سپیده دم کیهانی: تلسکوپ فضایی رومی ناسا تصاویر کودکی از جهان ما را دریافت خواهد کرد

‘چیزی بسیار اساسی در مورد ماهیت جهان در این مدت تغییر کرد.’

رصدخانه بزرگ بعدی ناسا، تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس، هنگامی که چشم خود را به کیهان باز می کند، به دوره ای دور از تاریخ کیهان به نام ‘سپیده دم کیهانی’ نگاه خواهد کرد.

اگرچه تلسکوپ‌های پیشین روم، تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، از این واقعیت که کیهان اکنون در برابر نور شفاف است، نهایت استفاده را می‌برند، اما جهان همیشه به این شکل نبوده است.

“تا حدود ۴۰۰۰۰۰ سال پس از بیگ بنگ، کیهان در وضعیت مات قرار داشت و پر از ‘مه’ مبهمی بود که از ذرات جذب‌کننده فوتون و ذرات نور تشکیل شده بود.” طلوع کیهانی، از بین ۵۰ میلیون سال تا یک میلیارد سال پس از انفجار بزرگ، نشان دهنده دوره ای است که در طی آن این مه شروع به پاک شدن کرد و نور شروع به حرکت آزادانه کرد.

همچنین یکی از مهم ترین دوره های تاریخ جهان ۱۳.۸ میلیارد ساله است، زیرا در زمان تولد اولین ستاره ها، کهکشان ها و سیاهچاله ها نیز بوده است. تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس (رومن) که قرار است در ماه می ۲۰۲۷ پرتاب شود، تأثیر این اجرام آسمانی را در این نقطه عطف حیاتی کیهانی بررسی خواهد کرد.

میشل تالر، اخترفیزیکدان در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا در مریلند، در بیانیه ای گفت: «چیزی بسیار اساسی در مورد ماهیت جهان در این مدت تغییر کرد. به لطف نمای مادون قرمز بزرگ و تیز رومن، ما در نهایت می‌توانیم بفهمیم که در یک نقطه عطف کیهانی چه اتفاقی افتاده است.»

بگذار نور باشد!

در طول سال‌های شکل‌گیری کیهان، با دریایی داغ و متراکم از ذرات، از جمله الکترون‌های آزاد پر شده بود. این ذرات با بار منفی بی پایان فوتون ها را پراکنده کردند و جهان را مات کردند.

با ادامه انبساط کیهان، سرد شد و به نقطه‌ای رسید که الکترون‌ها توانستند با پروتون‌ها پیوند برقرار کنند و اولین اتم‌های خنثی و اولین عناصر، هیدروژن و هلیوم را تشکیل دهند. این منجر به تشکیل اولین ستاره ها و کهکشان ها شد. حذف الکترون های آزاد به اولین نور اجازه داد تا در جهان حرکت کند. ما امروزه این نور را به عنوان یک ‘فسیل آسمانی’ به نام پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) می بینیم.

اگرچه نور در این نقطه دیگر به‌طور بی‌پایان توسط الکترون‌های آزاد پراکنده نمی‌شد، هنوز هم برای سفر به دوردست‌ها کاملاً آزاد نبود. این به این دلیل بود که فوتون ها به سرعت به اتم های خنثی که آنها را جذب می کردند برخورد کردند.

این دوره که بین ۳۸۰۰۰۰ تا ۲۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ به طول انجامید، به عنوان عصر تاریک کیهانی شناخته شد. با شکستن یا یونیزه شدن اتم‌های خنثی و در نتیجه طلوع کیهانی، در یک دوره چند صد میلیون ساله به پایان رسید.

سوال این است: چه چیزی باعث این یونیزاسیون اتم های خنثی شده است؟

آرون یونگ از مؤسسه علمی تلسکوپ فضایی در بالتیمور، که بخشی از تیم رصد جهان اولیه رومن است، گفت: «ما بسیار کنجکاو هستیم که این فرآیند چگونه اتفاق افتاده است. نمای بزرگ و واضح رومن از اعماق فضا به ما کمک می‌کند تا توضیحات مختلف را بسنجیم.»

کهکشان های اولیه خود یکی از منابع احتمالی تابش هستند که انرژی یونیزه کردن اتم های خنثی اولیه را فراهم می کند. محیط اطراف اولین سیاهچاله ها یکی دیگر از منابع احتمالی این نور پرانرژی است.

رومن هر دوی این مظنونان را از نزدیک بررسی خواهد کرد.

تاکاهیرو موریشیتا، دانشمند دستیار مؤسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا گفت: رومن در یافتن بلوک‌های سازنده ساختارهای کیهانی مانند خوشه‌های کهکشانی که بعداً تشکیل می‌شوند، برتری خواهد داشت. ‘این به سرعت متراکم ترین مناطق را شناسایی می کند، جایی که ‘مه’ بیشتری در آن پاک می شود، و رومن را به ماموریتی کلیدی برای کاوش در تکامل اولیه کهکشان ها و طلوع کیهانی تبدیل می کند.

ستارگان در سپیده دم کیهانی با ستارگان امروزی در کیهان متفاوت بودند، زیرا چگالی کیهان اولیه به آنها اجازه می داد تا به جرم صدها یا حتی هزاران برابر خورشید رشد کنند. جرم عظیم این ستارگان اولیه به این معنی بود که عمر آنها بسیار کمتر از عمر تخمینی ۱۰ میلیارد ساله خورشید بود، اما همچنین به این معنی بود که آنها تشعشعات شدیدتری نسبت به ستارگان مدرن منتشر کردند.

انرژی حاصل از این ستارگان که در کهکشان‌های متراکم اولیه کنار هم قرار گرفته‌اند، الکترون‌ها را از پروتون‌های موجود در حباب‌های فضای اطرافشان جدا می‌کند.

تالر گفت: «می‌توان آن را جشن آغاز جهان نامید. ما هرگز تولد اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها را ندیده‌ایم، اما باید تماشایی بوده باشد!»

سیاهچاله ها به مهمانی سحر کیهانی می پیوندند

از آنجایی که این ستارگان پرجرم کوتاه مدت زمانی که سوخت هسته ای آنها تمام شد فرو ریختند، اولین سیاهچاله ها را به دنیا آوردند. در محیط های متراکم رایج در کیهان اولیه، این سیاهچاله ها بارها و بارها با هم برخورد کرده و ادغام شدند.

این امر منجر به ایجاد سیاهچاله‌های بسیار پرجرم با جرم میلیون‌ها یا میلیاردها برابر خورشید شد، اما اینکه چگونه سیاهچاله‌ها به این سرعت بزرگ شدند هنوز یک راز کیهانی مهم است.

اگرچه سیاهچاله ها به دلیل اینکه توسط مرزی به نام ‘افق رویداد’ احاطه شده اند، نوری از خود ساطع نمی کنند، که نقطه ای را نشان می دهد که حتی نور نیز نمی تواند از آنها فرار کند، این سیاهچاله های فوق پرجرم اولیه هنوز هم می توانستند در یونیزه شدن نقش داشته باشند.

هنگامی که یک سیاهچاله بسیار پرجرم توسط گاز و غباری که از آن تغذیه می کند احاطه می شود، این ماده در ابری که به سرعت در حال چرخش است به نام دیسک برافزایشی ته نشین می شود. تأثیر گرانشی عظیم سیاهچاله باعث ایجاد نیروهای جزر و مدی شدید در قرص برافزایش، ایجاد اصطکاک و گرم کردن گاز و غبار می‌شود و باعث می‌شود که در سراسر طیف الکترومغناطیسی بدرخشد.

علاوه بر این، میدان‌های مغناطیسی سیاه‌چاله می‌تواند مواد را به قطب‌های آن هدایت کند و از آنجا به صورت جت‌های دوقلو با سرعت‌های نزدیک به نور منفجر می‌شود. این جت ها با انفجارهای تابش الکترومغناطیسی نیز همراه هستند. جت‌های سیاه‌چاله بسیار پرجرم که صدها هزار سال نوری امتداد دارند، بیش از توانایی جدا کردن الکترون‌ها از اتم‌های خنثی هستند.

این مناطق پرجرم سیاه چاله فعال یا هسته‌های فعال کهکشانی، به عنوان اختروش شناخته می‌شوند و JWST آنها را در فاصله‌هایی که مربوط به دوره‌ای کمتر از یک میلیارد سال پس از انفجار بزرگ است، کشف کرده است. این تلسکوپ فضایی قدرتمند در واقع با کاوش در سپیده دم کیهانی، اختروش های بسیار بیشتری از حد انتظار پیدا می کند.

زمانی که رومن عملیاتی شود، میدان دید وسیع‌تر آن می‌تواند تصویر واضح‌تری از رایج بودن اختروش‌ها در طلوع کیهانی به دست دهد و احتمالاً ده‌ها هزار مورد از این مناطق ابرسیاه‌چاله را پیدا کند.

یونگ توضیح داد: با یک نمونه آماری قوی‌تر، اخترشناسان قادر خواهند بود طیف وسیعی از نظریه‌های الهام‌گرفته از مشاهدات JWST را آزمایش کنند.

یک سوال که محققان سعی خواهند کرد با روم پاسخ دهند این است که چه نوع کهکشانی مسئول تشعشعات یونیزان در سپیده دم کیهان بوده اند. یکی از شاخص های اصلی این امر، اندازه حباب های یونیزه شده است که توسط تشعشعات ایجاد شده است.

یونگ در پایان گفت: ممکن است کهکشان‌های جوان این فرآیند را آغاز کرده باشند و سپس اختروش‌ها کار را به پایان برسانند. کهکشان‌ها خوشه‌های عظیمی از حباب‌ها را در اطراف خود ایجاد می‌کنند، در حالی که اختروش‌ها خوشه‌های بزرگ و کروی شکل می‌دهند. ما برای اندازه‌گیری وسعت آن‌ها به میدان دید بزرگی مانند روم نیاز داریم، زیرا در هر صورت، آن‌ها احتمالاً تا میلیون‌ها سال نوری فاصله دارند. این عریض بوده و اغلب بزرگتر از میدان دید JWST است.