کشف زمزمه هیدروژن دوردست با رادیوتلسکوپ میرکت در کیهان

زمزمه‌ای بسیار کم‌جان از هیدروژن که در امتداد میلیاردها سال کش آمده بود، از میان نویزهای رادیویی به کمک میرکت آشکار شد. این از آن نوع سیگنال‌هایی نیست که خود را به‌سادگی نشان دهد. برای شنیدنش به صبر، تحلیل‌های پیشرفته و تلسکوپی نیاز دارید که واقعا آماده گوش‌دادن باشد.

گوش سپردن به نت بلند و بم کیهان

هیدروژن خنثی امواج رادیویی را در طول موج شاخصی حدود ۲۱ سانتی‌متر منتشر می‌کند. با انبساط فضا، این امواج کشیده‌تر می‌شوند و با طول موج‌های بلندتری به ما می‌رسند. اگر میزان این کشیدگی را اندازه بگیرید، به نوعی ساعت کیهانی دست پیدا می‌کنید. با افزودن موقعیت در آسمان، می‌توان جایگاه هیدروژن را در سه بعد مشخص کرد. همین ایده ساده، پایه نقشه‌برداری شدت هیدروژن است؛ روشی که در آن تابش رادیویی ترکیبیِ شمار زیادی از کهکشان‌ها به‌جای فهرست‌کردن تک‌تک آن‌ها، مانند پس‌زمینه‌ای بافت‌دار بررسی می‌شود.

یک تیم بین‌المللی با استفاده از رادیوتلسکوپ میرکت در آفریقای جنوبی موفق شد چنین سیگنال ضعیفی از هیدروژن را از حدود ۹۶ ساعت داده آرشیوی استخراج کند. تابشی که آن‌ها اندازه‌گیری کردند، سفر خود را چهار تا پنج میلیارد سال پیش آغاز کرده بود. آشکارسازی مستقیم هیدروژن خنثی در چنین فاصله‌هایی، بدون ترکیب داده‌های رادیویی با پیمایش‌های نوری کهکشان‌ها، اتفاقی رایج نیست. این کشف معادله را تغییر می‌دهد.

نمای میرکت از میدان آسمانی مشاهده‌شده. این تصویر رادیویی، بخشی از آسمان را نشان می‌دهد که در چارچوب این مطالعه با میرکت رصد شده است. نقاط روشن، کهکشان‌های گسیلنده امواج رادیویی و دیگر منابع فشرده هستند که تابش آن‌ها بسیار قوی‌تر از سیگنال کم‌جان هیدروژنی است که تیم پژوهشی قصد اندازه‌گیری آن را داشت. یکی از چالش‌های اصلی در نقشه‌برداری شدت هیدروژن، جداکردن این سیگنال فوق‌العاده ضعیف از تابش رادیویی پیش‌زمینه‌ای بسیار روشن‌تر و تداخل‌های ناخواسته است. خود سیگنال هیدروژن در این تصویر با چشم دیده نمی‌شود؛ این سیگنال از داده‌های میرکت و با تحلیل دقیق، برای جداسازی تابش کیهانی هیدروژن استخراج شده است. 

چگونه زمزمه‌ای را از دل طوفان بیرون کشیدند

موانع کم نیستند. منابع رادیویی پیش‌زمینه‌ای، مانند کهکشان‌های درخشان و گسیلنده‌های فشرده، می‌توانند ردپای هیدروژن را چندین مرتبه بزرگی تحت‌الشعاع قرار دهند. تداخل فرکانس رادیوییِ ساخته دست انسان نیز باندهای رصدی را آلوده می‌کند. خود ابزار هم اثرات ظریفی وارد داده‌ها می‌کند. جداکردن هیدروژن کیهانی از همه این موارد، همان‌قدر که مسئله‌ای سخت‌افزاری است، یک مسئله پیچیده داده‌محور نیز به شمار می‌رود. این تیم داده‌های رصدی سال ۲۰۱۸ را که پیش از بسیاری از کارزارهای بعدی میرکت ثبت شده بود، به‌دقت بررسی کرد و با اعمال کالیبراسیون‌ها و فیلترگذاری‌های سنجیده، سیگنال کیهان‌شناختی را جدا ساخت.

دکتر ژائوتینگ چن گفت: «هیدروژن خنثی یکی از اجزای کلیدی برای فهم چگونگی شکل‌گیری و تحول کهکشان‌هاست. در نقشه‌برداری شدت، نیازی نداریم هر کهکشان را به‌صورت جداگانه آشکار کنیم. در عوض، می‌توانیم سیگنال جمعی هیدروژن را در حجم‌های بزرگ کیهانی اندازه بگیریم؛ روشی تازه برای مطالعه هم‌زمان تحول کهکشان‌ها و توزیع بنیادی ماده در جهان.»

این اندازه‌گیری‌ها هیدروژن را در مقیاس‌هایی دنبال می‌کنند که با فاصله میان راه شیری و کهکشان آندرومدا قابل مقایسه است. چنین مقیاسی از نظر کیهان‌شناسی ارزشمند است، زیرا در همین اندازه‌هاست که ماده تاریک و باریون‌ها ساختار بزرگ‌مقیاس را شکل می‌دهند، رشته‌ها پدید می‌آیند و کهکشان‌ها خوشه‌بندی می‌شوند. استخراج این سیگنال به مدل‌سازی پیش‌زمینه‌ها و رفتار ابزار، حذف دقیق تداخل‌های زمینی و یک پردازش آماری با حداقل اتکا به فرضیات نیاز داشت تا نتیجه دچار سوگیری نشود.

چرا این کشف برای کیهان‌شناسی مهم است

• کارایی پیمایش: نقشه‌برداری شدت، حجم‌های عظیم کیهانی را بسیار سریع‌تر از پیمایش‌هایی اسکن می‌کند که هر کهکشان را به‌صورت جداگانه تفکیک می‌کنند.
• نقشه‌برداری ساختار: این روش نقشه‌های سه‌بعدی از هیدروژن فراهم می‌کند که توزیع ماده و شبکه کیهانی را ردیابی می‌کنند.
• سوخت کهکشان‌ها: هیدروژن خنثی ماده خام تشکیل ستاره‌هاست، بنابراین توزیع آن به مدل‌های تحول کهکشان کمک می‌کند.

دکتر سوراب پال، نویسنده اصلی مطالعه، گفت: «این یک نقطه عطف بسیار هیجان‌انگیز است. نقشه‌برداری شدت هیدروژن مدت‌هاست به‌عنوان روشی امیدبخش برای ترسیم کارآمد جهان شناخته می‌شود، اما سیگنال آن فوق‌العاده ضعیف است و جداسازی آن از تابش پیش‌زمینه، تداخل فرکانس رادیوییِ ساخت انسان و اثرات ابزاری دشوار است. آشکارسازی مستقیم آن با میرکت نشان می‌دهد این روش در حال تبدیل‌شدن به ابزاری عملی برای کیهان‌شناسی است.»

رصدهایی که در این تحلیل استفاده شدند، فرصت‌محور بودند. این داده‌ها زمانی ثبت شدند که میرکت تازه فعالیت‌های علمی خود را آغاز کرده بود و به‌طور ویژه برای نقشه‌برداری شدت طراحی نشده بودند. همین موضوع نتیجه را دوچندان امیدوارکننده می‌کند: این کشف نشان می‌دهد آرشیوهای موجود، حاوی اطلاعات کیهان‌شناختی قابل بازیابی هستند و پیمایش‌های اختصاصی آینده می‌توانند هم حساسیت و هم مقیاس بررسی را بهبود دهند.

تیم پشت این آشکارسازی؛ از چپ به راست: دکتر ژائوتینگ چن، پژوهشگر دانشگاه ادینبرو و دانش‌آموخته دکتری از دانشگاه منچستر در سال ۲۰۲۴، پروفسور ماریو سانتوس، استاد دانشگاه وسترن کیپ، دکتر لورا وولز، دانشیار دانشگاه منچستر، دکتر سوراب پال، سرپرست پروژه و پژوهشگر دانشگاه منچستر و دانشگاه وسترن کیپ.

دیدگاه کارشناس

دکتر آمینا بات، اخترفیزیک‌دان ارشد خیالی که در این مطالعه نقشی ندارد، می‌گوید: «آنچه این آشکارسازی واقعا نشان می‌دهد، امکان‌پذیری است. می‌توان هیدروژن پراکنده را به‌عنوان ردیاب بزرگ‌مقیاس در نظر گرفت و از آن، داربست کیهان را استنباط کرد. گام بعدی، ترکیب عمق و گستره است: زمان‌های رصد طولانی‌تر و پوشش وسیع‌تر آسمان، ویژگی‌هایی را واضح‌تر می‌کند که امروز زیر نویز محو شده‌اند.»

دکتر بات نکته‌ای عملی نیز اضافه می‌کند: «کالیبراسیون ابزار همه‌چیز است. اگر هوشیار نباشید، خطاهای سیستماتیک کوچک خود را به شکل سیگنال کیهان‌شناختی جا می‌زنند. تیم‌هایی که بر این مسئله مسلط شوند، در دهه آینده غنی‌ترین دستاوردهای علمی را از میرکت و رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی به دست خواهند آورد.»

پیامدها و گام بعدی چیست

میرکت پیشگام رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی، اس‌کی‌ای‌او، است؛ جایی که انتظار می‌رود نقشه‌برداری شدت هیدروژن به یکی از برنامه‌های اصلی پژوهشی تبدیل شود. با رصدهای طولانی‌تر و راهبردهای پیمایشی ویژه، اخترشناسان امیدوارند نقشه‌های متراکم‌تری از هیدروژن تولید کنند که به چند پرسش بزرگ پاسخ دهد: ذخیره گازی که تشکیل ستاره‌ها را تغذیه می‌کند چگونه تکامل یافته است؟ ماده تاریک چگونه خود را در شبکه کیهانی سامان می‌دهد؟ آیا این نقشه‌ها می‌توانند به شیوه‌ای مکمل نسبت به پیمایش‌های نوری کهکشان‌ها، محدودیت‌های دقیق‌تری بر پارامترهای کیهان‌شناسی اعمال کنند؟

پروفسور ماریو سانتوس بر دشواری و فرصت این کار تاکید کرد: «این یک فرایند تحلیل داده چالش‌برانگیز بود که به درک دقیق از منابع متعدد آلودگی نیاز داشت؛ منابعی که می‌توانند چنین اندازه‌گیری ضعیفی را تحت تاثیر قرار دهند. نکته به‌ویژه چشمگیر این است که داده‌های استفاده‌شده در این مطالعه در سال ۲۰۱۸ ثبت شده‌اند، زمانی که میرکت تازه فعالیت‌های علمی خود را آغاز کرده بود. اکنون گنجینه‌ای غنی از داده‌های میرکت وجود دارد که در انتظار کاوش با این روش است.»

پروفسور لورا وولز به ارزش گسترده‌تر این کشف اشاره کرد: «میرکت همچنان پنجره‌های تازه‌ای به روی کیهان‌شناسی می‌گشاید. اینکه این سیگنال را می‌توان از رصدهایی استخراج کرد که در ابتدا برای نقشه‌برداری شدت هیدروژن طراحی نشده بودند، بسیار دلگرم‌کننده است. این موضوع ارزش علمی عظیم داده‌های میرکت را نشان می‌دهد و مسیر رصدهای آینده با اس‌کی‌ای‌او را روشن می‌کند.»

جمع‌بندی

این آشکارسازی مستقیم هیدروژن خنثی دوردست، نقطه عطفی مهم به شمار می‌رود. این دستاورد نقشه‌برداری شدت هیدروژن را از یک وعده نظری به روشی قابل اثبات و عملی نزدیک می‌کند. مسیر پیش رو فنی و دشوار خواهد بود، اما پاداش آن بزرگ است: تصویری کامل‌تر و سه‌بعدی از اینکه ماده، گاز و کهکشان‌ها چگونه طی میلیاردها سال در کنار هم آرایش یافته‌اند.