8 دقیقه
تحلیل جدید نشان میدهد کیهان پیش از ستارگان اولیه گرمای بیشتری داشته
تیمی در مرکز بین‌المللی پژوهش‌های رادیوآسمانی (ICRAR) شواهدی را گزارش کرده‌اند که نشان میدهد محیط بینکهکشانی در دوره‌ای که اولین ستارگان و کهکشانها شکل می‌گرفتند، گرم‌تر از آن چیزی بوده که پیش‌تر تصور می‌شد. این نتیجه که از طریق تحلیل‌های رادیویی عمیق با استفاده از آرایه میدان‌گسترده موریسون (MWA) به‌دست آمده است، مدل‌هایی را که کیهان را از حالت تقریباً فوقالعاده سرد آغازکننده می‌دانستند به چالش می‌کشد و محدودیت‌های تازه‌ای درباره چگونگی و زمان تأثیرگذاری نخستین منابع نورانی بر محیط اطرافشان ایجاد میکند.
پیشزمینه علمی: عصر بازتوانی و سیگنال 21 سانتیمتری
عصر بازتوانی (Epoch of Reionization - EoR) بازه‌ای را مشخص میکند که در آن نسل‌های اول ستارگان، سیاهچالهها و بازماندگان ستارهای تابشی ساطع کردند که به اندازه کافی قوی بود تا هیدروژن خنثی را یونیده سازد. پیش از روشن شدن این منابع، کیهان دوره‌ای موسوم به «عصر تاریک کیهانی» را پشت سر گذاشت؛ دورانی تقریباً بدون منابع نورانی، به جز تابش ضعیف باقیمانده از انفجار بزرگ.
ستاره‌شناسان رادیویی با بهره‌گیری از خط 21 سانتیمتری هیدروژن — یک سیگنال رادیویی با طول موج بسیار بلند که از هیدروژن خنثی نشأت می‌گیرد — آن دوره را بررسی میکنند. امواج 21-cm به دلیل توانایی نفوذ از میان گازهایی که نور مرئی را پراکنده میکنند، اطلاعاتی درباره تاریخچه گرمایی و یونیزاسیون کیهان اولیه آشکار می‌سازند. کشف واضح این سیگنال میتواند زمان آغاز گرمایش و یونیزاسیون توسط فوتون‌های ایکس و فرابنفش را محدود کند و تصویر دقیق‌تری از نحوه تغییر شرایط ترمو-یونیزاسیون در امواج نخستین نور ارائه دهد.
مشاهدات، پردازش دادهها و کارزار MWA
تیم ICRAR حدود یک دهه مشاهدات MWA را با هم ترکیب کردند تا به حساسیتی بی‌سابقه دست یابند. استخراج یک سیگنال کیهانی 21-cm بسیار دشوار است زیرا آسمان توسط انتشارهای رادیویی روشن از کهکشانهای نزدیک، راه شیری، نویزهای انسان‌ساخت و نویزهای ابزاری تحت سلطه قرار گرفته است. برای تمییز دادن نوسانات ضعیف کیهانی از آلودگی‌های غالب، محققان روش‌های پالایش پس‌زمینه و کالیبراسیون پیشرفته‌ای توسعه دادند که عملکرد سامانه و ساختارهای پس‌زمینه را بهتر مدل میکند.
توالی تصاویر MWA (بالا)، آغازین نویز رادیویی از منابع پیشزمینه (چپ)، تداخل محلی (وسط)، و در نهایت تصویر پاک‌شده و آرام (راست). (Nunhokee et al/ICRAR/Curtin University)
براساس گفته محققان ICRAR، جریان پردازش آن‌ها فهم بهتری از سیستماتیک‌های ابزار و مورفولوژی پس‌زمینه فراهم می‌آورد؛ امری که اعتماد به نقشه‌های باقیمانده را افزایش میدهد، جایی که ممکن است سیگنال کیهانی دیده شود. اگرچه این مطالعه آشکارسازی قطعی خط 21-cm را ارائه نکرد، اما کیفیت و عمق داده‌های باقیمانده به تیم اجازه میدهد محدودیت‌های بالایی و پایینی جدیدی را روی دمای گاز پیش و حین بازتوانی اعمال کنند. این محدودیت‌ها برای ساختن مدل‌های واقع‌گرایانه‌تر از تاریخ ترمو-یونیزاسیون اهمیت دارند.
جهت آشکارسازی سیگنال 21 سانتیمتری ضعیف، باید تداخل‌های پس‌زمینه حذف شوند (Nunhokee et al. ApJ, 2025). این فرآیند شامل مدلسازی دقیق منابع پیشزمینه، فیلترهای فرکانسی تطبیقی و ارزیابی سیستماتیک‌های زمانی است تا باقیماندهای قابل اتکا برای تحلیل‌های مکان-مقیاس کیهانی فراهم آید.
کشف کلیدی: شواهدی برای «پیشگرمشدن» محیط بینکهکشانی
یافته اصلی این است که محیط بینکهکشانی به اندازه‌ای که بسیاری از مدل‌های مینیمال فرض کرده‌اند سرد نبوده است. تحلیل ICRAR نشان میدهد که سطح معینی از گرمایش پیش از یا همزمان با آغاز بازتوانی رخ داده است. این گرمایش اگرچه بسیار شدید نیست، اما کافی است تا سناریوهایی را که بازتوانی را کاملاً در شرایط دمایی بسیار پایین پیش‌بینی میکنند، کنار بزند.
منابع محتمل این گرمایش، پرتوهای ایکس پرانرژی تولیدشده توسط سیاه‌چاله‌های نخستین درحال بلع مواد و بازماندگان ستارهای مانند باینری‌های ایکس هستند. پرتوهای ایکس می‌توانند در فواصل قابل‌توجهی حرکت کنند و انرژی خود را در گاز خنثی واریز کنند و دمای آن را در حجم‌های گسترده افزایش دهند — مکانیزمی که میتواند نوعی پیشگرمشدن متوسط را که در محدودیت‌های MWA مشاهده شده توضیح دهد. علاوه بر این، حتی نرخ‌های نسبتاً پایین تولد سیاه‌چاله یا جمعیت‌های ستارهای با فلزات پایین می‌توانند سهم قابل‌توجهی در گرمایش زودهنگام ایفا کنند.
تحلیل‌های مدلسازی نشان میدهد که مقدار گرمایش مشاهده‌شده با ترکیبی از منابع آتی-پرتویی (X-ray) و تابش فرابنفش قابل توجیه است؛ چرا که فرابنفش به یونیزاسیون محلی و پرتو ایکس به گرمایش پراکنده‌تر کمک میکند. این ترکیب باعث تغییر الگوهای جذب و نشر سیگنال 21-cm می‌شود و در نتیجه نشانه‌های جذب قوی که در برخی مدل‌های سرد انتظار می‌رفت را کاهش میدهد.
پیامدها برای کیهان‌شناسی و شکلگیری کهکشانها
این محدودیت‌های جدید مدل‌های تشکیل ساختار در اوایل کیهان را پالایش میکنند. گاز گرم‌تر بر زمان‌بندی و توپوگرافی بازتوانی تأثیر می‌گذارد: گاز گرم‌تر باعث کاهش قدرت سیگنال جذب 21-cm و تغییر تضاد بین نواحی یونیده و محیط خنثی اطرافشان می‌شود. نتیجه این است که شبیه‌سازی‌هایی که فرایندهای تولید ستاره، رشد سیاه‌چاله و انتقال تابشی را در مقیاس‌های بزرگ کوپل میکنند، باید بازنویسی یا تنظیم شوند تا تأثیرات گرمایش اولیه را منعکس کنند.
از زاویه عملی، حذف سناریوهای بازتوانی بسیار سرد فضای پارامتریک را برای آزمایشهای آتی محدود میکند و پیشبینیهای نظری برای تلسکوپ‌هایی مانند آرایه کیلومتر مربعی (SKA)، آرایه عصر بازتوانی هیدروژن (HERA) و دیگر ریزفركانس‌های رادیویی را هدایت می‌نماید. آزمایشهای آینده می‌توانند با تمرکز بر محدوده فرکانسی و حساسیت‌هایی که با شرایط گرم‌تر سازگارند، طراحی‌های بهینه‌تری ارائه دهند.
افزون بر این، شناخت اینکه چه منابعی و در چه مقیاس‌هایی گاز بینکهکشانی را گرم کرده‌اند، بر فهم ما از فرآیندهای بازخوردی متقابل بین کهکشانها و محیط بینکهکشانی تأثیر می‌گذارد. برای نمونه، گرمایش اولیه میتواند نرخ تشکیل ستاره در هایه‌های کم‌جرم را کاهش دهد و بنابراین توزیع جرم کهکشانی و فراوانی کهکشانهای کوچک را در دورانهای بعدی تغییر دهد — نکته‌ای که در مدل‌های جمعیتی کهکشانها باید لحاظ شود.
دیدگاه کارشناسی
«تلفیق کارزارهای مشاهداتی با بازه زمانی بلند و مدلسازی دقیق ابزار کلید گشودن راز سپیده‌دم کیهانی است» می‌گوید دکتر میرا آناند، کیهان‌شناس رصدی که در مطالعه ICRAR نقش نداشته است. «این نتایج هنوز آشکارسازی مستقیم خط 21-cm را به ما نمی‌دهند، اما تاریخچه گرمایی را معنادارانه محدود میکنند و به نقش زودهنگام و قابل‌اندازه‌گیری منابع ایکس اشاره دارند. این موضوع برای نسل بعدی آزمایشها حیاتی است.»
نکته‌ای که کارشناسان بر آن تأکید میکنند این است که ترکیب داده‌های بلندمدت، در کنار توسعه الگوریتمهای حذف پس‌زمینه و مدلسازی سیستماتیک‌ها، توانایی جامعه رادیوآسمانی را برای استخراج سیگنال‌های ضعیف اما پراهمیت کیهانی به‌طور قابل‌توجهی افزایش میدهد. این روند تدریجی اما پیوسته نشان میدهد که کشف‌های آینده می‌توانند به شکلی دقیق‌تر مشخص کنند کدام منابع بیشتر در گرمایش و یونیزاسیون اولیه نقش داشتهاند.
چشم‌اندازهای آینده و گام‌های بعدی
دانشمندان ICRAR انتظار دارند که مشاهدات بیشتر و بهبودهای مستمر در کاهش پس‌زمینه نهایتاً امضای دفن‌شده 21-cm را آشکار سازد. وقتی آرایه‌های حساس‌تر به کار گرفته شوند و همکاری‌ها داده‌های بلندمدت را تجمیع کنند، ترکیب استخراج سیگنال بهبودیافته و پوشش فرکانسی گسترده‌تر میتواند طی چند سال آینده به یک آشکارسازی مثبت منجر شود. دستیابی به چنین کشفی به معنای نقشه‌برداری از زمان‌بندی و الگوی فضایی گرمایش و یونیزاسیون خواهد بود.
یک آشکارسازی تأییدشده 21-cm به منجمان اجازه میدهد سهم‌های نسبی ستارگان اولیه، سیاهچالهها و منابع عجیب‌تر را در گرمایش و یونیزاسیون جدا کنند. با تفکیک این سهم‌ها، می‌توانیم فرآیندهای شکلگیری نخستین ساختارها را با جزئیات بیشتری درک کنیم: چه زمانی خوشه‌های ستارهای شکل گرفتند، رشد سیاه‌چاله چطور آغاز شد، و چگونه تابش‌های اولیه محیط بینکهکشانی را تحت‌تأثیر قرار دادند. این نقشه‌برداری هدفی کلیدی در کیهان‌شناسی مشاهداتی است که قرار است تصویر ما از سپیده‌دم کیهانی را متحوّل کند.
نتیجه‌گیری
مطالعه ICRAR گامی مهم در رمزگشایی سپیده‌دم کیهانی به‌شمار می‌آید. با تلفیق حدود یک دهه داده‌های MWA و پیشرفت در روش‌های حذف پس‌زمینه، تیم محدودیت‌هایی بر وضعیت حرارتی کیهان اولیه اعمال کرده است که نشان میدهد پیشگرمشدن تا پیش یا همزمان با بازتوانی رخ داده است. اگرچه کشف بلندمدت 21 سانتیمتری هنوز زیر پوشش پس‌زمینه‌ها پنهان است، اما مسیر آشکارسازی آن روشن‌تر شده است و همراه با آن، روایتی دقیق‌تر از چگونگی دگرگونی کیهان توسط نخستین ستارگان و سیاهچالهها پدید می‌آید. این نتایج هم برای طراحان آزمایشهای آینده و هم برای نظریه‌پردازان مدل‌کننده عصر بازتوانی راهنمای ارزشمندی فراهم میکنند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر