9 دقیقه
بیش از ۱۳ میلیارد سال پس از انفجار بزرگ، نجوايي از اتم‌های هیدروژن میتواند بالاخره به ما بگوید که نخستین ستارگان چگونه متولد شدند. با دنبال کردن سیگنال رادیویی با طول موجِ باستانیِ ۲۱ سانتیمتری که از دورانِ اولیهٔ جهان باقی مانده است، اخترشناسان راه‌های تازه‌ای برای استنتاج جرم‌ها و رفتار نسل نخست ستارگان کیهانی ابداع میکنند — حتی اگر آن ستارگان هنوز بیش از حد کم‌نور و دور باشند تا به‌طور مستقیم دیده شوند.
Why a radio whisper matters for the Cosmic Dawn
جهان را مانند مهی وسیع و سرد تصور کنید. برای ده‌ها میلیون سال پس از انفجار بزرگ، این مه عمدتاً از هیدروژن خنثی تشکیل شده بود. سپس نخستین ستارگان روشن شدند و اطراف خود را به تابش فرابنفش و اشعهٔ ایکس آغشته کردند و آن مه یکنواخت را به منظره‌ای با ساختار و بافت تبدیل کردند. این نقطهٔ عطف را «سپیدهدمِ کیهانی» یا Cosmic Dawn می‌نامند، لحظه‌ای که تاریکیِ کیهانی کم‌کم به نورِ ستارگان بدل شد.
کلید مطالعهٔ این دوره، سیگنال ۲۱ سانتیمتری است — یک تابش رادیویی ضعیف که از گذار فرایند هسته‌ایِ (hyperfine) هیدروژن خنثی پدید می‌آید. این سیگنال بیش از ۱۳ میلیارد سال در فضا سفر کرده و ردپاهایی از میدانهای تابشی، دماها و وضعیت یونشِ میان‌کهکشانیِِ اولیه را در خود نگه داشته است. از آنجا که تلسکوپ‌های نوری مانند JWST قادر به تفکیک ستارگان منفردِ نخست نیستند، رصدهای رادیویی پنجرهٔ مکملی باز میکنند: اثرات آماریِ جمعیت‌های ستاره‌ای و بازماندگانِ آن‌ها.
New modelling links the 21-cm fingerprint to star masses
تیمی بین‌المللی به رهبری پژوهشگرانی از دانشگاه کمبریج نشان داده است که شکل و تکاملِ سیگنال ۲۱ سانتیمتری نسبت به توزیع جرمیِ نخستین ستارگان (معروف به Population III) حساس است. با وارد کردن شیمی اولیهٔ واقعی‌تر و فیزیک تابشی در شبیهسازیهای پهنهپهن، این گروه نشان داده‌اند که آزمایش‌های رادیوییِ آینده می‌توانند سناریوهایی را که در آن ستارگانِ اولیه عمدتاً بسیار پرجرم بوده‌اند از حالاتی که در آن ستارگان کم‌جرم‌تر غالب بوده‌اند، تمییز دهند.
نکتهٔ کلیدی این مدل، گنجاندن نقش باینریهای اشعهٔ ایکس است — سامانه‌هایی که در آن یک ستارهٔ عادی به دورِ بازمانده‌ای فشرده مانند یک ستارهٔ نوترونی یا سیاه‌چاله در گردش است. هنگام مرگِ ستارگان Population III، بسیاری از آن‌ها احتمالاً چنین بازماندگانی بر جای می‌گذارند؛ اشعهٔ ایکسِ تولیدشده توسط فرایندهای بَرشیِ مواد روی این اجسام فشرده گاز اطراف را گرم و یونیزه میکند و اثری قوی بر سیگنال ۲۱ سانتیمتری می‌گذارد. مطالعات پیشین این اثر را دست‌کم گرفته بودند چون شمار و درخشندگیِ باینریهای اشعهٔ ایکسِ تولیدشده توسط جمعیت‌های نخستین را به‌طور کامل محاسبه نکرده بودند.
REACH and SKA: two instruments listening to the dawn
REACH: a focused antenna for global signatures
REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) یک آزمایۀ آنتنِ کالیبرهشده است که برای کشف سیگنال میانگینِ آسمانیِ ۲۱ سانتیمتری طراحی شده است. هرچند این پروژه هنوز در مرحلهٔ کالیبراسیون قرار دارد، هدف REACH ثبت درخشِشِ رادیوییِ جهانی است که زمانبندیِ ظهورِ نخستین نور، آغاز گرمایش توسط اشعهٔ ایکس و افزایش تابش فرابنفش از ستارگان اولیه را در خود رمزگذاری میکند. حساسیتِ بالا و کنترل دقیقِ سیستماتیک‌ها در REACH برای جدا کردن نشانه‌های کیهانی از آلودگی‌های محلی اهمیت زیادی دارد.
SKA: mapping fluctuations across the sky
مصفوفهٔ کیلومتر مربعی (Square Kilometre Array یا SKA) یک تأسیسات بسیار بزرگ‌تر در دست ساخت است که نوسانات فضاییِ سیگنال ۲۱ سانتیمتری را نگاشت خواهد کرد. به‌جای تولید تصاویر از ستارگان منفرد، SKA ساختارِ پهنه‌پهنِ میدانِ هیدروژن خنثی را ترسیم میکند و نشان می‌دهد که چگونه حفره‌ها یا جبهه‌های گاز یونیزه رشد کردند و در دورهٔ سپیدهدمِ کیهانی و در دوران پسینِ یونشِ دوباره (Epoch of Reionization) با هم ادغام شدند. نقشه‌های فضاییِ SKA به ما امکان میدهند تا الگوهای بستگی فضایی، اندازهٔ حباب‌های یونیزه و مقیاس‌های همبستگی را تحلیل کنیم.
در کنار هم، REACH و SKA روشهای مکملی ارائه میدهند: REACH جدول زمانیِ جهانی را میسنجد، در حالی که SKA الگوی تکه‌تکهٔ آماری را که بازتاب‌دهندهٔ جرم‌ها، درخشش‌ها و توزیع فضاییِ منابعِ نخستین است، بازمی‌شناسد. این ترکیبِ دادهها به ما اجازه می‌دهد تا از هر دو جنبهٔ کلی (global) و مکانی (spatial) دیدی یکپارچه نسبت به فرایندهای شکل‌گیری ستارگان اولیه به‌دست آوریم.
What the new study found and why it matters
تیمِ هدایت‌شده توسط کمبریج الگوهای پیش‌بینی‌شده‌ای برای سیگنال ۲۱ سانتیمتری تحت فروض مختلف دربارۀ جرم‌های Population III، کارایی تابش فرابنفش و خروجی اشعهٔ ایکس از باینری‌ها تولید کرد. آن‌ها نشان میدهند که زمان‌بندی و دامنهٔ ویژگیهای جذب و نشر در طیف ۲۱ سانتیمتری به‌طرزی اندازه‌پذیر با تغییرِ جرم میانگینِ ستارگانِ نخست و شدت گرمایشِ اشعهٔ ایکس جابه‌جا میشود. به عبارت دیگر، افزایشِ سهم ستارگانِ پرجرم یا افزایشِ توانِ اشعهٔ ایکس، اثرات مشخصی را بر عمق و زمانبندیِ خطوطِ جذب و نشر وارد میکند که قابل رصدند.
به‌اختصار: سیگنال ۲۱ سانتیمتری نه‌تنها یک دماسنج و تایمر برای جهانِ اولیه است — بلکه معیاری تقریبی برای جرم ستارگان نیز فراهم میآورد. اگر REACH و SKA امضاهای پیش‌بینی‌شده را کشف کنند، اخترشناسان می‌توانند استنتاج کنند که آیا نخستین ستارگان به‌طور غیرمعمول پرجرم بوده‌اند یا اندازهٔ آن‌ها معقول‌تر بوده، و اینکه چگونه مرگِ آن‌ها جهان را با منابعِ اشعهٔ ایکسِ جدید بذرپاشی کرد که به نوبهٔ خود بر شکل‌گیری نسل‌های بعدیِ ستارگان تأثیر گذاشت.
پروفسور Anastasia Fialkov از مؤسسهٔ نجومِ کمبریج و یکی از هم‌نویسندگان مقاله گفته است: "این فرصتِ بی‌نظیری است برای یادگیریِ چگونگی پدیدار شدنِ نخستین نورِ جهان از دلِ تاریکی. گذار از جهانی سرد و تاریک به جهانی آکنده از ستارگان، داستانی است که ما تازه آغاز به فهمیدنِ آن کرده‌ایم." این نظر نشان‌دهندۀ اهمیت ثبتِ دقیقِ سیگنال ۲۱ سانتیمتری و تطبیقِ آن با مدلهای نظری است.
Implications for cosmology and galaxy formation
آموختنِ توزیعِ جرمیِ Population III پیامدهای پی‌درپی و گسترده‌ای دارد. ستارگانِ نخستینِ پرجرم محصولاتِ شیمیایی و بازماندگانِ سیاه‌چاله‌ای متفاوتی نسبت به ستارگانِ کم‌جرم تولید میکنند؛ این تفاوت مسیرهای غنی‌سازیِ فلزیِ اولیه و بذرهای سیاه‌چاله‌های اَبَرپرجرم را دگرگون میسازد. زمانبندیِ گرمایش توسط اشعهٔ ایکس نیز تعیین‌کننده است که میان‌کهکشانِ اولیه چه زمانی و چگونه سرد یا گرم شد؛ این مسأله به نوبۀ خود بر آستانۀ تشکیلِ کهکشان‌ها و ستاره‌های نسل‌های بعدی تأثیر دارد.
علاوه بر این، محدودسازیِ منابعِ اولیهٔ اشعهٔ ایکس به بهبود مدلهای رشدِ نخستینِ سیاه‌چاله‌ها و تشکیلِ سامانه‌های دوتایی کمک میکند — فرایندهایی که به‌طور مستقیم با مشاهدات در باندهای اشعهٔ ایکس، فروسرخ و رادیویی مرتبط‌اند. هم‌افزاییِ بین آزمایش‌های رادیویی و تلسکوپ‌هایی مانند JWST و رصدخانه‌های اشعهٔ ایکسِ آینده تصویری چندطولیِ (multiwavelength) غنی‌تر از جهانِ نوزاد فراهم میآورد و امکانِ تطبیقِ مستقلِ پیش‌بینی‌های نظری از دادههای متعدد را میسر میسازد.
Expert Insight
"رادیو اخترشناسی به ما یک میکروسکوپِ آماری برای دوره‌هایی می‌دهد که قادر به تصویرسازی مستقیمشان نیستیم،" دکتر Maya Hossain، اخترفیزیکدانی که در این مطالعه نقش نداشته است، می‌گوید. "با ترکیبِ سیگنال‌های جهانی از ابزارهایی مانند REACH با نقشه‌های فضاییِ SKA، می‌توانیم نقش‌های تابشِ فرابنفش و اشعهٔ ایکس در شکل‌دهیِ اولین کهکشان‌ها را از هم بگشاییم. این شبیه بازسازیِ یک تصویر از پژواک‌هایی است که در فضا باقی مانده‌اند." این دیدگاه تأکید میکند که چگونه روشهای تودرتو و آماری می‌توانند جایِ دادهٔ تصویریِ مستقیم را در درکِ تاریخچهٔ کیهانی بگیرند.
Challenges and the road ahead
کشف و تفسیر سیگنال ۲۱ سانتیمتری همچنان از نظر فنی چالش‌برانگیز است. آلایش‌های پیشزمینهای از راه شیریِ ما و تداخلِ رادیوییِ انسانی بسیار پرتوان‌تر از سیگنالِ کیهانی هستند و جداسازیِ آن‌ها نیازمند کالیبراسیونِ دقیق و مدلسازیِ دقیقِ سیستماتیک‌هاست. REACH در حال پالایشِ تکنیک‌هایی برای جداسازیِ این پیش‌زمینه‌ها است، در حالی که SKA بر محاسباتِ عظیم متکی خواهد بود تا نوساناتِ ضعیفِ آسمانی را از میانِ دادههای حجیم استخراج کند. ابزارهای آماری، روشهای نوینِ یادگیری ماشین و زیرساختِ محاسباتیِ توزیع‌شده همه نقشِ کلیدی در این مسیر ایفا میکنند.
با این وجود، مدلسازیِ جدید اهداف مشخصی برای این رصدخانه‌ها ارائه می‌دهد و تصویری روشن‌تر از معنای هر کشف احتمالی فراهم میکند. اگر مشاهدات آینده با الگوهای پیش‌بینی‌شده مطابقت کنند، دانشمندان یکی از معدود شواهدِ مستقیمِ ویژگیهای نخستین ستارگان را به‌دست خواهند آورد — گامی مهم در تلاشِ ما برای فهمِ اینکه چگونه کیهانِ پیچیدهٔ امروز از جهانی تقریباً بی‌نشانه شکل گرفته است. این نتایج نه‌تنها برای کیهان‌شناسیِ نظری اهمیت دارد، بلکه برای مدلسازیِ شکل‌گیریِ کهکشان‌ها، رشدِ سیاه‌چاله‌ها و تاریخِ شیمیاییِ عالم نیز حیاتی است.
منبع: scitechdaily
نظرات
ستاره_ن
ترکیب REACH و SKA جذابه، زمان‌بندی و نقشه‌برداری با هم کلی اطلاعات میدن یه پازل بزرگ احتمالاً حل میشه.
بلاکفلو
زیباست اما شبیه‌سازی‌ها اغلب خوشگل‌تر از واقعیت درمیان، امیدوارم دادههای واقعی واقعا قابل تفکیک باشن
نورپلاس
یاد کارهای آزمایشگاهی خودم افتادم؛ کالیبراسیون و کنترل سیستماتیک همه چیزه، خیلی کار مونده تا به قطعیت برسیم
کیان
چجوری قراره نویز راه شیری و آلودگی‌های انسانی رو از اون سیگنال ضعیف جدا کنن؟ اگه جدا نشه، نتیجه بی‌اعتماده...
استروست
به نظرم منطقیه، اما همه چی به فرض‌ها و پارامترهای شبیه‌سازی بستگی داره؛ منتظر مشاهدات SKA و REACH هستم
دیتاپالس
وااای یعنی با یه همهمه رادیویی میشه به نخستین ستارگان سر زد؟ غیرقابل باوره حتما باید ببینیم نتایج نهایی رو!
ارسال نظر