جهان اولیه پر از رازهایی است که هنوز برای دانشمندان آشکار نشده است. در پژوهشی تازه، گروهی از ستاره‌شناسان دانشگاه میزوری (University of Missouri) هنگام بررسی اجرام کم‌نور و بسیار دوردست، دست‌کم ۳۰۰ جرم آسمانی یافتند که به‌طرزی غیرعادی پرنور بودند. این کشف بدان معناست که یا این اجرام خیلی زودتر از انتظار شروع به تشکیل ستاره کرده‌اند، یا فرآیند ناشناخته‌ی دیگری در جریان است. هرچه که باشد، می‌تواند نگاه ما به تاریخچه‌ی آغازین کیهان را تغییر دهد.
برای این مطالعه، اخترشناسان از دو ابزار قدرتمند مادون قرمز تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) استفاده کردند: دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam) و ابزار فروسرخ میانی (MIRI). این دو ابزار دقیقاً برای ردیابی نور اجرام دوردست طراحی شده‌اند؛ ویژگی‌ای که برای مطالعه‌ی جهان اولیه حیاتی است.
هاوجینگ یان (Haojing Yan)، استاد اخترشناسی دانشگاه میزوری و یکی از نویسندگان این پژوهش می‌گوید:
«این اجرام اسرارآمیز می‌توانند کهکشان‌های کاندیدا در کیهان اولیه باشند؛ یعنی احتمال دارد واقعاً از نخستین کهکشان‌های شکل‌گرفته باشند. اگر حتی بخشی از این اجرام همان چیزی باشند که گمان می‌کنیم، کشف ما می‌تواند نظریه‌های فعلی درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری کهکشان‌ها در آغاز کیهان را به چالش بکشد.»
نگاهی به گذشته‌ی کیهان
مطالعه‌ی نخستین اجرام جهان کاری ساده نیست. اخترشناسان نمی‌توانند به‌راحتی از پشت تلسکوپ نگاه کنند و فوراً نتیجه بگیرند که چه چیزی پیدا کرده‌اند. به دلیل فاصله‌ی بسیار زیاد و کم‌نور بودن این اجرام، بررسی این دوران از تاریخ کیهانی بسیار دشوار است.
یان و همکارانش مجبور بودند برای تعیین ماهیت واقعی این اجرام، گام به گام پیش بروند. این کار به مجموعه‌ای از مشاهدات در طول‌موج‌های مختلف نیاز داشت تا بتوان فهمید این اجرام دقیقاً در کدام بخش از تاریخ کیهان قرار می‌گیرند.
آن‌ها برای بررسی هر یک از این ۳۰۰ کهکشان کاندیدا از روشی به نام «تکنیک افت» یا Dropout Technique استفاده کردند. اساس این روش بر مقایسه‌ی یک جرم آسمانی در طول‌موج‌های متفاوت است. برای نمونه، یک کهکشان با انتقال به سرخ بالا (یعنی بسیار دوردست) ممکن است در طول‌موج‌های سرخ دیده شود، اما در طول‌موج‌های آبی ناپدید شود.
بنجنگ «تام» سان (Bangzheng “Tom” Sun)، یکی از اعضای تیم توضیح می‌دهد:
«این پدیده نشان‌دهنده‌ی رخداد موسوم به شکست لایمن (Lyman Break) است؛ ویژگی طیفی‌ای که در اثر جذب نور فرابنفش توسط هیدروژن خنثی ایجاد می‌شود. هرچه انتقال به سرخ بیشتر باشد، این امضا به طول‌موج‌های سرخ‌تر جابه‌جا می‌شود.»
راز نور کهکشان‌های دور
دلیل این پدیده آن است که نور اجرام دوردست باید فاصله‌های بسیار زیادی را طی کند تا به ما برسد. فرض کنید کهکشانی در جهان اولیه مقدار زیادی نور فرابنفش گسیل می‌کند. این موضوع می‌تواند نشانه‌ی آن باشد که منطقه‌ای پرانرژی و پرستاره در حال شکل‌گیری است، زیرا ستاره‌های جوان در فرابنفش بسیار درخشان‌اند. یا شاید آن کهکشان دارای یک سیاهچاله‌ی مرکزی فعال باشد.
اما به دلیل انبساط جهان، وقتی این نور در فضا حرکت می‌کند، کشیده می‌شود و به سمت طول‌موج‌های بلندتر می‌رود. در نتیجه، وقتی به ما می‌رسد، این اجرام دوردست به رنگ سرخ دیده می‌شوند و در طول‌موج فرابنفش کاملاً ناپدید می‌شوند. همین موضوع باعث می‌شود اخترشناسان بتوانند با مشاهده‌ی افت نور در بخش آبی طیف، فاصله‌ی زیاد این اجرام را شناسایی کنند.
اثبات شکست لایمن
پس از شناسایی کهکشان‌های لایمن‌بریک، نوبت به تعیین فاصله‌ی دقیق آن‌ها می‌رسد. پرسش این است که آیا واقعاً این اجرام در فواصل بسیار دور قرار دارند یا نه؟ برای پاسخ، اخترشناسان باید نور آن‌ها را موشکافانه بررسی کنند.
یان می‌گوید:
«بهترین راه برای این کار طیف‌سنجی است؛ روشی که نور را به طول‌موج‌های گوناگون تجزیه می‌کند تا بتوان امضاهای خاص آن را یافت و انتقال به سرخ دقیق را تعیین کرد.»
روش دیگر، برازش توزیع انرژی طیفی (Spectral Energy Distribution Fitting) است. در این روش نموداری از انرژی تابش‌شده در برابر طول‌موج یا فرکانس ترسیم می‌شود. این کار به اخترشناسان اجازه می‌دهد انتقال به سرخ احتمالی را تخمین بزنند. این روش به‌ویژه برای نور فروسرخ بسیار مفید است و کمک می‌کند مناطق ستاره‌زایی یا حضور ستاره‌های جوان و داغ درون کهکشان‌ها آشکار شود.
کاوش نخستین دوران‌های شکل‌گیری کهکشان
نتایج این مطالعه به یان و همکارانش امکان می‌دهد این کهکشان‌های اولیه را با جزئیات بیشتری بررسی کنند و سن و جرم ستاره‌ای آن‌ها را برآورد نمایند.
یان می‌گوید:
«حتی اگر فقط چند مورد از این اجرام در واقع متعلق به کیهان اولیه باشند، ما را وادار می‌کنند نظریه‌های موجود درباره‌ی شکل‌گیری کهکشان‌ها را بازنگری کنیم.»
اگر این اجرام همان کهکشان‌های پرنور و ستاره‌ساز اولیه باشند، تخمین‌های کنونی درباره‌ی زمان و چگونگی آغاز شکل‌گیری ستاره‌ها و کهکشان‌ها دگرگون خواهد شد. تاکنون تصور بر این بود که نخستین کهکشان‌ها حدود ۲۰۰ تا ۶۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ (Big Bang) آغاز به شکل‌گیری کرده‌اند. در این دوره، ساختارهای نخستین کهکشانی به‌تدریج در اثر نیروی ماده‌ی تاریک به هم پیوستند. اما هنوز روشن نیست این روند دقیقاً چه زمانی شروع شده است.
مشاهدات اخیر تلسکوپ جیمز وب نشان داد که بسیاری از کهکشان‌های پرنور و پرجرم، بسیار زودتر از انتظار در تاریخ کیهانی ظاهر شده‌اند. اگر اجرام یافته‌شده توسط تیم میزوری واقعاً متعلق به همان دوران باشند یا حتی زودتر شکل گرفته باشند، این موضوع می‌تواند محدوده‌ی زمانی ۲۰۰ تا ۶۰۰ میلیون سال را دقیق‌تر کند و وجود مناطق ستاره‌زایی پرانرژی در کهکشان‌های آغازین را تأیید نماید.
سان می‌گوید:
«یکی از اجرام ما با استفاده از طیف‌سنجی تأیید شده که یک کهکشان اولیه است. اما فقط یک مورد کافی نیست. ما باید مشاهدات بیشتری انجام دهیم تا مطمئن شویم آیا نظریه‌های فعلی واقعاً به چالش کشیده می‌شوند یا نه.»
جمع‌بندی
این پژوهش تازه یک بار دیگر نشان می‌دهد که جهان اولیه چقدر پررمز و راز است. کشف صدها جرم پرنور و مرموز در کیهان دوردست، پرسش‌های بنیادی درباره‌ی زمان و چگونگی شکل‌گیری نخستین ستاره‌ها و کهکشان‌ها مطرح می‌کند. ابزارهای پیشرفته‌ی تلسکوپ جیمز وب به اخترشناسان کمک می‌کنند تا در عمق تاریخ کیهان نگاه کنند؛ جایی که پاسخ پرسش‌های بزرگ بشر درباره‌ی خاستگاه کهکشان‌ها و ساختارهای کیهانی پنهان است.
هر تأیید جدید می‌تواند برگه‌ای تازه به کتاب تاریخ کیهان بیفزاید و شاید روزی نظریه‌های کنونی را دگرگون کند.
