8 دقیقه
ستاره‌شناسان کهکشان دوردستی را شناسایی کرده‌اند که نورش مانند یک کپسول زمان رفتار میکند: تقریباً بدون عناصر سنگین، خطوط نشری قدرتمند هیدروژن و هلیوم، و جمعیتی از ستارگان آن‌چنان جوان که عملاً بکر می‌نماید. اگر این نتیجه تأیید شود، این سیستم «بدون فلز» می‌تواند میزبان ستارگان جستوجو شدهٔ جمعیت سوم (Population III یا Pop III) — نخستین ستارگان جهان — باشد که بسیار دیرتر از پیش‌بینی‌های معمول ظاهر شده‌اند.
یک نامزد شگفت‌انگیز: CR3 و جستوجو برای ستارگان جمعیت سوم
ستارگان جمعیت سوم نسل نظریه‌ای نخستین ستارگان‌اند که از هیدروژن و هلیوم نخستین تشکیل شده‌اند، قبل از آنکه عنصرهای سنگین‌تر که ستاره‌شناسان معمولاً آن‌ها را «فلز» می‌نامند وجود داشته باشند. از آنجا که عناصری مانند اکسیژن، کربن و آهن در هستهٔ ستارگان سنتز می‌شوند و در جریان ابرنواخترها منتشر می‌گردند، انتظار می‌رود اولین نسل ستارگان عملاً عاری از فلز باشند. ردیابی و شناسایی این ستارگان از دهه‌ها پیش یکی از اهداف اصلی کیهان‌شناسی رصدی بوده است.
به همین دلیل شناسایی اخیر کهکشانی با نام MPG-CR3، که به اختصار CR3 خوانده می‌شود، توجه زیادی جلب کرده است. این کشف که توسط دانشجوی دکترای سی‌جیا کای از دانشگاه تینگهوا و همکاران ارائه شده، بر پایهٔ ترکیب داده‌هایی از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، تلسکوپ بسیار بزرگ اروپا (VLT) و تلسکوپ سوبارو ساخته شده است. طیف CR3 برای دورهٔ زمانی خودش غیرعادی است — خطوط نشری هیدروژن و هلیوم بسیار تمیز دیده می‌شوند و تقریباً هیچ خط فلزی مانند خطوط اکسیژن قابل رویت نیست.
برآوردها نشان میدهد CR3 حدود 11 میلیارد سال پیش شکل گرفته، اما جمعیت ستارهای که طیف آن را نشان میدهد بسیار جوان به نظر می‌رسد — تنها چند میلیون سال سن دارد. آن سن کم و فلزیّت بسیار پایین این کهکشان (حد بالایی نزدیک به 0.7٪ از فلزیّت خورشیدی) آن را به نامزدی وسوسه‌انگیز برای میزبانی ستارگان Pop III یا دست‌کم ستارگان بسیار کمفلز و تقریباً نخستین تبدیل کرده است.
آنچه طیف‌ها نشان می‌دهند — و آنچه کم است
طیفسنجی ابزار اصلی برای شناسایی اثر انگشت‌های شیمیایی در طول زمان کیهانی است. در CR3 داده‌ها خطوط نشری هیدروژن قوی و ویژگی‌های هلیوم را نشان می‌دهند که با انتظار برای ستارگان داغ، پرجرم و کمفلز سازگار است. با این حال یک نشانگر کلیدی که اغلب به عنوان مدرک قوی جمعیت Pop III پیشنهاد می‌شود — خط نشری هلیوم دوگانه هسته‌ای یا هلیوم II (He II) — در طیفهای VLT به‌روشنی قابل تشخیص نیست.
داده‌های طیفی کهکشان CR3
نویسندگان دو دلیل محتمل برای عدم آشکارسازی ارائه می‌دهند. نخست، یک خط نشری قوی OH از جو زمین یا یک آلودگی دیگر در همان ناحیه طیفی می‌تواند ویژگی He II را بپوشاند یا آن را خنثی کند. دوم، نشری هلیوم II می‌تواند به سرعت ضعیف شود: دامنهٔ این خط چند میلیون سال پس از آغاز شکلگیری ستارگان به‌طور قابل‌توجهی کاهش مییابد، بنابراین زمان‌بندی مشاهده حیاتی است. اگر جمعیت ستارهای CR3 تنها چند میلیون سال سن داشته و در حال افول باشد، خط He II ممکن است هنگام مشاهده بسیار ضعیف یا نامشخص باشد.
چگونه ممکن است یک سیستم بدون فلز در زمانی این‌چنینی وجود داشته باشد؟
دیدگاه متعارف دورهٔ شکلگیری نخستین ستارگان — سپیده‌دم کیهانی و دوران یونیزاسیون دوباره — را در نخستین یک میلیارد سال پس از مه‌بانگ قرار میدهد. تا زمانی که عالم چند میلیارد ساله شد، نسل‌های ستارهای و ابرنواخترها می‌بایست فلزها را به‌صورت گسترده پخش کرده و ابرهای گازی بکر را آلوده کرده باشند. پس چگونه CR3 می‌تواند از این غنیسازی اجتناب کند؟
تیم پژوهشی یک توضیح هندسی ساده پیشنهاد میکند: CR3 در منطقه‌ای کم‌چگال از کیهان شکل گرفته است، یک «گوشهٔ کم‌جمعیت» کیهانی با کهکشان‌های کم‌تراکم مجاور. در چنین حفره‌های کم‌چگال، غنیسازی از نواحی ستاره‌زای پیشین ممکن است زمان بیشتری ببرد تا برسد. در نتیجه گازی که به‌صورت محلی فرو می‌ریزد می‌تواند ستاره‌هایی را تشکیل دهد که تقریباً بکر باقی مانده‌اند، و به‌طور مؤثر یک جمعیت ایزوله و تأخیری شبیه نسل اول ستارگان را تولید کند حتی زمانی که کیهان به‌طور کلی قدیمی‌تر و شیمیایی‌تر شده است.
تصور کنید یک جزیرهٔ تنها در اقیانوسی در حال گسترش از کهکشان‌ها؛ فلزاتی که در سایر سامانه‌ها تولید می‌شوند به زمان نیاز دارند تا سفر کنند و با محیط اطراف مخلوط شوند؛ اگر یک ابرگاز در انزوا فرو بریزد، می‌تواند ترکیب نخستینی خود را حفظ کند و ستارگانی بسازد که رفتار و طیف‌آنها مشابه نسل اولیهٔ کیهانی باشد. این سناریو CR3 را به نمونه‌ای نادر اما از نظر علمی بسیار ارزشمند تبدیل میکند، زیرا می‌توان آن را به‌عنوان آزمایشگاهی طبیعی برای مطالعهٔ فرآیندهای شکلگیری نخستین ستارگان به‌کار گرفت.
پیامدها: چرا تأیید یک کهکشان Pop III اهمیت دارد
- مطالعهٔ مستقیم مسیرهای هستهسازی نخستین در ستارگان ممکن می‌شود؛ طیف Pop III می‌تواند جرم‌های ستارهای، دماها و طول عمرهای آن‌ها را محدود کند، که برای مدلهای ستارهای و هستهسازی بنیادین اهمیت دارد.
- یافتن ستارگان نسل اول در زمانی نزدیک‌تر از انتظار، مدلهای غنیسازی فلزی کیهانی و نحوهٔ شکلگیری ساختارها را دگرگون خواهد کرد و مرزهای زمانی و مکانی انتشار فلزات را بازنویسی میکند.
- مشاهدهٔ جمعیتی از Pop III می‌تواند تاریخ یونیزاسیون دوباره را روشن کند و نقش نخستین ستارگان در یونیزه کردن محیط بین کهکشانی (IGM) را روشن‌تر سازد، از جمله سهم تابش فرابنفش سخت و تأثیرات گرمایش و فشار تشعشعی بر گاز محیطی.
نبود آشکارِ گرد و غبار در CR3 و اندازه‌های نسبی کوچک ستارگان آن (در مقایسه با ستارگان فوق‌پرجرم رایج در عصر میانی کیهانی) مدل‌سازی سیستم را ساده‌تر میکند و جداسازی نور جمعیت‌های فلزدار بعدی را آسان‌تر می‌نماید. با این حال نبود یک آشکارسازی قاطع از خط He II نیاز به احتیاط دارد: مشاهدات اضافی لازم است پیش از آنکه بتوان کشف نوعِ «اولینِ تاریخ» را اعلام کرد.
مشاهدات پیگردی و چشم‌اندازهای آینده
تأیید CR3 به‌عنوان کهکشانی میزبان Pop III نیازمند طیفهای عمیقتر و با وضوح بالاتر و مشاهدات تکمیلی در طول موج‌های مختلف است. گام‌های برنامه‌ریزی‌شده یا پیشنهادی شامل موارد زیر است:
- طیفسنجی بیشتر با JWST که مستقیماً هدفش خط He II و خطوط با یونیزاسیون بالا باشد، به‌خصوص در زمان‌هایی که آلودگی آسمان حداقل است و وضعیت پس‌زمینهٔ تابشی مناسب است.
- طیفهای زمینی از VLT و کیک (Keck) با تنظیمات رصدی ویژه که برای اجتناب از تداخل خطوط نشری OH جوی طراحی شده‌اند؛ تعیین زمان‌بندی و زاویهٔ دید نسبت به آلودگی‌های جوی در این رصدها حیاتی خواهد بود.
- تصویربرداری عمیق و نقشهبرداری طیفی به‌منظور جست‌وجوی خطوط فلزی ظریف و بررسی جدایی فضایی — آیا CR3 واقعاً در ناحیه‌ای کم‌چگال قرار دارد یا آثار کهکشان‌های همسایه قابل شناسایی است؟ بررسی فضاپیماهای همسایه و محیط بزرگ‌مقیاس می‌تواند نشان دهد آیا این کهکشان از آلودگی‌های بیرونی مصون مانده است یا خیر.
اگر داده‌های اضافی خط He II را بازیابی کنند یا به‌طور کلی جمعیتی با فلزیّت بسیار پایین را تأیید کنند، CR3 تبدیل به هدف اصلیِ مدل‌ها و شبیه‌سازی‌های شکلگیری ستارگان اولیه خواهد شد. چنین تأییدی انگیزهٔ جستوجو برای یافتن پاکتهای نخستینی تأخیری دیگر در میدانهای عمیق رصدی را نیز تشدید خواهد کرد و معیارهای جدیدی برای فیلتر کردن نامزدها فراهم می‌آورد.
بینش کارشناسی
«کشف‌هایی مانند CR3 مفروضات ما را دربارهٔ سرعت غنیسازی شیمیایی کیهان به چالش می‌کشند،» می‌گوید دکتر النا مارسز، یک کیهان‌شناس رصدی که در این مقاله دخالت نداشته است. «اگر یک ناحیهٔ ایزوله بتواند تا دو میلیارد سال دست‌نخورده باقی بماند، شرط‌های مرزی در شبیه‌سازی‌های ما تغییر خواهد کرد. گام بعدی حیاتی طیفهایی با وضوح و پاکی بیشتر است — این طیف‌ها به ما خواهند گفت آیا واقعاً با ستارگان جمعیت سوم طرفیم یا با یک سیستم بسیار کمفلز و خاص.»
چه CR3 نخستین کهکشان تأییدشدهٔ Pop III باشد، چه نمونه‌ای برجسته از غنیسازی تأخیری، این سیستم قدرت ترکیب تلسکوپ‌های هم‌افزاری مانند JWST، VLT و سوبارو را نشان میدهد — و اینکه هنوز چقدر برای کشف باقی مانده است اگر عمیقتر بنگریم و برای شواهد غیرمنتظره گوش‌به‌زنگ باشیم. مطالعات آینده می‌تواند نه‌تنها ماهیت CR3 را روشن کند، بلکه چارچوب نظری ما را دربارهٔ توزیع فلزات، روندهای شکلگیری ستارگان و تاریخ یونیزاسیون در کیهان اولیه بازنویسی نماید.
منبع: sciencealert
ارسال نظر