالت رایج در رشد کهکشانهای اولیه. پاسخ این سؤال سبب بازسازی مدلهای تشکیل ستاره، بازخوردهای انرژی و زمانبندی غنیسازی شیمیایی کیهان خواهد شد. افزون بر این، مقایسهٔ نتایج با شبیهسازیهای پیشرفتهٔ هیدرودینامیکی و مدلهای شیمیاییِ تولید غبار میتواند پارامترهای کلیدی مانند راندمان تشکیل ستاره و نرخ تولید غبار را محدودتر سازد.
هجده تا از کهکشانهای اخیراً کشفشدهٔ غبارآلود و در حال تشکیل ستاره (با رنگ قرمز) تقریباً 13 میلیارد سال پیش شکل گرفتهاند.
هیچ کشف واحدی به تنهایی تاریخچهٔ کیهان را از نو نمینویسد، اما این یافته رشتههایی را میکشد که جوانترین، درخشانترین و بهطرز شگفتآوری پیرِ کهکشانهایی را که از پیش میشناختیم به هم پیوند میدهد. یادآور این است که کیهان هنوز رازهایی دارد و جفتسازی ابزارهای مناسب میتواند نامرئی را ناگهان قابل رؤیت سازد. ادامهٔ کار با تحلیلهای طیفی، شبیهسازیهای نظری و پیمایشهای وسیعتر میتواند تصویر جامعتری از نقش غبار و فلزات در شکلگیری کهکشانها و تاثیری که بر بازیوژهسازی و ثبات محیط بینستارهای داشتهاند ارائه دهد.
منبع: scitechdaily
نظرات
کاوه_
من روی شبیهسازی کار میکنم، احتمالا نرخ تولید غبار باید بالاتر از مدلهای قدیمی باشه. حس میکنم این یافته با کارمون جور درمیاد
مهران
این واقعیه؟ ۱۳ میلیارد سال پیش غبار زیاد، یعنی ابرنواخترها یا ستارههای AGB خیلی زود کار کردن؟
استروست
گزارش منسجم و فنی؛ ترکیب ALMA و JWST واقعاً قدرتمنده ولی منتظر طیفو... طیفسنجیِ پیگیری لازمه
دیتاویو
وای، نمیدونستم که غبار بتونه اینقدر زود شکل بگیره... فکر میکنم باید مدلها سریع بازبینی بشن!
ارسال نظر