کشف کهکشان آغازین با کمترین اکسیژن شناخته شده جهان

کیهان هنوز کودکی خود را به یاد دارد. اخترشناسان در دل نوری که سفرش را زمانی آغاز کرده که عالم تنها چند صد میلیون سال سن داشته، ذره‌ای از یک کهکشان را یافته‌اند که از نظر شیمیایی چنان ساده است که مانند یک سنگواره از نخستین ستارگان خوانده می‌شود.

وقتی نجوا‌یی از نور به ماشین زمان تبدیل می‌شود

LAP1-B یک تابلوی درخشان نیست. بیشتر شبیه نجواست، سوسویی کم‌فروغ که زیر اثر گرانش و گذر زمان کشیده شده است. اگر بزرگ‌نمایی یک خوشه کهکشانی پیش‌زمینه و حساسیت تلسکوپ فضایی جیمز وب نبود، این کهکشان همچنان ناپیدا می‌ماند. اما همان درخشش کم‌جان، اثرانگشت‌های طیفی‌ای را آشکار کرد که داستان عناصری را روایت می‌کنند که بسیار پیش از تولد خورشید ما ساخته شده‌اند.

روش کار، طیف‌سنجی است. نور را به رنگ‌های سازنده‌اش می‌شکنند و سپس به دنبال خطوط گسیلی شاخصی می‌گردند که از هیدروژن، اکسیژن و اتم‌های دیگر پدید می‌آیند. هر خط، سرنخی از مقدار یک عنصر مشخص در یک کهکشان است. در مورد LAP1-B، این خطوط با ابزار NIRSpec تلسکوپ فضایی جیمز وب و پس از بیش از ۳۰ ساعت زمان رصد اندازه‌گیری شدند. چنین نوردهی‌های طولانی لازم بود، زیرا این کهکشان کوچک، کم‌نور و بسیار دور است. با این حال، همگرایی گرانشی سیگنال را حدود صد برابر تقویت کرد و لکه‌ای تقریبا غیرقابل تشخیص را به داده‌هایی تبدیل کرد که برای اندازه‌گیری فراوانی‌های شیمیایی کیفیت کافی داشتند.

اکسیژن در کمترین مقدار رکوردی و معنای آن

عدد اصلی شگفت‌انگیز است: LAP1-B حدود یک دویست‌وچهلمِ فراوانی اکسیژن خورشید را دارد. این جایگاه، آن را در میان ابتدایی‌ترین کهکشان‌های ستاره‌زای شناخته‌شده از نظر شیمیایی قرار می‌دهد. اکسیژن، مانند بسیاری از عناصر سنگین‌تر، درون ستارگان پرجرم ساخته می‌شود و با مرگ انفجاری آنها در فضا پراکنده می‌گردد. فراوانی پایین اکسیژن یعنی گاز موجود در LAP1-B تنها تعداد بسیار اندکی رویداد غنی‌سازی را تجربه کرده، اگر اصلا چنین رویدادهایی رخ داده باشد. ما در حال تماشای کهکشانی هستیم که نزدیک سپیده‌دم زندگی شیمیایی خود به دام افتاده است.

طیف این کهکشان همچنین نسبت کربن به اکسیژن به‌طور غیرمعمول بالایی را نشان می‌دهد. این جزئیات اهمیت زیادی دارد. گونه‌های متفاوت ستارگان اولیه، ترکیب‌های عنصری متفاوتی تولید می‌کنند. هنگامی که نخستین نسل ستارگان پرجرم به پایان عمر خود رسید، گاز پیرامون را با موادی بذرپاشی کرد که نظریه‌ها پیش‌بینی می‌کنند نسبت کربن به اکسیژن را به الگویی افزایش می‌دهد که با اندازه‌گیری کنونی اخترشناسان در LAP1-B همخوان است. به بیان ساده، شیمی این کهکشان با سناریویی سازگار است که در آن نخستین انفجارهای ستاره‌ای شروع به بارور کردن کهکشان کرده‌اند، اما بلوغ کامل شیمیایی هنوز رخ نداده است.

این تصویر، LAP1-B را به چیزی فراتر از یک جرم بسیار دور تبدیل می‌کند. این کهکشان به آزمایشگاهی برای مطالعه نخستین چرخه‌های تولد و مرگ ستارگان و برای آزمودن مدل‌های هسته‌زایی اولیه تبدیل می‌شود، یعنی همان فرایندی که نخستین عناصر سنگین را از هیدروژن و هلیوم آغازین ساخت.

این نمودار جرم ستاره‌ای کهکشان‌ها و فراوانی اکسیژن آنها را مقایسه می‌کند. LAP1-B، با دایره قرمز، جرم ستاره‌ای بسیار اندکی دارد و فراوانی اکسیژن آن تنها یک دویست‌وچهلمِ خورشید است، رقمی رکوردی و بسیار پایین برای یک کهکشان ستاره‌زا که وضعیت شیمیایی ابتدایی آن را آشکار می‌کند. نمادهای قهوه‌ای کهکشان‌های دوردست را نشان می‌دهند، در حالی که خط‌چین روند کهکشان‌های نزدیک را نمایش می‌دهد. 

جرمی کوچک، اهمیتی بزرگ برای نظریه‌ها

برآوردهای جرمی نشان می‌دهد محتوای ستاره‌ای LAP1-B کمتر از حدود ۳۳۰۰ جرم خورشیدی است. این مقدار بسیار ناچیز است. برای مقایسه، راه شیری صدها میلیارد ستاره دارد. جرم ستاره‌ای این کهکشان، همراه با هاله‌ای از ماده تاریک که گرانش آن را کنترل می‌کند، این سامانه را شبیه کهکشان‌های کوتوله بسیار کم‌نور امروزی می‌سازد که در اطراف راه شیری یافت می‌شوند.

کوتوله‌های بسیار کم‌نور، سامانه‌هایی کم‌فروغ و کم‌جرم‌اند که ستارگانشان بسیار پیرند و اغلب بیش از ۱۲ میلیارد سال عمر دارند. آنها از نظر شیمیایی ساده‌اند، عناصر سنگین اندکی دارند و اخترشناسان مدت‌ها گمان می‌کردند بازماندگان نخستین نسل کهکشان‌های کوچک کیهان باشند. شیمی و جرم LAP1-B یک پیوند فیزیکی قابل قبول میان این سنگواره‌های نزدیک و سامانه‌های ریز و آغازینی فراهم می‌کند که نخستین بار پس از مه‌بانگ شکل گرفتند.

این نمودار فراوانی اکسیژن و نسبت‌های کربن به اکسیژن را مقایسه می‌کند. LAP1-B، با دایره قرمز، به‌خوبی با پیش‌بینی‌ها برای موادی که توسط نخستین ستارگان کیهان تولید شده‌اند، ناحیه بنفش، و با ترکیب شیمیایی کهکشان‌های کوتوله بسیار کم‌نور امروزی، محدوده آبی، همخوانی دارد. شیمی نامعمول آن نشان می‌دهد که این کهکشان ۱۳ میلیارد سال پیش توسط نخستین ستارگان غنی شده است. نمادهای خاکستری ستارگان کهن راه شیری و ابرهای گازی دوردست را نشان می‌دهند، در حالی که نارنجی بیانگر غنی‌سازی ستاره‌ای دیرتر است. 

چرا این موضوع مهم است؟ اگر LAP1-B نماینده آجرهای سازنده‌ای باشد که با هم ادغام شدند و دوام آوردند تا به کوتوله‌های بسیار کم‌نور محلی تبدیل شوند، آنگاه ما دسترسی رصدی مستقیمی به نیاکان کوچک‌ترین کهکشان‌های اطراف راه شیری داریم. این موضوع کمک می‌کند توضیح دهیم چرا کوتوله‌های بسیار کم‌نور هنوز هم به‌عنوان یادگارهای کیهانی وجود دارند. آنها می‌توانند بازمانده‌های دست‌نخورده سامانه‌های اولیه‌ای باشند که هرگز جرم یا گاز کافی برای شکل دادن به نسل‌های بسیار بیشتری از ستارگان به دست نیاوردند.

این رصد چگونه انجام شد

آشکارسازی کهکشانی از ۱۳ میلیارد سال پیش از نظر فنی بسیار دشوار است. گروه پژوهشی از طیف‌نگار NIRSpec تلسکوپ فضایی جیمز وب بهره گرفت تا خطوط گسیلی کم‌نور را در فروسرخ نزدیک گردآوری کند. در چنین انتقال‌به‌سرخ‌هایی، نور فرابنفش و مرئی کهکشان به ناحیه فروسرخ جابه‌جا می‌شود. ابزارهایی مانند NIRCam می‌توانند از منابع کم‌نور تصویربرداری کنند، اما LAP1-B در قاب‌های NIRCam عملا ناپیدا بود. این کهکشان از راه طیف‌سنجی آشکار شد، زیرا خطوط گسیلی می‌توانند از نور پیوسته پیرامون خود قوی‌تر باشند. نسبت سیگنال به نویز نیز با بزرگ‌نمایی همگرایانه خوشه کهکشانی پیش‌زمینه MACS J0416 افزایش یافت.

ترکیب زمان نوردهی طولانی، ابزارهای پیشرفته و عدسی گرانشی خود طبیعت، طیف‌هایی پدید آورد که برای تحلیل فراوانی عناصر مناسب بودند. گروه پژوهشی خطوط هیدروژن مانند Hα و Lyα و همچنین گسیل ممنوعه و نیرومند اکسیژن [OIII] را اندازه‌گیری کرد. نقشه‌برداری مکانی و سرعتی از این ویژگی‌ها به پژوهشگران امکان داد حرکت‌ها و توزیع گاز را در این سامانه کوچک استنباط کنند و بُعدی جنبشی به داستان شیمیایی آن بیفزایند.

دیدگاه کارشناسی

«یافتن سامانه‌ای مانند LAP1-B مثل پیدا کردن یک صفحه تنها از دفتر ثبت باستانی است.» این را دکتر النا مورالس، اخترفیزیک‌دان نظری که شکل‌گیری کهکشان‌های اولیه را مطالعه می‌کند، می‌گوید. «این جرم آزمونی مستقیم برای مدل‌های بازده ستاره‌ای نخستین نسل‌های ستارگان فراهم می‌کند و مرزهای تجربی برای سرعت پیشرفت غنی‌سازی شیمیایی در مقیاس‌های کوچک به دست می‌دهد. رصدهایی از این دست فاصله میان شبیه‌سازی‌ها و واقعیت را کمتر می‌کنند.»

چنین توضیحی نشان می‌دهد شیمی تجربی چگونه به کار نظری جهت می‌دهد. مدل‌سازان اکنون می‌توانند پارامترهای مربوط به بازده ابرنواخترهای اولیه، کارایی اختلاط و فوران‌های ستاره‌زایی را بر اساس فراوانی‌های واقعی و رصدشده تنظیم کنند، نه اینکه کاملا به محدودیت‌های غیرمستقیم حاصل از سنگواره‌های محلی تکیه داشته باشند.

گام بعدی چیست

یک کهکشان سرنخی نیرومند است، اما سرشماری سامانه‌های ابتدایی باید گسترده‌تر شود. گروه پژوهشی برنامه‌های بیشتری با تلسکوپ فضایی جیمز وب در نظر دارد تا کهکشان‌هایی با فقر فلزی مشابه را بیابد و مشخص کند چنین وضعیت‌های شیمیایی ابتدایی تا چه اندازه رایج بوده‌اند. اگر LAP1-B نمونه‌ای معمولی باشد، نشان می‌دهد بسیاری از کوتوله‌های بسیار کم‌نور بازمانده، نوادگان مستقیم چنین سامانه‌های اولیه‌ای هستند. اگر LAP1-B موردی نامعمول باشد، پژوهشگران باید توضیح دهند چرا چنین جوانی شیمیایی تا این حد نادر است.

فراتر از مطالعه فراوانی عناصر، رصدهای آینده ممکن است به دنبال شواهد مستقیم‌تری از نخستین ستارگان پرجرم باشند، از جمله نشانه‌هایی مانند فوتون‌های بسیار پرانرژی، حالت‌های یونش نامعمول یا نسبت‌های فراوانی متمایز در گاز میان‌ستاره‌ای. پیمایش‌های عمیق‌تر با استفاده از خوشه‌های همگرا، تصویربرداری گسترده تلسکوپ فضایی جیمز وب و طیف‌سنجی زمینی مکمل، این جست‌وجو را گسترش خواهد داد.

جمع‌بندی

LAP1-B چیزی فراتر از یک جرم دوردست است. این کهکشان پلی است بر فراز ۱۳ میلیارد سال، که کهکشان‌های کم‌نور و فقیر از فلزِ در حال گردش به دور کهکشان ما را به سامانه‌های کوچک و ابتدایی پیوند می‌دهد که جهان آغازین را شکل دادند. این کشف نشان می‌دهد تلسکوپ فضایی جیمز وب، با کمک عدسی‌های گرانشی، چگونه می‌تواند نماهایی شیمیایی از سپیده‌دم کیهانی آشکار کند. هر کهکشان ابتدایی تازه‌ای که یافت شود، درک ما را از این موضوع دقیق‌تر می‌کند که نخستین ستارگان چگونه کیهان را با عناصری بذرپاشی کردند که سرانجام به سیاره‌ها، اقیانوس‌ها و حیات تبدیل شدند.