این تلسکوپ نشان داد وقتی عمر جهان تنها چند میلیارد سال بود، از پیش میزبان چندین کهکشان بسیار بزرگ بوده است. چنین نتیجهای با انتظارهای رایج همخوانی نداشت و به یک معمای جدی در کیهانشناسی تبدیل شد.
این ابهام با آغاز به کار James Webb Space Telescope حتی عمیقتر شد. وب با حساسیت بیسابقه خود در طولموجهای فروسرخ، تعداد زیادی کهکشان درخشان را کشف کرد که در زمانی حتی زودتر از آنچه تصور میشد وجود داشتهاند. این رصدها پرسشی بنیادین را پیش روی دانشمندان گذاشت: چگونه ممکن است کهکشانهایی به این اندازه عظیم و از نظر تکاملی پیشرفته، تنها مدت کوتاهی پس از مهبانگ شکل گرفته باشند؟
برای پاسخ به این پرسش، گروهی از پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک برای اخترشناسی رادیویی از دادههای آرایه قدرتمند Atacama Large Millimeter-submillimeter Array (ALMA) استفاده کردند. آنها مرکز خوشهی آغازینی از کهکشانها با نام SPT2349-۵۶ را بررسی کردند؛ ساختاری بسیار پرجرم که پیشتر با همکاری تلسکوپهای رصدی در شیلی شناسایی شده بود. این سامانه تنها ۱.۴ میلیارد سال پس از مهبانگ وجود داشته است؛ یعنی زمانی که جهان کمتر از ده درصد سن کنونی خود را داشت.
در این ساختار، پژوهشگران چهار کهکشان را مشاهده کردند که بهشدت با یکدیگر در تعامل گرانشی بودند و با سرعتی شگفتانگیز ستاره میساختند. یافتههای آنها نشان میدهد که کهکشانهای بیضوی غولپیکر — که امروزه در مرکز بسیاری از خوشههای کهکشانی دیده میشوند — ممکن است از طریق فروپاشی سریع خوشههای کهکشانی نوزاد شکل گرفته باشند، نه از راه رشد تدریجی و آرام طی میلیاردها سال.
رهبری این پژوهش را نیکولائوس زولتسناور، پژوهشگر دکتری در مؤسسه ماکس پلانک و دانشگاه بن، بر عهده داشت. گروه او شامل همکاری گستردهای از مؤسسات بینالمللی بود؛ از جمله پژوهشگرانی از مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان، رصدخانه جنوبی اروپا، آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا و چندین دانشگاه معتبر دیگر. نتایج این تحقیق در نشریه علمی Nature منتشر شده است.
بر اساس مدلهای کیهانشناسی پذیرفتهشده، انتظار میرود در چنین زمان آغازینی از تاریخ کیهان، بیشتر کهکشانها جوان باشند و نرخ بالایی از ستارهزایی داشته باشند. اما مشاهدات نشان دادهاند که در همان دوران، کهکشانهای بیضوی عظیمی با جمعیت ستارهای پیر و نرخ کم ستارهزایی نیز وجود داشتهاند. این موضوع با سناریوی رایج «رشد سلسلهمراتبی» که بر اساس آن کهکشانهای بزرگ از ادغام تدریجی کهکشانهای کوچکتر در طی میلیاردها سال شکل میگیرند، ناسازگار به نظر میرسد.
زولتسناور توضیح میدهد که در جهانی که انتظار میرود ساختارهای بزرگ بهآرامی از برهمکنش و ادغام واحدهای کوچکتر ساخته شوند، برخی کهکشانهای بیضوی غولپیکر احتمالاً مسیری کاملاً متفاوت پیمودهاند. بهجای آنکه طی ۱۴ میلیارد سال جرم خود را بهتدریج افزایش دهند، ممکن است تنها در چند صد میلیون سال از فروپاشی سریع یک ساختار آغازین بسیار چگال پدید آمده باشند. چنین زمانی در مقیاس کیهانی بسیار کوتاه است — تقریباً معادل زمانی که خورشید یک بار به دور مرکز کهکشان راه شیری میگردد.
آنها دریافتند که متراکمترین ساختارهای کیهان احتمالاً در همان اوایل تاریخ عالم از انبساط عمومی جدا شده و بهسرعت شروع به فروپاشی کردهاند. SPT2349-۵۶ نمونهای کمنظیر از چنین مرحلهای است. این سامانه رکورددار یکی از بالاترین نرخهای ستارهزایی در جهان آغازین به شمار میرود.
با استفاده از ALMA، پژوهشگران گاز و غبار سرد موجود در مرکز این خوشه آغازین را بررسی کردند؛ موادی که سوخت اصلی تشکیل ستارههای جدید هستند. آنها چهار کهکشان در حال برخورد را مشاهده کردند که بازوهای کشندی عظیمی از گاز یونیده را با سرعت حدود ۳۰۰ کیلومتر بر ثانیه به بیرون پرتاب میکردند. این ساختارهای کشیده، گسترهای بسیار بزرگتر از کهکشان راه شیری را در بر میگرفتند.
در طولموجهای زیرمیلیمتری، تابش این بازوها بهدلیل امواج ضربهای که اتمهای کربن یونیده را برانگیخته میکردند، تا ده برابر تقویت شده بود. همین تابش درخشان به پژوهشگران اجازه داد تا حرکت گازها را با دقت بالایی اندازهگیری کنند. آنها ساختاری مارپیچ و رشتهمانند را مشاهده کردند که هسته خوشه را احاطه کرده بود و مانند مهرههایی روی یک رشته، مجموعهای از کهکشانهای در حال برخورد را به هم متصل میکرد.
نکته شگفتانگیز این بود که در این منطقه، ستارهها با سرعتی خارقالعاده شکل میگرفتند: تقریباً هر ۴۰ دقیقه یک ستاره جدید. برای مقایسه، در کهکشان راه شیری امروزی در طول یک سال تنها چند ستاره تازه متولد میشوند. این تفاوت چشمگیر نشان میدهد که محیطهای آغازین کیهان میتوانستند شرایطی بسیار پویاتر و خشنتر از امروز داشته باشند.
پژوهشگران دریافتند که حدود ۴۰ کهکشان غنی از گاز در هسته این ساختار در حال تعامل هستند و بیشتر آنها طی کمتر از ۳۰۰ میلیون سال در یک کهکشان بیضوی غولپیکر ادغام خواهند شد. در مقیاس کیهانی، چنین زمانی «چشم برهمزدنی» محسوب میشود. این نخستین بار است که دانشمندان شاهد مرحله آغازین یک «آبشار ادغامی» در چنین مقیاسی هستند؛ فرایندی که طی آن مجموعهای از ادغامهای بزرگ بهطور همزمان رخ میدهد.
شبیهسازیهای عددی دقیقی که توسط دانشجویان دانشگاه بریتیش کلمبیا انجام شد، نتایج رصدی ALMA را تأیید کرد. این شبیهسازیها نشان دادند که ادغامهای بزرگ همزمان احتمالاً در طول تاریخ کیهان بارها رخ دادهاند و میتوانند نقش مهمی در شکلگیری سریع ساختارهای عظیم داشته باشند.
این یافتهها همچنین به درک بهتر چگونگی گرم شدن و انتقال عناصر سنگین — مانند کربن — در خوشههای کهکشانی اولیه کمک میکند. کربن یکی از عناصر کلیدی شیمی آلی و پایه حیات است، و فهم چگونگی توزیع آن در جهان آغازین برای درک تکامل شیمیایی کیهان اهمیت فراوان دارد.
با این حال، پژوهشگران تأکید میکنند که هنوز پرسشهای بزرگی بیپاسخ مانده است. برهمکنش میان امواج ضربهای ناشی از ادغام، گرم شدن گاز توسط رشد سیاهچالههای ابرپرجرم، و تأثیر این فرایندها بر سوخت موردنیاز برای ستارهزایی، همچنان از معماهای مهم اخترفیزیک به شمار میرود. شاید هنوز برای ادعای درک کامل «کودکی» کهکشانهای بیضوی غولپیکر زود باشد، اما این پژوهش گامی اساسی در پیوند دادن بقایای کشندی خوشههای آغازین به روند شکلگیری کهکشانهای عظیم امروزی محسوب میشود.
در مجموع، این نتایج نشان میدهد که تاریخ اولیه کیهان ممکن است بسیار پویاتر و پیچیدهتر از آن چیزی بوده باشد که مدلهای ساده رشد تدریجی پیشبینی میکنند. جهان جوان احتمالاً قادر بوده است در بازههای زمانی کوتاه، ساختارهایی بسازد که پیشتر تصور میشد تنها طی میلیاردها سال شکل میگیرند. چنین کشفیاتی نهتنها دیدگاه ما را درباره شکلگیری کهکشانها تغییر میدهد، بلکه ما را وادار میکند تاریخ آغازین عالم را با نگاهی تازه بازنگری کنیم.
