نفس کیهانی: کشف اکسیژن در سپیده دم هستی، بازنویسی نظریات پیدایش کهکشان‌ها!

کشف شگفت‌انگیزی در عرصه کیهان‌شناسی، دیدگاه ما را نسبت به سرعت تکامل کهکشان‌ها در اوایل پیدایش جهان هستی متحول کرده است. ستاره‌شناسان موفق به شناسایی اکسیژن در نور ساطع شده از کهکشان JADES-GS-z14-0 شده‌اند، که دورترین کهکشان شناخته شده تا به امروز است. این رصد بی‌نظیر، که در مجله‌ی معتبر Astronomy & Astrophysics منتشر شده، نشان می‌دهد غنی‌سازی شیمیایی پیچیده، تنها ۳۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ (Big Bang) آغاز شده بود.

نوری که از این کهکشان به زمین رسیده، مسافتی معادل ۱۳.۴ میلیارد سال نوری را پیموده است. این به منزله‌ی نگاهی مستقیم به دورانی است که پیش از این، تصور می‌شد برای وجود عناصر سنگین بسیار زود باشد. این کشف، با استفاده از آرایه میلی‌متری/زیرمیلی‌متری بزرگ آتاکاما (ALMA) و با پشتیبانی رصدهای تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) صورت گرفته است و دریچه‌ای نو به سوی پرسش‌های اساسی درباره مراحل اولیه شکل‌گیری ستارگان و کهکشان‌ها می‌گشاید.

کشفی که مدل‌های اولیه کهکشان‌ها را متحول می‌کند

اکسیژن، نقش حیاتی به عنوان ردیاب در تکامل کیهانی ایفا می‌کند. برخلاف سایر عناصر، این عنصر امضای طیفی منحصربه‌فردی از خود ساطع می‌کند – خط ساختار ریز ۸۸ میکرونی – که قادر است از میان غبار عبور کرده و در سراسر کیهان منتشر شود. حساسیت بالای ALMA این امکان را فراهم کرد تا این سیگنال خاص را از کهکشان JADES-GS-z14-0 جداسازی کرده و نه تنها ترکیب شیمیایی آن، بلکه فاصله‌اش را نیز با دقت بسیار بالا (حاشیه خطای تنها ۰.۰۰۵ درصد) تعیین کنند.

تجزیه و تحلیل داده‌ها نشان داد که فلزیگی فاز گازی این کهکشان، حدود یک‌پنجم خورشید ما است. این سطح بالای غنی‌سازی عناصر سنگین، به این معنی است که حداقل دو نسل از ستارگان پیش از انتشار این نور توسط کهکشان، زندگی کرده و مرده بودند. مدل‌های شیمیایی سنتی پیش‌بینی می‌کردند که این نوع غنی‌سازی، صدها میلیون سال دیرتر اتفاق بیفتد.

نکته جالب دیگر اینکه، هیچ غباری در این منطقه یافت نشد، به این معنی که نسبت جرم غبار به جرم ستاره‌ای به طور استثنایی پایین است (زیر ۰.۲ درصد). مجموع این یافته‌ها، تصویری از یک کهکشان را ترسیم می‌کند که تقریباً بلافاصله پس از دوران تاریک کیهان، شاهد تشکیل سریع و مؤثر ستارگان بوده است.

پیامدهای این کشف برای شکل‌گیری ستارگان و تکامل کیهانی

داده‌ها همچنین نشان دادند که گاز یونیزه در کهکشان JADES-GS-z14-0 با سرعت حدود ۷۰ کیلومتر بر ثانیه در حال حرکت است، که این امر نشان‌دهنده جرم دینامیکی نزدیک به یک میلیارد جرم خورشیدی است. این یافته‌ها، حاکی از وجود یک هاله ماده تاریک قابل توجه است و انتظارات قبلی درباره زمان ظهور ساختارهای کهکشانی در ابعاد بزرگ را به چالش می‌کشد.

این کهکشان نه‌تنها جدول زمانی کیهانی را زیر سوال می‌برد، بلکه آن را بازتعریف می‌کند. رصدهای بعدی JWST یک سیگنال اضافی در طول موج ۷.۷ میکرون را آشکار کرد که با انتشار قوی از هیدروژن و اکسیژن مطابقت دارد. این یافته‌ها از محیط غنی از اکسیژن که از ALMA استنباط شده بود، پشتیبانی کرده و نشان می‌دهد که تقریباً ۱۰ درصد از فوتون‌های یونیزه‌کننده ممکن است به محیط بین‌کهکشانی فرار کنند. این نشت احتمالی فوتون‌ها می‌تواند در دوران بازیونیزاسیون (epoch of reionization) نقش مهمی ایفا کرده و به نور کمک کند تا از میان غبار و گاز غلیظ اوایل کیهان عبور کند.

اکنون مدل‌ها باید یا انفجارهای سریع‌تر تشکیل ستاره یا اختلاط مؤثرتر بقایای ابرنواختری را در نظر بگیرند، که به اکسیژن اجازه می‌دهد بسیار زودتر از محاسبات قبلی ظاهر شود. این‌که آیا این یک مورد منزوی است یا نشان‌دهنده یک الگوی گسترده‌تر است، هنوز مشخص نیست و نیاز به بررسی‌های بیشتر دارد.

پژواک این پژوهش در میان دانشمندان: بازاندیشی در کیهان

این کشف، موجی از شگفتی و هیجان را در سراسر جامعه علمی برانگیخته است.

استفانو کارنیانی از Scuola Normale Superiore in Pisa، در این باره می‌گوید: “من از نتایج غیرمنتظره شگفت‌زده شدم، زیرا دریچه‌ای جدید به مراحل اولیه تکامل کهکشان‌ها گشودند.”

این نتایج، نیازمند ارزیابی مجدد بسیاری از فرضیات دیرینه است. نظریه‌های مبتنی بر تجمع تدریجی گاز و نرخ‌های متوسط تشکیل ستاره، اکنون برای توضیح کهکشانی مانند JADES-GS-z14-0 کافی به نظر نمی‌رسند. مدل‌های جدید باید احتمالاتی مانند جمعیت‌های ستاره‌ای سنگین‌وزن (top-heavy stellar populations) را در نظر بگیرند، جایی که ستارگان پرجرم غالب هستند و محیط اطراف خود را سریع‌تر غنی می‌کنند، یا اینکه هاله‌های غنی از گاز بسیار زودتر از آنچه شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دادند، شکل گرفته و فروپاشیده‌اند.

ریچارد بوئنز از رصدخانه لیدن نیز می‌افزاید: “این نشان‌دهنده هم‌افزایی شگفت‌انگیز بین ALMA و JWST برای آشکارسازی شکل‌گیری و تکامل اولین کهکشان‌ها است.”

در مجموع، این ابزارها نگاهی اجمالی به زمانی را ارائه داده‌اند که کهکشان‌ها ممکن است بسیار سریع‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌کردیم، رشد کرده باشند.

گام‌های بعدی: ابزارهای دقیق‌تر برای پرسش‌های عمیق‌تر

این پژوهش هنوز به پایان نرسیده است. کمپین‌های طیف‌سنجی JWST در آینده، با هدف شناسایی خطوط کربن و نیتروژن در همین منطقه، به دنبال تکمیل درک ما از اکوسیستم‌های کهکشانی اولیه هستند. در همین حال، رصدهای ALMA با فرکانس بالاتر تلاش خواهند کرد تا انتشارات ضعیف غبار را ثبت کنند و بینشی در مورد سرعت شکل‌گیری غبار در کنار فلزات ارائه دهند.

تلسکوپ بسیار بزرگ (ELT) آینده نیز قادر خواهد بود توده‌های ستاره‌ساز به کوچکی چند صد سال نوری را تفکیک کند. این ابزارها به آزمایش این فرضیه کمک می‌کنند که آیا JADES-GS-z14-0 یک نمونه نادر و پیشرو است یا کهکشان‌های مشابه، شایع‌تر از تصورات پیشین بودند.

ALMA همچنین قصد دارد ده‌ها نامزد انتقال به سرخ ۱۲ را مورد بررسی قرار دهد و به دنبال شناسایی اکسیژن اضافی است تا مشخص کند آیا این یافته استثنایی است یا بخشی از یک روند گسترده‌تر کیهانی.

کهکشانی که خیلی سریع بزرگ شد

وجود اکسیژن در کهکشان JADES-GS-z14-0 تنها ۳۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ، جدول زمانی کیهانی اولیه را فشرده می‌کند و آنچه را که درباره شکل‌گیری کهکشان‌ها می‌دانستیم، به چالش می‌کشد. به جای تکامل آهسته از طریق تجمع سلسله مراتبی، به نظر می‌رسد این کهکشان یک جهش رشد اولیه را تجربه کرده است – جهشی که انتظارات را برآورده نمی‌کند و محدودیت‌های مدل‌های کیهان‌شناسی فعلی را به چالش می‌کشد.

با توجه به احتمال کشف‌های بیشتر در آینده، ستاره‌شناسان اکنون در حال بررسی مجدد مبانی تکامل ستارگان، فرآیندهای بازخورد و حتی ماهیت هاله‌های ماده تاریک هستند. یک چیز واضح است: جهان اولیه آنقدرها هم که قبلاً باور داشتیم، کند یا ساده نبوده است. و به لطف رصدخانه‌های نسل بعدی، ما تازه شروع به کشف داستان‌هایی کرده‌ایم که برای گفتن دارد.

منبع