این دوره که به “عصر تاریک کیهانی” شناخته می‌شود، زمانی بود که نخستین ستاره‌ها و کهکشان‌ها، حدود ۲۰۰ میلیون تا ۱ میلیارد سال پس از مه‌بانگ (Big Bang) شکل گرفتند. متأسفانه نور باقی‌مانده از این دوران تنها به پرتوهای ریزموج کیهانی (CMB) که از مه‌بانگ به جا مانده و فوتون‌هایی که بر اثر یونیزه شدن هیدروژن خنثی توسط تابش ستاره‌ای آزاد شده‌اند، محدود می‌شود.
تلسکوپ‌های قبلی مانند هابل و اسپیتزر به دلیل محدودیت در حساسیت به نور مادون‌قرمز، قادر به مشاهده این کهکشان‌ها در آن دوران نبودند. اما به لطف ابزارهای پیشرفته مادون‌قرمز تلسکوپ وب، تاج‌نگارها و سپر حرارتی آن، اکنون پرده‌ای از عصر تاریک برداشته شده است. در مطالعه‌ای جدید، تیمی بین‌المللی از دانشمندان داده‌های آرشیوی وب را بررسی کرده‌اند تا کهکشان‌هایی را که تنها چند صد میلیون سال پس از مه‌بانگ وجود داشته‌اند، ردیابی کنند؛ کاری که تا مرزهای توانایی تصویربرداری تلسکوپ وب پیش رفته است.
این مطالعه توسط مارکو کاستلانو، پژوهشگر موسسه ملی اخترفیزیک ایتالیا (INAF) در رصدخانه رم هدایت شده است و پژوهشگرانی از مؤسسات مختلف بین‌المللی نیز در آن مشارکت داشته‌اند.
از آغاز به کار JWST، این تلسکوپ موفق به مشاهده کهکشان‌هایی شده که بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش شکل گرفته‌اند. برخی از تصاویر اولیه این کهکشان‌ها در مجموعه داده‌های اولیه انتشار یافته تلسکوپ وب (ERO) وجود داشتند که شامل “نقاط قرمز کوچک” بودند که بعدها مشخص شد هسته‌های فعال کهکشانی اولیه یا کویزارها هستند. پیش از وب، با تلسکوپ‌های هابل و اسپیتزر می‌توانستیم کهکشان‌هایی را تا انتقال‌به‌سرخ (redshift) حدود ۱۰ (~۵۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ) ببینیم، آن هم با حساسیتی بسیار پایین‌تر.
اما همان‌طور که کاستلانو در ایمیلی به Universe Today گفته است، حساسیت بیشتر تلسکوپ وب، دریچه‌ای تازه به مراحل آغازین شکل‌گیری و تحول کهکشان‌ها گشوده است:
«JWST تاکنون ده‌ها منبع با انتقال‌به‌سرخ بسیار بالا تا z=14.2 (رکورد فعلی، حدود ۳۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ) کشف کرده است. این تلسکوپ امکان مطالعه دقیق ویژگی‌های فیزیکی این کهکشان‌ها، از جمله ترکیب شیمیایی گازهای آن‌ها را فراهم کرده است. از بین سیلی از یافته‌های هیجان‌انگیز، به نظر من دو مورد بسیار قابل توجه‌اند: تعداد بالای کهکشان‌های درخشان در بازه ۵۰۰ تا ۳۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ و تعداد زیاد هسته‌های کهکشانی فعال کم‌نور در اولین میلیارد سال.»
تعداد کهکشان‌های کشف‌شده در این بازه زمانی و میزان درخشندگی‌شان، دانشمندان را شگفت‌زده کرده است؛ چرا که این نتایج با مدل‌های کیهان‌شناسی موجود ناسازگارند. همین مسئله در مورد سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم (SMBHs) نیز صدق می‌کند که در این دوران بزرگ‌تر از حد پیش‌بینی مدل‌های کیهانی دیده شده‌اند. این مدل‌ها نشان می‌دهند که زمان کافی برای شکل‌گیری چنین کهکشان‌های درخشانی یا رشد این سیاه‌چاله‌ها وجود نداشته است. کاستلانو می‌گوید تمرکز پژوهش او روی همین یافته‌هاست:
«از همان مشاهدات اولیه، JWST کهکشان‌هایی با z>9 و تابش فرابنفش بسیار درخشان مشاهده کرده که از مدل‌های نظری یا مشاهدات پیشین بسیار فراتر می‌رود. در سه سال گذشته، تلاش‌های نظری زیادی برای توضیح این “مازاد” کهکشان‌های درخشان صورت گرفته است؛ از جمله احتمال کاهش بسیار زیاد غبار، بازدهی بالای شکل‌گیری ستاره‌ها، تابش ستارگان کم‌فلز یا حتی تأثیر تابش ناشی از فروریزش به سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم. اکنون بسیار حیاتی است که کهکشان‌هایی با انتقال‌به‌سرخ بالاتر از موارد قبلی پیدا کنیم تا مدل‌های نظری را بیازماییم.»
در این مطالعه، تیم از داده‌های فتو‌متری تلسکوپ‌های JWST و هابل که در کاتالوگ ASTRODEEP-JWST آمده استفاده کرده و هفت پیمایش کیهانی را بررسی کرده‌اند. این پیمایش‌ها شامل CEERS، GOODS-N و GOODS-S، FRESCO، NGDEEP، CANDELS، GLASS-JWST و … می‌شوند.
تیم پژوهشی به‌دنبال کهکشان‌هایی با انتقال‌به‌سرخ بین z=15 تا ۳۰ بوده است. انتخاب کاندیداها بر اساس شکل توزیع انرژی طیفی آن‌ها و شکست لایمن صورت گرفته است. این روش نیازمند مشاهده کهکشان‌های پرانتقال از طریق فیلترهای فرابنفش و مادون‌قرمز نزدیک است، چرا که تابش این کهکشان‌ها به‌وسیله گاز خنثی اطراف جذب می‌شود. کاستلانو توضیح می‌دهد که این کار چالش‌های زیادی داشته است:
«از یک سو، این اجرام کم‌نورتر هستند و در باندهای فتو‌متری کمتری آشکار می‌شوند، در نتیجه اطلاعات ما از شکل طیف آن‌ها کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، خطر آلودگی نمونه با کهکشان‌های کم‌انتقال بیشتر می‌شود. این مسئله همیشه در جستجوی کهکشان‌های نادر دوردست وجود دارد، اما در نمونه‌های z>15 این مشکل بیشتر می‌شود، زیرا کلاس‌های جدیدی از اجرام ناشناخته با انتقال‌به‌سرخ پایین یا متوسط وارد معیارهای انتخاب می‌شوند. این اجرام معمولاً دارای طیفی هستند که طیف کهکشان‌های z>15 را تقلید می‌کند؛ چرا که بسیار “قرمز” به‌نظر می‌رسند. این ممکن است به دلیل جذب شدید نور ستاره‌ای توسط غبار یا غالب بودن جمعیت‌های ستاره‌ای قدیمی باشد. در برخی موارد نادر، نقاط فتو‌متری این اجرام با کهکشان‌های z>15 یکسان هستند، چون انتشار پیوسته قرمز آن‌ها با خطوط نشری بسیار قوی ترکیب شده و شار را در برخی فیلترها افزایش داده است.»
در حال حاضر، ستاره‌شناسان تنها موفق به شناسایی چند کهکشان با انتقال‌به‌سرخ بالاتر از ۱۵ شده‌اند، با وجود آنکه تابش فرابنفش این کهکشان‌ها در محدوده طیفی دوربین NIRCam وب قرار دارد. با این حال، عبور از مرز z=15 برای فهم شکل‌گیری اولیه کهکشان‌ها ضروری است و می‌تواند شکاف میان مدل‌های نظری و مشاهدات را کاهش دهد.
در مجموع، این تیم ۱۰ جرم را از میان داده‌های ASTRODEEP-JWST انتخاب کرده که رنگ‌هایشان با انتقال‌به‌سرخ ۱۵ تا ۲۰ سازگار بود. با این حال، کاستلانو تأکید کرده که تحلیل این منابع، دشواری بررسی اجرام در این بازه را دوباره نشان داده است:
«درست است که این اجرام کاندیدهای قابل‌قبول برای کهکشان‌های پرانتقال هستند، اما در عین حال با رنگ‌های پیش‌بینی‌شده برای کهکشان‌های نادر کم‌انتقال نیز سازگارند. به‌ویژه، همان‌طور که گفته شد، ممکن است این اجرام در واقع کهکشان‌های غبارآلود با خطوط نشری قوی یا کهکشان‌های قدیمی در حال تکامل منفعل باشند.»
برای مثال، یکی از این کاندیدها پیش‌تر با طیف‌سنج NIRSpec تلسکوپ وب به‌عنوان بخشی از پروژه CAPERS مشاهده شده بود. این کهکشان با نرخ بالای شکل‌گیری ستاره و انتقال‌به‌سرخ ۶.۵۶ تا ۲۰ مطرح هستند:
«اگر فرض کنیم همه این اجرام کهکشان‌هایی با z>15 باشند، پیامدهای آن بسیار جالب خواهد بود. تعداد آن‌ها نشان‌دهنده فراوانی بالای کهکشان‌های درخشان تنها ۲۰۰ تا ۳۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ است که فراتر از پیش‌بینی‌های مدل‌های نظری است. در واقع، حتی تأیید طیف‌سنجی فقط بخش کوچکی از این اجرام، تضاد قابل‌توجهی با مدل‌های فعلی ایجاد می‌کند.»
علاوه بر این، مطالعه تیم می‌تواند پیامدهایی برای بررسی کهکشان‌های غبارآلود متعلق به بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش داشته باشد. کهکشان‌های z=4 تا ۷ (۱۲.۵ تا ۱۳.۳ میلیارد سال پیش) نیز همچنان تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده‌اند. این‌ها شامل کهکشان‌های کم‌جرم با شکل‌گیری ستاره بالا یا منفعل هستند که در مقایسه با کهکشان‌های پرنور UV و کم‌غبار نادرند.
در پایان، کاستلانو و همکارانش تأکید کرده‌اند که پیگیری طیف‌سنجی کاندیداهای z>15 برای بررسی واقعی بودن این اجرام ضروری است:
«بررسی طیف‌سنجی اجرام منتخب به عنوان کهکشان‌های z>15 بسیار مهم خواهد بود. اگر تأیید شوند، درک ما از نخستین مراحل تکامل کهکشان‌ها دگرگون خواهد شد. اگر هم مشخص شود که این اجرام در واقع بین‌راهی و کم‌انتقال هستند، به شناخت ما از کهکشان‌های غبارآلود و منفعل در انتقال‌به‌سرخ‌های میانی کمک خواهند کرد، که تنها با کمک JWST قابل‌بررسی‌اند… ما تازه داریم می‌فهمیم چطور از JWST برای جستجوی این کهکشان‌های بسیار دور استفاده کنیم. کار سختی است، اما یافتن منابعی تنها ۱۰۰ تا ۲۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ، در توان JWST است.»
پیش‌چاپ این مقاله به‌تازگی آنلاین منتشر شده و در حال بررسی برای چاپ در نشریه Astronomy & Astrophysics است.
