این موضوع به «نیمروز کیهانی» مربوط میشود؛ دورهای از تاریخ عالم که حدود دو میلیارد سال پس از مهبانگ آغاز شد. در این زمان تقریباً همه کهکشانها یک جهش بزرگ در رشد و تشکیل ستاره را تجربه کردند. در نیمروز کیهانی، کهکشانها با نرخی ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بیشتر از امروز ستاره تولید میکردند و همچنین از طریق ادغام با کهکشانهای دیگر، جرم بیشتری به دست میآوردند. هالههای ماده تاریک نیز در همین دوره رشد بسیار سریعی داشتند. از این رو، ستارهشناسان علاقهمندند بدانند که کهکشانها چگونه رشد میکنند و تکامل مییابند و چرا نیمروز کیهانی، با نرخ بالای تشکیل ستاره و رشد سریع، مرحلهای حیاتی در تحول کهکشانها به شمار میرود.
یکی از ویژگیهای مهم امواج رادیویی این است که بهراحتی توسط غبار مسدود نمیشوند. طولموج بلند این امواج به آنها امکان میدهد از لایههای غباری که نور مرئی را متوقف میکنند عبور کنند. به همین دلیل، میتوان از آنها برای کاوش در نیمروز کیهانی استفاده کرد؛ دورهای که تا حدی در برابر مشاهدات نوری مسدود است.
در پژوهش تازهای، طیف انرژی رادیویی (SED) مربوط به ۱۶۰ کهکشان در دوره نیمروز کیهانی تحلیل شد. این تحقیق با استفاده از دادههای سه رصدخانهی قدرتمند انجام شد: «MeerKAT» در آفریقای جنوبی، «آرایه بسیار بزرگ» (VLA) در آمریکا، و «تلسکوپ رادیویی غولپیکر متری» (GMRT) در هند. پژوهشگران با کمک این دادهها، توانستند امواج رادیویی کهکشانها را به مؤلفههای جداگانه تفکیک کرده و ویژگیهای فیزیکی آنها را در گذر زمان ردیابی کنند.
نتایج این مطالعه در نشریهی The Astrophysical Journal منتشر شد. عنوان مقاله چنین است: «توزیع طیف انرژی رادیویی و کالیبراسیون نرخ تشکیل ستاره در کهکشانهای بسیار فعال MIGHTEE-COSMOS در بازه ۱.۵ < ۳.۵< z». نویسنده اصلی مقاله، دکتر فاطمه طباطبایی، استاد نجوم در پژوهشگاه دانشهای بنیادی (IPM) تهران است.
پژوهشگران در مقاله خود مینویسند:
«مطالعهی توزیع طیف انرژی رادیویی (SED) کهکشانهای دوردست، برای درک شکلگیری و تکامل آنها در طول تاریخ کیهانی ضروری است.»
هرآنچه ما درباره کهکشانها میدانیم، حاصل مشاهدات نوری است که از آنها دریافت میکنیم؛ چه در محدودهی نور مرئی و چه در طیف رادیویی. مشاهدات نوری نشان میدهند که پس از نیمروز کیهانی، کهکشانها به مرحله خاموشی رسیدند؛ به این معنا که نرخ تشکیل ستاره در آنها به شدت کاهش یافت. اما این درک ما از نرخ تشکیل ستاره (SFR) تا حد زیادی سوگیرانه است، زیرا نور مرئی توسط غبار میانستارهای مسدود میشود. از آنجا که امواج رادیویی میتوانند از غبار عبور کنند، مشاهدات رادیویی ابزاری مکمل برای آشکار کردن جنبههای پنهان کهکشانها در دوره نیمروز کیهانی هستند.
استاد راسل تیلور، همکار این پژوهش، در یک بیانیهی مطبوعاتی گفت:
«این موضوع ما را برانگیخت تا با استفاده از تلسکوپ رادیویی MeerKAT در آفریقای جنوبی، مشاهدات عمیق رادیویی از چند میدان آسمانی انجام دهیم. این تلسکوپ ۹۰ کیلومتر بیرون از شهر کوچک کارنارون قرار دارد و یکی از پیشدرآمدهای رصدخانهی عظیم SKA است.»
پروژهی MIGHTEE که با MeerKAT اجرا میشود، دادههای ارزشمندی در زمینهی پیوستار رادیویی، خطوط طیفی و قطبش فراهم میآورد. این دادهها نه تنها به بررسی نرخ تشکیل ستاره در کهکشانها در گذر زمان کمک میکنند، بلکه اطلاعاتی دربارهی میدانهای مغناطیسی کهکشانها در دورههای مختلف کیهان ارائه میدهند.
دکتر طباطبایی میگوید:
«مشاهدات چندفرکانسی رادیویی ما از کهکشانهای نزدیک نشان داد که سیگنالهای رادیویی در بازه ۱ تا ۱۰ گیگاهرتز ابزار بسیار دقیقی برای اندازهگیری نرخ تشکیل ستاره هستند. ترکیب دادههای پروژه MIGHTEE با سایر پیمایشهای رادیویی به ما امکان داد مطالعات خود را به ۱۶۰ کهکشان در دوره نیمروز کیهانی و حتی فراتر از آن گسترش دهیم.»
همچنین دکتر مریم خاتمی، از پژوهشگران IPM و همکار این مطالعه، اضافه میکند:
«تحلیل دقیق ما نشان میدهد که طیف رادیویی این کهکشانها همراه با نرخ تشکیل ستاره تکامل مییابد و این نکته پیامدهای مهمی در درک ما از کهکشانهای نخستینِ ستارهزا دارد.»
یکی از پارامترهای کلیدی که در این پژوهش اندازهگیری شد، «شاخص طیفی سینکروترون» بود. این شاخص نقش مهمی در فهم پرتوهای کیهانی و میدانهای مغناطیسی کهکشانها دارد. تابش سینکروترون از پرتوهای کیهانی (الکترونهای پرانرژی) سرچشمه میگیرد که در میدانهای مغناطیسی به صورت مارپیچی حرکت میکنند. یافتهها نشان داد که این شاخص طیفی با افزایش انتقال به سرخ (redshift) و نرخ تشکیل ستاره، مسطحتر میشود. در این زمینه، مسطحتر شدن طیف به این معناست که نسبت الکترونهای پرانرژی به الکترونهای کمانرژی بیشتر است. این نتیجه بیانگر آن است که الکترونهای پرتوهای کیهانی در جهان اولیه انرژی بیشتری داشتند و این امر احتمالاً ناشی از فعالیت شدیدتر ستارهزایی بوده است.
با این حال، پرتوهای کیهانی هنگام گذر از میدانهای مغناطیسی به سرعت انرژی خود را از دست میدهند، زیرا در همین مسیر تابش سینکروترون منتشر میکنند. طیف کهکشانهای اولیه نشان میدهد که در آنها پرتوهای کیهانی انرژی بیشتری کسب کردهاند؛ بهویژه در کهکشانهایی با نرخ بالای تشکیل ستاره و میدانهای مغناطیسی قویتر. پس علت این تناقض چیست؟
دکتر طباطبایی توضیح میدهد:
«این پدیده زمانی رخ میدهد که میدانهای مغناطیسی در این سامانهها به شدت درهمتنیده و آشفته باشند. میدانهای مغناطیسی آشفته به پرتوهای کیهانی کمک میکنند تا سطوح انرژی بالاتری شتاب بگیرند. سپس این ذرات از میدان جدا شده و پراکنده میشوند.»
اگر این فرض درست باشد، آنگاه باید کهکشانهای دوره نیمروز کیهانی در هالههایی از پرتوهای کیهانی پرانرژی غوطهور بوده باشند. همچنین پژوهشگران دریافتند که همبستگی فروسرخ–رادیویی (IRRC) ــ روشی غیرمستقیم برای اندازهگیری طیف انرژی ــ با وجود تغییرات طیف رادیویی، در گذر زمان ثابت باقی میماند. این امر نیز میتواند با وجود همان هالههای پرانرژی توضیح داده شود.
نتایج این پژوهش همچنین نشان میدهد که مشاهدات رادیویی ردیابهای بسیار مؤثری برای بررسی نرخ تشکیل ستاره در انتقال به سرخهای بالا هستند. این یافته بسیار مهم است، زیرا در آینده نزدیک رصدخانه عظیم SKA آغاز به کار خواهد کرد. این رصدخانه قرار است یک میلیارد کهکشان را در طول موج رادیویی نقشهبرداری کند و تحولات کهکشانی و شکلگیری جهان اولیه را با دقت بیسابقهای بررسی نماید.
پژوهشگران در پایان مقاله خود مینویسند:
«کار ارائهشده در این مقاله از پیمایشهای چندفرکانسی و عمیق SKA بهرهمند خواهد شد و به ما کمک میکند تا تحلیلهای طیف انرژی (SED) را با نمونههای کاملتر و دقیقتری انجام دهیم.»
