8 دقیقه
چگونه چراغ‌های کیهانی روشن شدند
منجمان به راز دیرپای آنچه در دوران موسوم به «سپیده‌دم کیهانی» جهان اولیه را روشن کرد، نزدیک شده‌اند. تحلیل‌های جدید که مشاهدات عمیق تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) را با دادههای آرشیوی هابل ترکیب میکنند، به منبعی غیرمنتظره اشاره دارند: جمعیت وسیعی از کهکشانهای کوتولهٔ بسیار کمنور که به‌طور مجموعی فوتونهای یون‌زای کافی تولید کردند تا هیدروژن خنثی بین کهکشانی را پاک کنند و فرآیند بازیونشانی کیهانی (reionization) را کامل سازند.
نتیجه‌ای که توسط تیمی بین‌المللی به رهبری حکیم آتِک در سال 2024 گزارش شده، نشان میدهد که خروجی فرابنفش تجمعی از کهکشانهای کم‌جرم — که بسیار پرشمارتر و در مجموع روشن‌تر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد بودند — برای تبدیل مه هیدروژن عمدتاً خنثیِ جهان اولیه به پلاسمای یونیده کافی بوده است، حالتی که نور ستارگان را تا حد زیادی بدون پراکندگی زیاد عبور میدهد.
زمینهٔ علمی: بازترکیب، دوران تاریکی و بازیونشانی
دقایقی پس از مهبانگ، جهان یک پلاسمای داغ و یونیده بود. در حدود 300000 سال بعد، جهان به حدی سرد شد که پروتون‌ها و الکترون‌ها دوباره با هم ترکیب شده و هیدروژن و هلیوم خنثی تشکیل دادند؛ این مرحله به «بازترکیب» معروف است. پس از آن، جهان وارد دوران موسوم به «عصر تاریکی» شد: گاز خنثی فضای بینکهکشانی را پر کرد و الکترون‌های آزاد کمی در دسترس بودند، بنابراین فوتونهای اولیه زیاد پراکنده می‌شدند و قادر به پیمایش مسافت‌های طولانی نبودند.
همزمان با شکل‌گیری نخستین ستارگان و کهکشانها از این گازهای اولیه، فوتونهای پرانرژی فرابنفش آنها شروع به یونیزه‌کردن هیدروژن کردند، الکترون‌ها را از اتم‌ها جدا ساختند و به‌تدریج مه را پاک کردند. این دوران بازیونشانی کیهانی تا حدود یک میلیارد سال پس از مهبانگ به پایان رسید، زمانی که بیشتر هیدروژن بینکهکشانی یونیده شد و جهان در طول موج‌های متعددی شفاف گردید. تعیین منابع غالب تابش یونزا — آیا کهکشانهای عظیم، کوازارها پیرامون سیاهچاله‌های اَبَرجرم یا سیستم‌های کم‌جرم و پرشمار — همواره یکی از سوالات اصلی کیهان‌شناسی مشاهده‌ای بوده است.
مشاهدات و روش‌ها: عدسی گرانشی، طیفنگاری JWST و تصویربرداری هابل
آتِک و همکارانش از طیفنگاری میدان عمیق JWST برای کهکشانهایی که از پشت خوشهٔ عدسی گرانشی Abell 2744 دیده می‌شوند، استفاده کردند و این داده‌ها را با تصویربرداری دقیقِ تلسکوپ فضایی هابل تکمیل نمودند. میدان دید مربوط به Abell 2744 در تصویر نشان داده شده است. تخمین زده میشود حدود 50,000 منبع نور فروسرخ در این تصویر نمایان است. (NASA, ESA, CSA, I. Labbe/Swinburne University of Technology, R. Bezanson/University of Pittsburgh, A. Pagan/STScI)
Abell 2744 مانند یک ذره‌بین طبیعی عمل میکند: جرم زیاد آن زمان-فضا را خمیده کرده و نور کهکشانهای بسیار دور پشت آن را تقویت میکند. عدسی گرانشی به تیم اجازه داد تا کهکشانهای فوق‌العاده کم‌نوری را کشف و توصیف کند که در غیر این صورت زیر آستانهٔ آشکارسازی قرار میگرفتند. JWST حساسیت طیفنگاری لازم را فراهم آورد تا ویژگی‌هایی مرتبط با تولید فوتونهای یونزا، از جمله شیب پیوستار فرابنفش و خطوط نشریهٔ مشخص‌کنندهٔ ستارگان جوان و پرجرم و جمعیت‌های ستاره‌ای با فلزیّت کم را اندازهگیری کنند.
تحلیل طیفی دقیق دو نکتهٔ کلیدی را آشکار ساخت: نخست اینکه کهکشانهای کوتوله در قرمزگرایی‌های مربوط به سپیده‌دم کیهانی بسیار بیشتر از همتایان بزرگترشان هستند — در میدان نمونه‌برداری‌شده تقریباً به نسبت 100 به 1 — و دوم اینکه خروجی یون‌زای تجمعی آنها بیش از برآوردهای پیشین است. پژوهشگران می‌یابند که تابش یون‌زای جمع‌شدهٔ این کهکشانهای کم‌جرم تقریباً چهار برابر بیشتر از میزانی است که اگر تنها کهکشانهای بزرگ بازیونشانی را هدایت می‌کردند، انتظار می‌رفت.
یافته‌های کلیدی و پیامدها
- فراوانی: کهکشانهای کوتولهٔ فوق‌العاده کمنور به نظر می‌رسد شمار کهکشانها در جهانِ اولیه را غالباً تشکیل دهند. تعداد زیاد آنها جبران‌کنندهٔ کمنور بودنِ هر یک است.
- کارایی تولید یون: این کوتوله‌ها تولیدکنندگان کارآمد فوتونهای یونزا هستند. عوامل مؤثر در این کارایی شامل جمعیت‌های ستاره‌ای جوان و داغ، فلزیّت پایین (عناصری کمتر سنگین‌تر از هلیوم) و میانستارهای نسبتاً متخلخل است که اجازه میدهد فوتونهای یونزا از محیط داخلی کهکشان خارج شده و وارد فضای بینکهکشانی شوند.
- رانشگر بازیونشانی: وقتی خروجی این جمعیت در سراسر همهٔ آنها جمع شود، شار یون‌زای کوتوله‌ها کافی است تا بخش عمدهای — و شاید اکثریت — فوتونهای لازم برای تکمیل بازیونشانی کیهانی تا z ~ 6 (تقریباً یک میلیارد سال پس از مهبانگ) را فراهم آورد.
این نتایج تمرکز پژوهشی را از منابع نادر ولی پرنور — مانند کوازارها و کهکشانهای ستاره‌فشان عظیم — به سمت سیستم‌های کم‌جرم و پرشمار به عنوان معماران اصلی تبدیل جهان از حالت خنثی به یونیده تغییر میدهد. این بازنگری در نقش‌دهی منابع تعاملات پیچیدهٔ رشد کهکشان، فرار فوتون، و تحول شیمیایی در اوایل کیهان را برجسته میکند.
محدودیت‌ها و کارهای آینده
گرچه میدان عدسی Abell 2744 نمایی بی‌سابقه از کهکشانهای کم‌نورِ اولیه ارائه میدهد، این مطالعه تنها بخش نسبتاً کوچکی از آسمان را پوشش داده است. تیم پژوهشی بر لزوم بررسی چندین خوشهٔ عدسی و میدانهای خالی (blank fields) تأکید میکند تا مشخص شود آیا این ناحیه نمایندهٔ کلیهٔ جهان است یا تنها یک استثنا. برنامه‌های بیشتر JWST، همراه با دادههای میراثی هابل و مشاهدات زمینی آینده، اندازهٔ نمونه‌ها را افزایش داده و محدودیت‌ها بر پارامترهای کلیدی مانند کسریِ فرار فوتونهای یونزا (escape fraction) و تابعِ نوردهی ذاتی فرابنفش کهکشانها را بهبود خواهند داد.
مدلسازی بهتر جمعیت‌های ستاره‌ای، انتقال تابش از خلال گاز میانستارهای، و سنتز جمعیتی در شرایط فلزیّت پایین نیز برای تصحیح تخمین‌های تولید فوتون یونزا ضروری خواهند بود. پژوهش‌های نظری قوی‌تر همراه با آزمایش‌های مشاهداتی قادر است اثرات بازخورد ستاره‌ای، فرایندهای هیدرودینامیکی در هاله‌های کم‌جرم و تعاملات با محیط بینکهکشانی را روشن سازد.
تصویر میدان عمیق JWST با برخی از منابعی که پژوهشگران به‌عنوان محرک‌های بازیونشانی شناسایی کردند. (Hakim Atek/Sorbonne University/JWST)
بهبود مدل‌ها برای جمعیت‌های ستاره‌ای، انتقال تابش از میان گاز، و ترکیب جمعیتی در شرایط فلزیّت پایین کمک خواهد کرد تا برآوردهای تولید فوتون یونزا دقیقتر شود و عدم قطعیت‌های موجود کاهش یابد.
دیدگاه کارشناسی
«این نتیجه یک تغییر پارادایم است که نشان میدهد چگونه جمعیت بزرگی از کهکشانهای متوسط میتوانند تأثیرات فراتر از اندازهٔ خود بر تکامل کیهان داشته باشند»، دکتر لیلا مورنو، کیهان‌شناس مشاهده‌ای که در این مطالعه مشارکت نداشت، اظهار داشت. «حساسیت JWST در کنار عدسی‌های گرانشی به ما این امکان را میدهد که سرشماری سیستم‌های کمنور را انجام دهیم که قبلاً نامرئی بودند. تأیید این نتایج در میدانهای بیشتر گام حیاتی بعدی خواهد بود، اما پیام واضح است: احتمالاً کهکشانهای کم‌جرم موتور اصلی بازیونشانی بودند.»
او افزود: «اگر این یافته‌ها پابرجا بمانند، روی مدل‌های شکل‌گیری کهکشانهای اولیه، جدول زمانی بازیونشانی و نحوهٔ تفسیر رشد ساختار در اولین میلیارد سال تأثیر خواهند گذاشت.»
چشم‌انداز آینده و فناوری‌های مرتبط
چرخه‌های مشاهداتی آتی JWST برنامهٔ زیادی برای نقاط عمیق میدان و نظرسنجی‌های خوشههای عدسی گرانشی در محدودهٔ z > 6 دارند. تاسیسات مکمل — مانند تلسکوپ بسیار بزرگ (ELT)، آرایه‌های رادیویی نسل بعدی که به دنبال سیگنال 21-سانتی‌متری هیدروژن خنثی هستند، و تلسکوپ‌های فضایی پیشرفته با توانایی رصد در طیف فرابنفش — کمک خواهند کرد تا توپوگرافی بازیونشانی نقشه‌برداری شود و بررسی گردد آیا کهکشانهای کوتوله در مقیاس‌های کیهانی غالب هستند یا نه.
درک مقادیر کسری فرار فوتون‌ها، تابع جرم اولیهٔ ستارگان (IMF) در محیط‌های کم‌فلز، و فرایندهای بازخورد در هاله‌های کم‌جرم، برای ساخت یک چارچوب نظری منسجم کلیدی خواهد بود. اگر واقعاً کهکشانهای کوتوله «چراغ‌ها» را روشن کردند، آنها همزمان آزمایشگاهی در دسترس برای مطالعهٔ شکل‌گیری ستارگان اولیه و تجمع عناصر سنگین نخست فراهم می‌آورند.
نتیجه‌گیری
JWST پنجرهٔ تازه‌ای به سپیده‌دم کیهانی گشوده است. شواهد فعلی از یک میدان عدسی در Abell 2744 نشان میدهد که کهکشانهای بسیار کمنور و کوتوله، با وجود اندازهٔ کوچک‌شان، میتوانند به‌طور جمعی فوتونهای یون‌زای لازم برای بازیونشانی کیهانی را تأمین کنند. این یافته‌ها فهم ما را از جهان اولیه بازتعریف میکنند و برنامهٔ روشنی را پیش‌روی پژوهشگران قرار می‌دهند: گسترش نظرسنجی‌ها، بهبود شاخص‌های طیفی و آزمودن این فرض که آیا این کهکشانهای کوچک واقعاً تیم اصلی روشن‌سازی جهان بوده‌اند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر