ستارگان پنهان وزن کهکشان های آغازین را تغییر دادند

نورِ دوران جوانی کیهان می‌تواند شما را فریب دهد. از فاصله میلیاردها سال نوری، درخشان‌ترین ستاره‌ها بلندتر از همه خودنمایی می‌کنند و همسایگان کم‌نورتر را پنهان می‌سازند، در حالی که همین همسایگان در مجموع می‌توانند از چند ستاره پرزرق‌وبرق سنگین‌تر باشند.

یک گروه بین‌المللی به سرپرستی اخترشناسانی که از تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا استفاده کرده‌اند، همراه با داده‌های آرشیوی تلسکوپ بسیار بزرگ، دریافته است که برخی کهکشان‌های عظیم که در اوایل تاریخ کیهان شکل گرفته‌اند، جمعیت بسیار بزرگ‌تری از ستاره‌های کم‌جرم را در خود جای داده‌اند از آنچه پژوهشگران تصور می‌کردند. این گروه با کالبدشکافی طیف کهکشان‌ها به کمک مدل‌های تازه و رصدهایی با دقتی کم‌سابقه، اثرانگشت‌های طیفی را آشکار کرد که از یک اکثریت ستاره‌ای پنهان و کم‌نور خبر می‌دهند؛ همان نوع ستاره‌هایی که به‌تنهایی به‌سختی می‌درخشند، اما در کنار هم جرم چشمگیری را حمل می‌کنند.

نمونه بررسی‌شده کوچک اما معنادار بود: نه کهکشان پرجرم و بالغ که مدت‌ها پیش فرایند ستاره‌زایی در آن‌ها متوقف شده بود. وقتی پژوهشگران رنگ‌های درهم‌آمیخته در نور هر کهکشان را از هم جدا کردند، با نکته‌ای غیرمنتظره روبه‌رو شدند. نور چند غول درخشان، هم‌سرایی ستاره‌های کم‌نورتر و کم‌جرم را در خود غرق کرده بود. پس از بیرون کشیدن این سیگنال‌های ظریف‌تر، جرم ستاره‌ای برآوردشده برای برخی کهکشان‌ها به‌طور چشمگیری افزایش یافت؛ گاهی سه یا چهار برابر.

این وضعیت را مانند خط افق شهری در شب تصور کنید. چند آسمان‌خراش بر منظره غالب می‌شوند، اما میان آن‌ها هزاران خانه کوچک قرار دارد. از دور، برج‌ها به چشم می‌آیند. با نگاهی دقیق‌تر درمی‌یابید که حومه شهر گسترده و سنگین است. همین ایده درباره این سامانه‌های باستانی نیز صدق می‌کند: ستاره‌های درخشان وجود یک کهکشان را آشکار می‌کنند، اما وزن واقعی آن کهکشان ممکن است بر دوش بی‌شمار ستاره کم‌نوری باشد که نزدیک بود از دید پنهان بمانند.

این اندازه‌گیری‌ها یکی از فرض‌های دیرینه در مطالعات کهکشانی را به چالش می‌کشند: این‌که ترکیب اولیه جرم ستاره‌ها تقریبا در همه‌جا یکسان است. اخترشناسان اغلب از یک توزیع استاندارد استفاده می‌کنند تا نور یک کهکشان را به جرم کل آن تبدیل کنند؛ روشی که در بسیاری از سامانه‌های نزدیک به‌خوبی جواب می‌دهد. تحلیل تازه مبتنی بر جیمز وب نشان می‌دهد که در پرجرم‌ترین کهکشان‌های جهان آغازین، ترکیب ستاره‌ای به‌سوی ستاره‌های کم‌جرم متمایل بوده است؛ یعنی برآوردهای پیشین از جرم کهکشان‌ها ممکن است به‌طور نظام‌مند کمتر از مقدار واقعی بوده باشد.

یکی از اجرام این مجموعه بیش از بقیه جلب توجه کرد. این جرم که حدود ۱٫۵ میلیارد سال پس از مه‌بانگ شکل گرفته است، به نظر می‌رسد تا چهار برابر جرم ستاره‌ای بیشتری نسبت به برآوردهای قبلی بر پایه فرض‌های رایج داشته باشد. اگر این نتیجه در جمعیت بزرگ‌تری از کهکشان‌ها نیز تأیید شود، تصویر ما از زمان و چگونگی شکل‌گیری نخستین کهکشان‌های سنگین باید بازنگری شود. این وزن اضافه، معمایی رو به رشد را پیچیده‌تر می‌کند: تلسکوپ جیمز وب پیش‌تر نیز کهکشان‌هایی شگفت‌آور بالغ و پرجرم را در دوره‌هایی آشکار کرده بود که طبق مدل‌های استاندارد، چنین سامانه‌هایی باید نادر باشند.

پیامدهای این یافته دامنه‌دار است. شبیه‌سازی‌های شکل‌گیری کهکشان باید فرایندهایی را در نظر بگیرند که از همان اوایل کیهان تعداد زیادی ستاره کم‌جرم می‌سازند. جرم ستاره‌ای بر پتانسیل گرانشی، تاریخچه ادغام کهکشان‌ها و کارایی بازخوردهایی اثر می‌گذارد که ستاره‌زایی را تنظیم می‌کنند. حتی مطالعات سیارات فراخورشیدی نیز ممکن است از این نتیجه تأثیر بگیرند، زیرا ستاره‌های کم‌جرم میزبان‌هایی پربار برای سیاره‌ها هستند؛ وجود ستاره‌های کم‌جرم بیشتر در جهان آغازین می‌تواند به معنای گنجینه‌ای غنی‌تر از سامانه‌های سیاره‌ای باستانی باشد از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد.

اخترشناسان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا با روش‌های پیشرفته مدل‌سازی به استخراج ویژگی‌های طیفی ضعیف از داده‌های پرنویز کمک کردند. این تلاش به حساسیت تلسکوپ جیمز وب و طیف‌های با وضوح بالایی وابسته بود که رصدخانه‌های زمینی فراهم کردند. ترکیب ابزارها و تحلیل‌ها پنجره‌ای را گشود که پیش از این عملا بسته بود.

گام بعدی چیست؟ این گروه قصد دارد همین رویکرد را به زمان‌های حتی دورتر کیهانی ببرد و در جست‌وجوی نشانه‌های ستاره‌های کم‌نور، به دوره‌ای نزدیک‌تر شود که نخستین نسل‌های ستاره‌ها و کهکشان‌ها در هستی شروع به درخشیدن کردند. هر طیف تازه می‌تواند یک روند را تأیید کند یا نظریه‌پردازان را وادار سازد دوباره از ابتدا به مسئله نگاه کنند.