در آن زمان، بی‌شمار کهکشان جوان در حال شکل‌گیری بودند و با سرعتی خارق‌العاده ستاره تولید می‌کردند.
در دل این کهکشان‌های بسیار دور، دیسک‌هایی آشفته و توده‌توده دیده می‌شود که با توده‌های چگال‌تری از گاز و غبار پوشیده شده‌اند؛ همان مناطقی که تعداد زیادی ستاره در آن‌ها متولد شده است.
اخترشناسان می‌خواهند بفهمند چه چیزی باعث ایجاد این توده‌ها شده، و برای پاسخ به این پرسش، به سراغ بررسی کهکشان‌های نزدیک‌تری در “کیهان محلی” رفته‌اند؛ کهکشان‌هایی که مناطق مشابهی با توده‌های چگال دارند.
چالش بزرگ در شناخت این توده‌ها در کیهان آغازین، دیدن درون آن‌هاست.
ابرهای غلیظ غبار، دید را سد می‌کنند. حتی تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) نیز نتوانسته به‌طور کامل پرده از ساختار این توده‌ها در کهکشان‌های بسیار نخستین بردارد.
پس اخترشناسان چگونه می‌توانند درباره‌ی آن‌ها بیشتر بدانند؟
به گفته‌ی شان لیندن، پژوهشگر دانشگاه آریزونا، پاسخ در بررسی کهکشان‌های فروسرخ درخشان (LIRGs) و فوق‌درخشان (ULIRGs) نهفته است. این کهکشان‌ها در کیهان محلی نسبتاً نادرند، و تنها حدود ۲۰۰ مورد از آن‌ها در فاصله‌ای کمتر از ۴۰۰ مگاپارسک (حدود ۱.۳ میلیارد سال نوری) شناسایی شده‌اند.
همین نزدیکی باعث می‌شود که بتوان آن‌ها را با جزئیات بررسی کرد؛ فرصتی ارزشمند برای درک نمونه‌های مشابه آن‌ها در کیهان آغازین.
LIRGs و ULIRGs چه چیزی را فاش می‌کنند؟
کهکشان‌های LIRG و ULIRG، کارخانه‌هایی عظیم، متراکم و پرنور برای تولید ستاره‌اند.
LIRGs بیش از یک میلیارد برابر خورشید انرژی ساطع می‌کنند. ULIRGs حتی درخشان‌ترند؛ تا یک تریلیون برابر درخشندگی خورشید، عمدتاً در طیف فروسرخ.
دلیل این درخشندگی در فروسرخ آن است که نور مرئی آن‌ها توسط گاز و غبار فراوان جذب می‌شود.
لیندن می‌گوید:
«این کهکشان‌ها بسیار توده‌توده و ناپایدار هستند؛ کاملاً متفاوت از کهکشان‌های مارپیچی زیبایی مثل راه شیری. و ما می‌دانیم از شبیه‌سازی‌های کیهانی که این توده‌ها، بلوک‌های سازنده‌ی کهکشان‌ها در دوران آغازین کیهان بوده‌اند.»
در این تصویر حدود ۴۵,۰۰۰ کهکشان دیده می‌شود که بیشتر آن‌ها همان‌گونه که در چندصد میلیون سال نخست پس از مهبانگ وجود داشته‌اند، ثبت شده‌اند. بسیاری از آن‌ها سرشار از زایش ستاره‌ای هستند.
با سپاس از: NASA، ESA، CSA، برنت رابرتسون (دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز)، بن جانسون (CfA)، ساندرو تاکلا (کمبریج)، مارشیا ریکی (دانشگاه آریزونا)، دنیل آیزنشتاین (CfA).
پردازش تصویر: آلیسا پاگان (STScI)
در نخستین دوره‌های تاریخ کیهانی، کهکشان‌های نوپا با هم برخورد می‌کردند و انفجارهایی از زایش ستاره را رقم می‌زدند. این ادغام‌های اولیه، شکل کهکشان‌ها را پیچیده و دگرگون می‌کرد.
توده‌هایی که در LIRGs و ULIRGs دیده می‌شود، احتمالاً همانند همان توده‌هایی هستند که در کیهان آغازین شکل گرفته‌اند.
جالب اینجاست که ULIRGs نزدیک نیز اغلب شکل‌های غیرمعمول، دُم‌های کشندی و اعوجاج‌های مشابهی را نشان می‌دهند؛ همه‌ی این‌ها حاصل برهم‌کنش‌های گرانشی شدید ناشی از ادغام کهکشان‌هاست.
همین برهم‌کنش‌هاست که توده‌های چگال مورد توجه اخترشناسان را پدید آورده است.
این موضوع تأیید می‌کند که LIRGs و ULIRGs نمونه‌های مناسبی برای درک کهکشان‌های مشابه در کیهان آغازین هستند.
آزمایشگاه طبیعی در نزدیکی ما
لیندن توضیح می‌دهد:
«ما به آزمایشگاهی در کیهان نزدیک نیاز داریم تا بتوانیم این سامانه‌های ستاره‌ای شدید را با دقت بررسی کنیم. از شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی دقیقِ ادغام کهکشان‌ها می‌دانیم که این توده‌های عظیم در چگال‌ترین و غبارآلودترین نواحی شکل می‌گیرند. بنابراین به نمونه‌هایی از ادغام‌های شدید و غبارآلود نیاز داریم تا آن‌ها را در مرکزشان، جایی‌که فشار و چگالی گاز بسیار بالاست، مطالعه کنیم.»
این موضوع پژوهشگران را به سراغ پیمایش LIRG در سراسر آسمان با رصدخانه‌های بزرگ (GOALS) برده است؛
طرحی که از سال ۱۳۸۷ آغاز شد و با مشارکت تلسکوپ‌های هابل، اسپیتزر، چاندرا و GALEX، تصویربرداری از ۲۰۰ کهکشان را انجام داد.
این اجرام در کیهان آغازین بسیار رایج بودند، اما در «کیهان محلی» به‌ندرت دیده می‌شوند.
با سپاس از: پیمایش سراسری کهکشان‌های فروسرخ درخشان با رصدخانه‌های بزرگ (GOALS)
بررسی LIRGs و ULIRGs
همه‌ی کهکشان‌های این مجموعه در فاصله‌ای کمتر از یک میلیارد سال نوری از زمین قرار دارند.
طبق گفته‌ی لیندن، آن‌ها کهکشان‌هایی فعال در زایش ستاره‌اند، که آن‌ها را به آزمایشگاهی مناسب برای مطالعه‌ی شکل‌گیری توده‌ها در اثر ادغام‌ها تبدیل کرده است.
با این حال، حتی در این فاصله نسبتاً نزدیک هم مشکلاتی وجود دارد.
«حتی با تلسکوپ هابل، نتوانستیم توده‌ها را در مرکز این کهکشان‌ها ببینیم. در بسیاری موارد، غبار مانع از دیدن توده‌ها توسط هابل می‌شود.»
در اینجا تلسکوپ جیمز وب (JWST) با توانایی‌های فروسرخ خود وارد میدان می‌شود.
لیندن و تیمش با استفاده از دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam) و طیف‌نگار فروسرخ نزدیک (NIRSpec) روی این کهکشان‌ها مطالعه کردند.
او می‌گوید:
«ما ناحیه‌ی مرکزی شماری از این ULIRGs را هدف گرفتیم، و آن‌چه بلافاصله به چشم می‌آید این است که توانستیم صدها—در واقع هزاران—توده را در این سامانه‌ها شناسایی کنیم؛ حتی در مرکزشان. اکنون JWST می‌تواند از میان غبار ببیند. این توده‌ها، جوان‌ترین و غبارآلودترین توده‌هایی هستند که به دنبال آن‌ها می‌گردیم، زیرا گمان می‌کنیم این‌ها محل شدیدترین زایش ستاره‌ای هستند که می‌توان با جهان پرسرخ‌گرای آغازین مقایسه کرد. می‌دانیم که حداقل ۲۰٪ از این منابع در طول‌موج‌های نوری قابل آشکارسازی نیستند. پس در واقع، برای نخستین‌بار است که با JWST آشکار شده‌اند.»
روایت تکامل کیهانی
این مقایسه میان توده‌های ستاره‌ساز در کهکشان‌های نخستین و کهکشان‌های مشابه در دوران‌های نزدیک‌تر، داستانی از تکامل کیهانی را بازگو می‌کند.
لیندن می‌گوید:
«در گذشته، کیهان بسیار خشن‌تر و پرتلاطم‌تر بود؛ اما اکنون رو به آرامش گذاشته است. به همین دلیل است که این نمونه‌های نادر از کهکشان‌های شدید، دیگر در کیهان محلی دیده نمی‌شوند، چون اغلب کهکشان‌ها نیز آرام گرفته‌اند.»
نشانه‌هایی از آینده
به مناطق انفجار ستاره‌ای و توده‌های گاز که در اثر ادغام شکل گرفته‌اند توجه کنید.
با سپاس از: ناسا؛ آژانس فضایی اروپا (ESA)؛ ز. لاوی و ر. فن در مارل، STScI؛ ت. هالاس؛ و آ. ملینگر.
مطالعات JWST که توسط لیندن و تیمش انجام شده، به اخترشناسان امکان می‌دهد تا بررسی کنند آیا ویژگی‌های این توده‌های شدید با شبیه‌سازی‌های تکامل کهکشانی هم‌خوانی دارد یا نه.
همچنین، داده‌ها با مشاهداتی از کهکشان‌هایی در فاصله‌های بسیار زیاد و دوران‌هایی که کیهان کمتر از یک میلیارد سال عمر داشته، مطابقت دارند.
این بررسی‌ها همچنین پیش‌نمایشی از ادغام‌های کهکشانی آینده را ارائه می‌دهد.
برای نمونه، روزی راه‌شیری و آندرومدا با یکدیگر برخورد خواهند کرد—در طی چندین میلیارد سال آینده.
در آن زمان، ممکن است این ادغام موج جدیدی از زایش گسترده‌ی ستاره‌ای را در هر دو کهکشان به راه بیندازد.
لیندن می‌گوید:
«وقتی آندرومدا نزدیک‌تر شود و فشار در محیط میان‌ستاره‌ای افزایش یابد، توده‌هایی که راه شیری خواهد ساخت، پرجرم‌تر و پرانرژی‌تر خواهند بود.»
در نهایت، اگر این ادغام رخ دهد، کهکشان حاصل—که برخی آن را “کهکشان شیرومدا (Milkdromeda)” نامیده‌اند—نیز همان نوع مناطق انفجار ستاره‌ای را نشان خواهد داد که در این پژوهش‌ها بررسی شده‌اند.
