پرده برداری از نخستین نور جهان: آغاز عصری نو در کیهان شناسی

طی دهه‌های گذشته، یکی از بزرگ‌ترین اسرار کیهان‌شناسی بر این موضوع متمرکز بوده است که در نخستین لحظات پس از مه‌بانگ (بیگ بنگ) چه رخ داد؛ دوره‌ای که جهان از تاریکی مطلق و بی‌ویژگی به گهواره‌ای تبدیل شد که نخستین ستارگان در آن پدیدار شدند. این دوران اسرارآمیز که «سپیده‌دم کیهانی» یا cosmic dawn خوانده می‌شود، آغاز تولد اولین ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها را رقم زد، اما جزئیات آن به‌دلیل ضعف نورها و نبود مشاهدات مستقیم همواره از دید دانشمندان پنهان مانده است.

اکنون یک پیشرفت بزرگ امید تازه‌ای برای روشن‌کردن این دوره حیاتی به‌وجود آورده است. تیمی بین‌المللی از اخترشناسان در نشریه Nature Astronomy گزارش داده‌اند که اکنون در آستانه رمزگشایی از سیگنال رادیویی ابتدایی قرار داریم که حدود ۱۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ منتشر شده است. این سیگنال بنیادی که به «خط ۲۱ سانتیمتری» معروف است، اطلاعات بی‌نظیری درباره شرایطی که ستارگان ابتدایی کیهان - موسوم به ستارگان جمعیت III - آغاز به درخشش کردند، ارائه می‌دهد.

پایه‌های علمی: سیگنال ۲۱ سانتیمتری چیست؟ محور این کشف، سیگنال ۲۱ سانتیمتری است. این طول موج خاص از تابش رادیویی توسط اتم‌های هیدروژن خنثی ایجاد می‌شود. پس از سردشدن نخستین انفجار مه‌بانگ، جهان عمدتاً از این اتم‌های هیدروژن خنثی تشکیل شده بود که هر کدام متشکل از یک پروتون و یک الکترون بودند.

با روشن شدن نخستین ستاره‌ها، انرژی شدید آن‌ها فوتون‌هایی با انرژی بالا ساطع می‌کرد که قادر به یونیزه‌کردن هیدروژن اطراف بودند؛ فرآیندی که فوتون‌ها را در طول موج ۲۱ سانتیمتری آزاد می‌کرد. این تابش، نقش «نشانه‌گذار کیهانی» را دارد و سرنخ‌هایی درباره زمان و نحوه پدید آمدن ساختارهای ابتدایی کیهان فراهم می‌نماید. رمزگشایی از این سیگنال ممکن است کلید فهم ویژگی‌هایی مانند جرم و درخشندگی نخستین اجرام کیهانی باشد.

ابزارهای نوآورانه و پیشرفت‌های فناورانه برای رهگیری این امواج کم‌نور از گذشته‌های دور، اخترشناسان به رصدخانه‌های رادیویی نسل جدید متوسل شده‌اند. دو پروژه عمده در این راه پیشگام هستند:

• تلسکوپ Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) که در مرحله کالیبراسیون نهایی است و هدف آن آشکارسازی دقیق سیگنال‌های کم‌درخشنده هیدروژن قدیمی است.
• تلسکوپ عظیم بین‌المللی Square Kilometer Array (SKA) که در حال ساخت در استرالیا بوده و قرار است سپیده‌دم کیهانی را با جزئیات بی‌نظیر به تصویر بکشد.

پژوهشگران این پروژه‌ها مدل‌های پیچیده‌ای توسعه داده‌اند تا اطلاعات مربوط به جرم ستاره‌های نخستین جهان را از دل سیگنال ۲۱ سانتیمتری استخراج کنند. قابل توجه است که این تحلیل می‌تواند، جزئیات مهمی درباره ستارگان جمعیت III که عمدتاً از هیدروژن و هلیوم اولیه تشکیل شده‌اند، ارائه دهد.

کشفیات کلیدی: نقش دوتایی‌های پرتو ایکس در اوایل جهان یکی از یافته‌های مهم مدل‌های جدید محققان، نقش پیش‌تر دست‌کم‌گرفته‌شده دوتایی‌های پرتو ایکس در کیهان اولیه است. این سامانه‌های پرانرژی شامل یک جرم متراکم مانند سیاه‌چاله یا ستاره نوترونی هستند که ماده را از ستاره همدم خود جذب کرده و پرتو ایکس شدید تولید می‌کنند.

دکتر آناستازیا فیالکوف از دانشگاه کمبریج می‌گوید: «پژوهش ما نخستین مدلی است که تأثیر جرم ستاره‌های اولیه بر سیگنال ۲۱ سانتیمتری و همچنین سهم نور فرابنفش و پرتو ایکس دوتایی‌هایی که در پایان عمر این ستارگان شکل می‌گیرند را به صورت پیوسته شبیه‌سازی می‌کند.» شبیه‌سازی‌های کیهان‌شناسی نشان می‌دهد که دوتایی‌های پرتو ایکس، بسیار پرنورتر و فراوان‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، در جهان نخستین حضور داشتند و تأثیر عمده‌ای بر سیگنال ۲۱ سانتیمتری گذاشته‌اند.

این بینش، درک ما را از نقش ستاره‌های اولیه در تحول کیهان دگرگون کرده است؛ چرا که از کیهان خاموش و تاریک، جهانی پویا و پر از پدیده‌های ستاره‌ای ایجاد شد.

تحول اخترشناسی رادیویی و افق‌های آینده با این پیشرفت‌ها، اخترشناسی رادیویی به سرعت تکامل یافته و دریچه‌ای به سوی جهان «کم‌درخشندگی سطحی» گشوده است؛ بخشی از کیهان که فراتر از توان تلسکوپ‌های نوری قرار دارد. مشاهدات آینده توسط REACH و Square Kilometer Array می‌تواند دانش ما از سپیده‌دم جهان را غنی‌تر کرده و نظریه‌های اساسی درباره چگونگی پیدایش اولین نور - که بستر تولد کهکشان‌ها و سیارات و در نهایت حیات را فراهم ساخت - مورد آزمون قرار دهد.

الوی دلرا آسدو، اخترشناس کمبریجی و مدیر پروژه REACH نیز اظهار می‌کند: «مدل‌های پیش‌بینی ما اهمیت زیادی در شناسایی ماهیت نخستین ستاره‌ها دارد. تلسکوپ‌های رادیویی اکنون می‌توانند جزئیات جرم آن‌ها را مشخص کنند و نشان می‌دهند این ستارگان اولیه احتمالاً تفاوت‌های بنیادینی با ستاره‌های امروزی کیهان دارند.»

جمع‌بندی در حالی که اخترشناسان آماده رمزگشایی رازهای پنهان در خط ۲۱ سانتیمتری می‌شوند، بشر در آستانه پاسخ به قدیمی‌ترین پرسش‌های خود قرار دارد: چگونه تاریکی به نور بدل شد و نخستین ستاره‌های عالم واقعاً چه ویژگی‌هایی داشتند؟ با بهره‌گیری از تلسکوپ‌های رادیویی پیشرفته، مدل‌سازی داده‌های نوین و همکاری‌های جهانی، ممکن است سال‌های پیش رو بتواند پرده از رازهای سپیده‌دم کیهان بردارد؛ عصری که هستی امروز ما را رقم زده است.