چرا کهکشان‌های نخستینِ رصدشده با جیمز وب این‌قدر عجیب‌اند؟
تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) زمان زیادی لازم نداشت تا نشان دهد برداشت ما از جهان اولیه چقدر اشتباه بوده است.
در این تصویرِ تلسکوپ جیمز وب، کهکشان Y1 با نوری سرخ ناشی از غبار گرم‌شده می‌درخشد. این کهکشان اکنون در حال تجربه‌ٔ — یا پیش‌تر تجربه کرده — دوره‌ای از ستاره‌سازیِ فوق‌العاده سریع است. اگر کهکشان‌های باستانی دیگر نیز چنین دوره‌ای را پشت سر گذاشته باشند، می‌توان توضیح داد که چرا کهکشان‌های اولیه بسیار پرجرم‌تر از آن چیزی هستند که اخترشناسان تصور می‌کردند.
اعتبار تصویر: ناسا، ESA، CSA (تلسکوپ جیمز وب)، T. Bakx / ALMA (ESO/NRAO/NAOJ).
نوع مجوز: انتساب (CC BY 4.0)
تنها چند هفته پس از آغاز رصدهایش، کهکشان‌هایی در نخستین دوره‌های عالم پیدا کرد که بسیار پرجرم‌تر از آن چیزی بودند که نظریه‌های ما پیش‌بینی می‌کردند. این تصاویر گیج‌کننده نیازمند توضیحی بودند.
اکنون پژوهشگرانی که با آرایه بزرگ میلی‌متری/زیرمیلی‌متری آتاکاما (ALMA) کار می‌کنند، پاسخی برای این معما ارائه داده‌اند. نتایج آن‌ها در مقاله‌ای با عنوان «یک کهکشان مادون‌قرمز فوق‌درخشان و گرم تنها ۶۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ» منتشر شده است؛ این پژوهش در نشریه Monthly Notices of the Royal Astronomical Society چاپ شده و نویسندهٔ اصلی آن تام باکس، پژوهشگر پسا‌دکترا در دانشگاه چالمرز سوئد است.
این تحقیق روی کهکشانی متمرکز است که آن را تنها Y1 نامیده‌اند. این کهکشان در انتقال‌به‌سرخ ۸.۳ قرار دارد، به این معنا که ما آن را در زمانی می‌بینیم که تنها حدود ۶۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ بوده است. نوری که اکنون دریافت می‌کنیم، بیش از ۱۳ میلیارد سال در فضا سفر کرده است.
Y1 را یک کارخانهٔ ستاره‌سازی فوق‌داغ نامیده‌اند، زیرا نرخ شکل‌گیری ستاره در آن (SFR) بسیار بالاست. نرخ ستاره‌زایی این کهکشان حدود ۱۸۰ برابر بیشتر از نرخ کهکشان راه شیری است: Y1 سالانه حدود ۱۸۰ جرم خورشیدی ستاره تولید می‌کند، در حالی که کهکشان ما تنها سالانه ۱ جرم خورشیدی ستاره می‌سازد. به‌گفتهٔ پژوهشگران، همین موضوع می‌تواند توضیح دهد که چرا کهکشان‌های اولیه بسیار بزرگ‌تر از تصور ما بوده‌اند. نظریه‌های فعلی ستاره‌زایی قادر به توضیح چنین نرخ‌های بالایی نیستند.
یویچی تامورا، دانشگاه ناگویا ژاپن توضیح می دهد:
«با اینکه این نخستین باری است که کهکشانی این‌چنین می‌بینیم، فکر می‌کنیم که بسیاری دیگر نیز وجود دارند.»
این تصویر دو مورد از کهکشان‌هایی را نشان می‌دهد که تلسکوپ جیمز وب در دوران بسیار آغازین جهان شناسایی کرده است. این کهکشان‌ها بسیار درخشان‌تر از حد انتظار بودند، و این موضوع نشان می‌دهد که آن‌ها احتمالاً بسیار پرجرم‌تر از آن چیزی هستند که پژوهشگران تصور می‌کردند. اعتبار تصویر: ناسا، ESA، CSA، تومازو ترو (دانشگاه UCLA)؛ پردازش تصویر: زولتان لِوِی (STScI)
مانند تقریباً هر چیز دیگر در اخترشناسی، اخترفیزیک و کیهان‌شناسی، اصل ماجرا به نور برمی‌گردد. آنچه اخترشناسان در Y1 مشاهده کرده‌اند، نور سرخ ناشی از غبار فوق‌داغ است که نرخ ستاره‌زایی بسیار زیاد این کهکشان را پنهان می‌کند.
باکس در بیانیهٔ خبری می‌گوید:
«ما به زمانی نگاه می‌کنیم که جهان بسیار سریع‌تر از امروز در حال ساختن ستاره‌ها بود. مشاهدات پیشین نشان داده بود که در این کهکشان غبار وجود دارد، و این باعث می‌شود که دورترین فاصله‌ای باشد که تاکنون توانسته‌ایم نور مستقیمِ غبارِ درخشان را تشخیص دهیم.»
او می‌افزاید:
«این موضوع ما را به این شک انداخت که شاید این کهکشان نوع متفاوتی از کارخانهٔ ستاره‌سازیِ فوق‌داغ باشد. برای اطمینان، تصمیم گرفتیم دمای آن را اندازه‌گیری کنیم.»
ستاره‌ها در درون توده‌های عظیم گاز به‌صورت گسترده شکل می‌گیرند. ستاره‌های جوان و بزرگ‌تر به‌شدت درخشان هستند و نور قدرتمندشان گاز و غبار اطراف را روشن می‌کند.
اما بخش زیادی از این نور خارج از محدودهٔ دید انسان است. ستاره‌ها غبار را گرم می‌کنند و این غبار نور را در طول‌موج‌های رادیویی منتشر می‌کند. اینجاست که ALMA وارد عمل می‌شود. این آرایه توانایی دیدن در «باند ۹» را دارد؛ یعنی طول‌موجی نزدیک به ۰٫۴۴ میلی‌متر. با مشاهده در این طول‌موج، ALMA توانست دمای کهکشان را اندازه بگیرد.
باکس می‌گوید:
«در این طول‌موج‌ها، کهکشان با ابرهای غبار درخشان دیده می‌شود. وقتی دیدیم که این کهکشان در این طول‌موج چقدر روشن‌تر از طول‌موج‌های دیگر است، فوراً فهمیدیم که با یک مورد کاملاً خاص روبه‌رو هستیم.»
به این دلیل آن را «فوق‌داغ» می‌نامند که دمای غبار آن از سایر کهکشان‌ها بیشتر است. دمای غبار Y1 حدود ۹۰ کلوین است، یعنی ۱۸۰- درجهٔ سلسیوس. در حالی که دمای غبار راه شیری تنها ۲۰ تا ۴۰ کلوین است. این دماها با نرخ ستاره‌زایی کهکشان‌ها مطابقت دارند: راه شیری با نرخ آرام و پایدارش دمای پایین دارد، اما Y1 به خاطر ستاره‌سازی شدید، دمایی بسیار بیشتر دارد.
یویچی تامورا توضیح می‌دهد:
«این دما با اینکه نسبت به غبار خانه‌های روی زمین بسیار سرد است، اما از هر کهکشان مشابه دیگری که دیده‌ایم، بسیار گرم‌تر است. این موضوع تأیید کرد که Y1 واقعاً یک کارخانهٔ ستاره‌سازیِ افراطی است. با اینکه نخستین نمونهٔ مشاهده‌شده است، فکر می‌کنیم چنین کهکشان‌هایی در اوایل جهان فراوان بوده‌اند.»
اگر این دوره‌های ستاره‌سازیِ سریع رایج بوده باشند، می‌توانند توضیح دهند که چرا JWST ما را با یافتن کهکشان‌های بزرگ و پرجرم در جهان آغازین شگفت‌زده کرد. حتی اگر این دوره‌ها کوتاه باشند، نرخ‌های ستاره‌زایی بسیار زیادشان می‌تواند این پدیده را توضیح دهد.
باکس می‌گوید:
«نمی‌دانیم این دوره‌ها در جهان اولیه چقدر رایج بوده‌اند، بنابراین در آینده قصد داریم نمونه‌های بیشتری از چنین کارخانه‌های ستاره‌ای پیدا کنیم. همچنین می‌خواهیم با استفاده از توان تفکیک بالای ALMA نگاهی دقیق‌تر به عملکرد این کهکشان بیندازیم.»
اما این پژوهش تنها پاسخی برای معمای کهکشان‌های بزرگ اولیه نیست که JWST مطرح کرده بود. تحقیقات نشان می‌دهد که کهکشان‌های آغازین ممکن است بسیار بیشتر از حد انتظار غبار داشته باشند. اخترشناسان می‌دانند که بیشتر غبار کهکشانی را ستاره‌های پیر — به‌ویژه غول‌های سرخ تکامل‌یافته — تولید می‌کنند. اما اگر غبار بسیار گرم‌تر از چیزی باشد که تصور می‌کردیم، در آن صورت همان مقدار غبار می‌تواند به اندازهٔ مقدار بیشتری غبار سرد نورانی باشد. بنابراین برای توجیه مشاهدات، نیازی به جمعیت زیاد ستاره‌های پیر نیست.
لورا سوموویاگو می‌گوید:
«کهکشان‌های آغازین جهان برای این مقدار غبار خیلی جوان هستند. این عجیب است، زیرا هنوز آن‌قدر ستاره‌های پیر ندارند که غبار زیادی بسازند. اما مقدار کمی غبار گرم می‌تواند به اندازهٔ مقدار زیادی غبار سرد بدرخشد — و این دقیقاً همان چیزی است که در Y1 می‌بینیم. گرچه این کهکشان‌ها هنوز جوان‌اند و مقدار زیادی عناصر سنگین یا غبار ندارند، اما همان مقدار اندک، بسیار داغ و درخشان است.»
نویسندگان در پایان نتیجه‌گیری می‌کنند:
«این منبع نمونه‌ای افراطی از ستاره‌سازی پنهان‌شده در پشت غبار است که نقشی مهم در شکل‌گیری جرم ستاره‌ای کیهانی دارد؛ پدیده‌ای که تنها با مشاهدات مستقیم و جامع در ناحیهٔ (زیر) میلی‌متری قابل آشکارسازی است.»
دانشجوی دکتری ژئوفیزیک گرایش لرزه شناسی هستم. ژئوفیزیک به بررسی ابعاد زمین و اتفاقاتی مانند زلزله و لرزه هایی که توسط فعالیت انسان به‌وجود می‌آید، می پردازد. فعالیت در حوزه زمین و فضا از علاقه مندی ام است.
