تلسکوپ فضایی جیمز وب از اسرار جهان آغازین پرده برمی‌دارد

ستاره‌شناسان در جستجوی درک اولین ستاره‌ها و کهکشان‌هایی که در کیهان درخشیدند هنوز در تاریکی به سر می‌برند، اما با هر کشف یک قدم به روشنگری نزدیک می‌شوند. این کشفیات، نتایج تقریبا قطعی رصدهای اولیه‌ی تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) هستند؛ رصدخانه‌ای ده میلیارد دلاری که عملیات علمی خود را از تابستان امسال آغاز کرد.

به نقل از scientific american، جیمز وب که برای رصد نور فروسرخ اجرام جهان آغازین طراحی شده است، توانست اجرام مربوط به چندصد میلیون سال پس از بیگ‌بنگ را رصد کند و به این ترتیب به داده‌های بیشتر و بهتری از کهکشان‌های آغازین دست پیدا کند؛ اما این مجموعه از کهکشان‌های نوزاد بسیار پربارتر از تصور اغلب پژوهشگرها بودند. به بیان ساده، شمار کهکشان‌های کاندید در جهان آغازین بسیار فراتر از اغلب پیش‌بینی‌ها هستند. دانشمندان برای توضیح چرایی این مسئله، نیازمند بازنگری در مدل‌های کیهانی رایج هستند. آن‌ها باید تغییراتی را اعمال کنند که مواردی مثل شکل‌گیری اولین کهکشان‌ها در زمانی زودتر، درخشش بیشتر ستاره‌های آن‌ها یا حتی ماهیت پیچیده‌تر ماده و انرژی تاریک را دربرمی‌گیرند.

براساس یافته‌های جیمز وب، دو عدد از کهکشان‌های آغازین این شک دانشمندان را تقویت می‌کنند که دانش ما از کیهان بسیار ناقص است. این دو کهکشان که به ترتیب ۳۵۰ میلیون سال و ۴۵۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ وجود داشتند بسیار قدیمی‌تر از یافته‌های گذشته بودند. دو گروه به صورت مستقل مسئول کشف این کهکشان‌ها بودند. یک گروه به رهبری روهان نایدو از مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست و دیگری به رهبری مارکو کاستلانو از رصدخانه‌ی نجومی رم در ایتالیا این کهکشان‌ها را کشف کردند.

نسخه‌ی پیش‌انتشار پژوهش‌‌های دانشمندان در پایگاه arXiv.org قرار گرفت و پس از گذراندن مراحل سخت بازبینی در ماه نوامبر و اکتبر در مجله‌ی Astrophysical Journal Letters منتشر شد. مشکلات اولیه‌ی مربوط به کالیبراسیون جیمز وب نگرانی‌ ستاره‌شناسان را درباره محاسبه غلط فاصله‌ی واقعی کهکشان‌ها افزایش داد؛ اما به گفته‌ی کاستلانو:

پس از بررسی‌های دقیق با اطمینان کامل می‌توانیم بگوییم کالیبراسیون برای این دو کهکشان مشکل‌ساز نبود. آن‌ها کاندیداهای بسیار دقیقی هستند.

قطعا پژوهشگرها برای تأیید یافته‌های خود نیاز به رصدهای دقیق‌تری دارند. ستاره‌شناسان چند کهکشان آغازین دیگر را هم کشف کردند که به نظر می‌رسد قدمت آن‌ها به ۲۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ باز می‌گردد. پیش از پرتاب جیمز وب، هیچ‌کس تصور نمی‌کرد که کهکشان‌ها بتوانند در فاصله‌ی کمی از آغاز جهان ۱۳/۸ میلیارد ساله شکل بگیرند. پیش از این تصور می‌شد مواد در جهان آغازین به شکل توده‌های متراکم به یکدیگر پیوستند و به شکل‌گیری گروهی بزرگ از ستاره‌ها انجامیدند. به نقل از گارت الینگورث، ستاره‌شناس دانشگاه کالیفرنیا سانتاکروز در نشست مطبوعاتی ناسا:

آیا واقعا مراحل اولیه‌ی شکل‌گیری این کهکشان‌ها را درک می‌کنیم؟ نظریه‌پردازها می‌توانند پاسخ خود را در یافته‌های جدید جستجو کنند.

یکی از رازها، تأثیر ماده‌ی تاریک بر ظهور کهکشان‌ها است. در فاصله‌ی چندصدهزار سال پس از بیگ‌بنگ، کیهان به قدری داغ بود که گرانش نمی‌توانست ماده‌ی عادی را برای شکل‌گیری توده‌های کهکشانی اولیه به سمت یکدیگر جذب کند؛ اما جورج پناروبیا، کیهان‌شناس دانشگاه ادینبورگ اسکاتلند می‌گوید این محدودیت برای ماده‌ی تاریک وجود نداشت. زیرا ماده‌ی تاریک از طریق نیروهای الکترومغناطیسی برهم‌کنش ندارد.

درعوض گرانش به‌تنهایی ارباب این ماده‌ی نامرئی است؛ بدین معنا که در لحظات پس از بیگ‌بنگ و زمانی که هرج و مرجی آغازین در حال حکمرانی بود، گرانش بلافاصله مواد تاریک را به شکل توده‌هایی موسوم به هاله گرد هم آورد. تصور می‌شود این هاله‌های ماده‌ی تاریک به شکل حفره‌های گرانشی برای ماده‌ی معمولی عمل کردند و به شکل‌گیری کهکشان‌ها در جهان آغازین انجامیدند. این هاله‌ها هنوز کهکشان‌هایی مثل راه شیری را احاطه کرده‌اند و مانند مجسمه‌ساز‌های باشکوه و نامرئی کیهان مدرن هستند.

سرعت بالای جیمز وب در کشف کهکشان‌های آغازین می‌تواند درک ما از چگونگی شکل‌گیری هاله‌های ماده‌ی تاریک را زیر سؤال ببرد و نشان می‌دهد کهکشان‌ها زودتر از تصور رشد کردند. یک دلیل این اتفاق به ماهیت ماده‌ی تاریک بازمی‌گردد. به باور نظریه‌پردازان، ماده‌ی تاریک می‌تواند از طریق برهم‌کنش گرانشی با خود و ماده‌ی معمولی تکثیر شده و به ساختار کیهانی عظیمی تبدیل شود؛ اما طبیعت هیچ تضمینی برای ساده‌سازی فرآیندها ندارد. در واقع ماده‌ی تاریک ممکن است دراثر وجود نیرویی که هنوز ناشناخته است، با خود برهم‌کنش داشته باشد (شاید از طریق ذره‌ای که در مدل استاندارد فعلی فیزیک وجود ندارد) و به این ترتیب احتمالا سرعت رشد هاله‌های ماده‌ی تاریک را افزایش می‌دهد. این فرض می‌تواند توضیح دهد که چگونه کهکشان‌های بزرگ و درخشان توانستند چنین زودهنگام به‌وجود آیند.

بااین‌حال شاید درعوض این هاله‌ها صرفا در جذب ماده معمولی برای تغذیه فرایند ستاره‌زایی کارآمدتر بودند. امروزه کهکشان ما در سال تقریبا یک ستاره جدید تولید می‌کند، اما مقاله‌ی کاستلانو نشان می‌دهد سرعت شکل‌گیری ستاره‌ها در دو کهکشانی که تیم او و تیم نایدو کشف کردند، باید بیست برابر بیشتر بوده باشد. براساس مقاله‌ی دیگری از یافته‌های جیمز وب، کهکشان‌های هم‌اندازه با راه‌شیری می‌توانند درست نیم میلیارد سال پس از بیگ‌بنگ شکل بگیرند. برای چنین سناریویی سرعت شکل‌گیری ستاره‌ها باید ده برابر بیشتر از تخمین‌های کاستلانو باشد؛ اما به نقل از مایکل بولان کولچین، کیهان‌شناس دانشگاه آستین تگزارس، چنین سرعت‌های شکل‌گیری ستاره‌ای می‌توانند مرزهای احتمال‌های فیزیکی را جابه‌جا کنند. او می‌افزاید:

اگر این اعداد و ارقام صحیح باشند. [کهکشان‌ها] باید تمام جرم خود را به ستاره تبدیل کنند و با حداکثر سرعت ممکن ستاره‌ها را تشکیل دهند.

یک سناریوی محتمل‌تر این است که ستاره‌ها تا حدی در انباشته‌سازی جرم در جهان آغازین بهینه‌تر عمل کرده‌اند. به این ترتیب ستاره‌های درخشان‌تر و سنگین‌تری به وجود آمدند و باعث شدند کهکشان‌های آغازین در زاویه‌ی دید جیمز وب ظاهر شوند. استفان ویلکینز، ستاره‌شناس دانشگاه ساسکس انگلستان می‌گوید: «شاید در آن زمان تعداد بسیار زیادی ستاره‌ی بسیار سنگین شکل گرفته باشد.»

به این ستاره‌ها، ستاره‌های جمعیت ۳ گفته می‌شود که ستاره‌هایی فرضی در جهان هستند. گرچه ستاره‌شناس‌ها هنوز با قطعیت نتوانستند چنین ستاره‌هایی را رصد کنند، شواهد زیادی درباره‌ی آن‌ها وجود دارد. ستاره‌های جمعیت ۳ که اساسا از گاز هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند در جهان آغازین رایج بودند. این ستاره‌ها فاقد عناصر سنگین‌تر بودند و به همین دلیل به ابعاد بزرگی می‌رسیدند که می‌توانستند صدها برابر بزرگ‌تر از خورشید باشند؛ اما این ستاره‌ها هم مانند شمع‌های سوزان که عمر کوتاهی دارند، درطول چند میلیون سال به پایان عمر خود نزدیک می‌شدند و به همین دلیل امروزه کشف آن‌ها دشوار است.

با این‌حال ممکن است برخی از کهکشان‌های دوردستی که در تصاویر جیمز وب ظاهر شده‌اند و حتی کهکشان‌های قدیمی‌تری که هنوز در انتظار کشف شدن هستند، دارای شواهدی از ستاره‌های جمعیت سه باشند. درخشش این کهکشان‌ها را می‌توان به این ستاره‌ها نسبت داد چرا که نسبت به ستاره‌های جمعیت ۲ و ستاره‌های جمعیت ۱ مثل خورشید که در دنیای کنونی رایج هستند، درخشان‌تر و داغ‌تر هستند. دنیل والن، کیهان‌شناس دانشگاه پورتثماوث انگلستان می‌گوید:

جیمز وب برای رسیدن به قطعیت بیشتر باید به بررسی طیف‌سنجی کاندیداهای کهکشانی دوردست بپردازد که شامل فرآیند زمان‌بر جمع‌آوری طیف‌های رنگین‌کمان‌مانند از نور کهکشان‌ها برای محاسبه‌ی عناصر شیمیایی ستاره‌های آن‌ها است. یکی از آثار واضح ستاره‌های جمعیت سه، شاخصه‌ی طیفی خاص هلیومی است که در ستاره‌هایی با دمای نزدیک به ۱۰۰ هزار درجه‌ی سانتی‌گراد وجود دارد.

رصدهای بعدی به‌زودی آغاز خواهند شد. جیهان کارتلتپ از مؤسسه‌ی فناوری روچستری، پژوهشگر ارشد بررسی CEERTS برای رصد کاندیدهای کهکشانی آغازین است. این کاندیدهای کهکشانی بر اساس انتقال به سرخ بالایشان شناسایی می‌شوند. انتقال به سرخ به معنی کشیده شدن طول موج‌های نور بر اثر انبساط کیهان در طول زمان است. به‌این‌ترتیب رصدهای بعدی طیف‌سنجی نه‌تنها بر بررسی جمعیت‌های ستاره‌ای کهکشانی بلکه بر بررسی قدمت کیهانی آن‌ها هم متمرکز خواهد بود. کارتلتپ می‌گوید: «امیدواریم ستاره‌شناس‌ها با این رصدها بتوانند به‌سرعت شکل‌گیری ستاره‌ها و سن آن‌ها پی ببرند.»

انتظار می‌رود پروژه‌ی یادشده تا اواخر دسامبر آغاز شود. در این پروژه هشت ساعت از زمان تلسکوپ جیمزوب به دریافت طیف سه کهکشان هدف، اختصاص خواهد یافت. انتظار می‌رود برنامه‌های بیشتری از این دست در آینده اجرا شوند.

ایده‌های خیره‌کننده‌ی بیشتری در راه‌اند. اگر جیمز وب بتواند انفجار اولیه‌ی شکل‌گیری کهکشانی پرجرم را در عصرهای آغازین کیهانی کشف کند، می‌تواند به این نتیجه رسید که جهان با سرعت بیشتر از حد انتظار در حال انبساط است. به گفته‌ی نیکولا منسی، ستاره‌شناس رصدخانه‌ی نجومی رم، شاید این سرعت دو برابر پیش‌بینی‌های پیشین باشد. این سرعت انبساط را می‌توان به تأثیر نوع مشخصی از انرژی تاریک نسبت داد که نیروی معمایی و عامل افزایش سرعت انبساط جهان است. مدل‌های انرژی تاریک، قابلیت نوسان‌های این انرژی در زمان کیهانی را نشان می‌دهند. در صورتی که این مدل‌ها معتبر باشند، تأثیر انرژی تاریک بر انبساط جهان می‌تواند در فاصله‌ی کوتاه‌تری پس از بیگ‌بنگ آغاز شده باشد. به نقل از منسی:

به نظر می‌رسد نتایج اولیه‌ی جیمز وب در تضاد با اغلب مدل‌های منطقی کنونی مثل مدل ماده‌ی تاریک سرد لامبدا (Lambda CDM) هستند. این مدل شامل بهترین تخمین‌های کیهان‌شناسان از خواص ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک و تأثیر آن‌ها بر انبساط کیهان است.

فرضیه‌های موجود حتی اگر دور از ذهن باشند، کاملا حذف نخواهند شد چرا که ستاره‌شناس‌ها باید به بررسی فراوانی کهکشان‌های کاندیدا بپردازند. ممکن است برخی از این کهکشان‌ها صرفا یک سراب باشند و کهکشان‌های نزدیک‌تر کهکشان‌های دوردست را به دلیل مقدار زیاد غبار مخفی کرده باشند و همین مسئله باعث انتقال به سرخ نور آن‌ها می‌شود. بررسی اولیه‌ی کهکشان‌های نایدو و کاستلانو با استفاده از آرایه‌ی زیرمیلی‌متری عظیم آتاکاما (ALMA) در شیلی شواهد اندکی را برای چنین مواد پرغباری ارائه می‌کند. به باور کاستلانو با وجود نتایج جذاب ALMA، جیمز وب تنها ابزاری است که می‌تواند درباره‌ی این کهکشان‌ها به ما پاسخ دهد.

رصدهای بعدی کهکشان‌های یادشده در اولین سال علمی جیمز وب (تا ژوئن ۲۰۲۳) انجام خواهد شد. نتایج جذاب‌تر را می‌توان در سال دوم علمی یا چرخه‌ی ۲ انتظار داشت. ستاره‌شناسان طرح‌های پیشنهادی خود برای سال دوم را تا مهلت ۲۷ ژانویه‌ی ۲۰۲۳ ارائه می‌کنند. الینگورث می‌گوید مطالعات بعدی برپایه طیف‌سنجی با جیمز وب ضروری است و درخواست برای انجام آن‌ها در چرخه ۲ فراوان خواهد بود. او می‌افزاید:

ما مشکلی واقعی داریم: این اجرام درخشان از کجا آمده‌اند؟ آن‌ها در کتاب داستان نیستند، [پس] واقعا باید بفهمیم قضیه از چه قرار است.