کاوش در نخستین دوران های کیهان: ردیابی اولین ستارگان از طریق سیگنال های رادیویی کهن

کاوش در کهن‌ترین عصرها: جستجوی اولین ستارگان از طریق سیگنال‌های رادیویی باستانی

برای دهه‌ها، منجمان به دنبال شواهد مستقیم از نخستین ستارگان جهان بوده‌اند؛ فانوس‌های باستانی که صدها میلیون سال پس از مهبانگ، تاریکی کیهانی را روشن کردند. گرچه این ستارگان ابتدایی تا کنون به‌طور مستقیم مشاهده نشده‌اند، اما یک سیگنال بسیار ضعیف رادیویی که حدود ۱۰۰ میلیون سال پس از تولد کیهان ساطع شده، شاید سرنخ‌هایی حیاتی درباره وجود و ماهیت آنها ارائه دهد.

سیگنال ۲۱ سانتی‌متری هیدروژن: پنجره‌ای به گذشته کیهانی

یکی از ابزارهای نویدبخش در مطالعه آغازین کیهان، خط ۲۱ سانتی‌متری هیدروژن است؛ تابشی خاص در طیف رادیویی که از اتم‌های هیدروژن خنثی منتشر می‌شود. این ماده، دنیای کیهان را اندکی پس از مهبانگ پر کرده بود. تغییرات ظریف در این سیگنال، که در اثر برهم‌کنش با نخستین ستارگان ایجاد شده‌اند، می‌توانند اطلاعات کلیدی درباره ویژگی‌هایی همچون جرم و طول عمر این ستارگان در خود داشته باشند.

نظریه‌های کنونی اخترفیزیک پیشنهاد می‌کنند که اولین ستارگان که گاهی با عنوان ستارگان جمعیت سوم (Population III) شناخته می‌شوند، از ابرهای عظیم هیدروژن و هلیم در کیهانی تاریک و بی‌ستاره شکل گرفته‌اند. دکتر آناستازیا فیالکوف از مؤسسه کاولی دانشگاه کمبریج می‌گوید: «این فرصتی منحصربه‌فرد است تا بیاموزیم نخستین نور جهان چگونه از دل تاریکی ظهور کرد. گذار کیهان از تاریکی سرد به عصری پر از ستاره، داستانی است که ما تازه شروع به درک آن کرده‌ایم.»

چرا نخستین ستارگان تا کنون از دید دانشمندان پنهان مانده‌اند؟

علیرغم جستجوهای گسترده، دانشمندان تاکنون نتوانسته‌اند ستاره‌ای از اولین نسل جهان را به طور مستقیم مشاهده کنند. یکی از دلایل مهم این موضوع به ویژگی‌های پیش‌بینی‌شده این ستارگان ابتدایی بازمی‌گردد. بسیاری از اخترفیزیک‌دانان معتقدند این ستارگان بسیار پرجرم بودند—شاید هزاران برابر خورشید ما—که بسیار درخشان اما کوتاه‌عمر بودند. این عمر کوتاه به همراه فاصله زیاد زمانی و مکانی، باعث شده به‌احتمال زیاد رد مستقیم آن‌ها برای همیشه ناپدید شده باشد.

با این حال، این غول‌های کیهانی ردپای خود را در محیط اطرافشان جای گذاشته‌اند. به طور خاص، شکل‌گیری، زندگی و مرگ این ستارگان موجب تغییراتی در ویژگی‌های گاز هیدروژن محیطی شد و همین امر باعث تغییرات در سیگنال ۲۱ سانتی‌متری می‌شود که امروزه با تلسکوپ‌های رادیویی پیشرفته قابل ردیابی است.

تلسکوپ‌های رادیویی در آستانه کشف: SKA و REACH

برای شناسایی این نشانه‌های کیهانی، منجمان به مجموعه‌های تلسکوپ رادیویی پیشرفته مانند آرایه کیلومتر مربعی (SKA) در استرالیا و آفریقای جنوبی و پروژه REACH (آزمایش رادیویی برای تحلیل هیدروژن کیهانی) در آفریقای جنوبی مراجعه می‌کنند. این مراکز مدرن از حساسیت بی‌سابقه‌ای برای شناسایی سیگنال‌های ضعیف ۲۱ سانتی‌متری که میلیاردها سال پیش ارسال شده‌اند، برخوردارند.

اخیراً یک تیم پژوهشی به رهبری توماس گسی-جونز از دانشگاه کمبریج شبیه‌سازی‌هایی انجام داده است تا نشان دهد نخستین ستارگان چگونه می‌توانستند سیگنال ۲۱ سانتی‌متری کیهانی را تحت تأثیر قرار دهند. این شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند اثرات قابل آشکاری بر این سیگنال به‌جا مانده که مانند اثر انگشت کیهانی عمل می‌کنند و با ورود داده‌های رصدی واقعی، قابل رهگیری خواهند بود. مدل‌ها همچنین تأثیر تابش ایکس حاصل از مرگ ستارگان پرجرم (تبدیل به ستاره نوترونی یا سیاه‌چاله) را نیز که در مطالعات پیشین کمتر مورد توجه قرار گرفته بود، لحاظ می‌کنند.

دکتر فیالکوف می‌افزاید: «ما نخستین گروهی هستیم که به طور کامل وابستگی سیگنال ۲۱ سانتی‌متری به جرم نخستین ستارگان و تأثیر تابش فرابنفش و پرتوهای ایکس ناشی از بقایای ستارگان اولیه را مدل‌سازی کردیم. این دانش بر اساس شبیه‌سازی‌هایی است که شرایط آغازین کیهان و نسبت اولیه هیدروژن-هلیم را در نظر می‌گیرند.»

نقش مرگ ستارگان پرجرم و تابش ایکس

با مرگ ستارگان نخستین و فروپاشی هسته آنها، اجسام بسیار چگالی مانند ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله شکل گرفتند. این بقایا تابش شدید پرتو ایکس ایجاد می‌کنند که می‌تواند هیدروژن اطراف را یونیزه کند و سیگنال ۲۱ سانتی‌متری را به طور محسوسی دگرگون سازد. پژوهش جدید نشان می‌دهد که در نظر گرفتن این فرآیند برای تفسیر دقیق داده‌های حاصل از تلسکوپ‌های نسل جدید بسیار حیاتی است.

دکتر الوی دلرا آسدو از دانشگاه کمبریج تأکید می‌کند: «پیش‌بینی‌های ما پیامدهای مهمی برای درک نخستین ستارگان کیهان دارند. اکنون می‌توانیم نشان دهیم تلسکوپ‌های رادیویی قادرند اطلاعات کلیدی درباره جرم این ستارگان ابتدایی و تفاوت‌شان با ستارگان امروزی ارائه دهند.»

جمع‌بندی

کشف و تحلیل سیگنال ضعیف ۲۱ سانتی‌متری هیدروژن، گامی تحول‌آفرین در اخترشناسی رصدی به شمار می‌آید. با ترکیب مدل‌سازی‌های نظری پیشرفته و حساسیت بی‌نظیر رصدخانه‌های رادیویی نوین مانند SKA و REACH، اخترشناسان بیش از هر زمان دیگری به رمزگشایی اسرار نخستین ستارگان کیهان نزدیک شده‌اند. چنین یافته‌هایی نه تنها درک ما از تحول ستاره‌ای را عمق می‌بخشد، بلکه زمینه‌ساز تبیین دقیق‌تر آغازین‌ترین ادوار تاریخ کیهان خواهد بود و نمایی از زمانی که جهان نخستین بار با نور ستارگان روشن شد، ارائه می‌دهد.