ابزاری که پرده از یکی از اسرارآمیزترین دورههای تاریخ کیهان برمیدارند — دورهای که با نام «عصر تاریک کیهانی» یا «دوره یونش مجدد» شناخته میشود.
به لطف مجموعهی پیچیده و قدرتمند از سامانههای نوری و طیفسنجهای فروسرخ، تلسکوپ جیمز وب توانسته است کهکشانهایی را مشاهده کند که از نخستین ساختههای جهان هستند. این مشاهدات، بینش تازهای دربارهی تاریخ شکلگیری و تکامل کیهان در اختیار ما قرار دادهاند.
اما با وجود این دستاوردهای چشمگیر، هنوز پرسشهای فراوانی بیپاسخ ماندهاند — از جمله در مورد نخستین ستارگان جهان که به آنها جمعیت سوم یا Population III گفته میشود.
آیا نخستین ستارگان تنها بودند یا در جفت متولد شدند؟
یکی از پرسشهای اساسی اخترشناسان این است که آیا این ستارگان اولیه بهصورت تکستارهای تشکیل شدهاند یا مانند بیشتر ستارگان امروزی، در قالب ستارههای دوتایی (Binary Systems) به دنیا آمدهاند؟
بر اساس پژوهش تازهای که توسط گروهی از پژوهشگران دانشگاه تلآویو انجام شده است، شواهد نشان میدهد که نخستین ستارگان در کیهان، بهصورت دوتایی متولد شدهاند.
این یافتهها نهتنها درک ما از تاریخ اولیهی کیهان را تغییر میدهد، بلکه تأثیر بزرگی بر مدلهای کیهانشناسی کنونی دارد؛ چراکه این ستارگان، نقش حیاتی در تکامل بعدی جهان ایفا کردهاند — از شکلدهی به نخستین ابرنواخترها (Supernovae) گرفته تا غنیسازی کهکشانها با عناصر سنگین و فراهم کردن شرایط برای تولد سیاهچالههای کلانجرم اولیه (SMBHs).
پژوهشی بینالمللی برای یافتن منشأ دوتایی بودن ستارگان اولیه
این مطالعه به سرپرستی دکتر تومر شنار (Tomer Shenar) از دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه تلآویو،
دکتر هوگ سانا (Hugues Sana) از دانشگاه KU Leuven بلژیک، و
دکتر جولیا بودناشتاینر (Julia Bodensteiner) از دانشگاه آمستردام انجام شده است.
این تحقیق بخشی از طرحی بینالمللی با نام BLOeM (اختصار Binarity at Low Metallicity) است که با همکاری اخترشناسانی از ایالات متحده، بریتانیا، اتحادیه اروپا، ژاپن، کانادا، اسرائیل، یونان، رصدخانه جنوبی اروپا (ESO) و مؤسسه علمی تلسکوپ فضایی (STScI) اجرا میشود.
نتایج این تحقیق در مجله معتبر Nature Astronomy منتشر شده است.
جمعیت سوم ستارگان: غولهای نخستین کیهان
اعتبار تصویر: Merrill Sherman / Quanta Magazine.
هرچند هیچگاه ستارگان جمعیت سوم مستقیماً مشاهده نشدهاند، مدلهای نظری ستارهشناسی نشان میدهند که این ستارگان بسیار پرجرم بودهاند — گاهی تا ۱۰۰۰ برابر جرم خورشید ما.
این ستارگان به شدت درخشان، داغ و کوتاهعمر بودند؛ طول عمر آنها تنها ۱۰۰ تا ۲۰۰ میلیون سال تخمین زده میشود.
از آنجا که در آن دوران عناصر سنگینتر هنوز به وجود نیامده بودند، این ستارگان عمدتاً از هیدروژن و هلیوم خالص تشکیل شده بودند.
در طول زمان، درون این ستارگان از طریق همجوشی هستهای، عناصر سنگینتری مانند کربن، اکسیژن، سیلیسیم و آهن شکل گرفت.
در پایان عمر، این ستارگان در انفجارهای ابرنواختری فروپاشیدند و عناصر سنگین خود را به فضای میانستارهای پراکندند.
بدین ترتیب، جهان با مواد اولیهی مورد نیاز برای تشکیل سیارات، مولکولهای آلی پیچیده (COMs) و در نهایت زندگی غنی شد.
آیا این ستارگان به صورت جفت متولد شدهاند؟
مسئلهی اینکه آیا این ستارگان اولیه به صورت جفت متولد شدهاند یا نه، سالهاست که مورد بحث است.
زیرا بر اساس برآوردها، حدود ۸۵ درصد از ستارگان امروزی در سامانههای چندستارهای یا دوتایی قرار دارند.
در سامانههای دوتایی، دو ستاره معمولاً در مدارهای بسیار نزدیک میچرخند و حتی ممکن است جرم خود را با یکدیگر تبادل کنند یا ادغام شوند و اجسامی فشردهتر مانند ستاره نوترونی یا سیاهچاله بسازند.
چنین تعاملهایی نه تنها تکامل ستارگان را تحت تأثیر قرار میدهد، بلکه در مقیاس بزرگتر، تکامل کهکشانها را نیز تغییر میدهد.
تلسکوپ جیمز وب در نخستین چرخه مشاهداتی خود، بسیاری از کهکشانهای اولیه را شناسایی کرده است که پر از ستارگان پرجرم بودهاند.
اما به دلیل فاصلهی بسیار زیاد، بررسی مستقیم ساختار سامانههای ستارهای در آن دوران ممکن نبود.
پروژه BLOeM و رصدخانهی بزرگ شیلی
برای حل این مشکل، تیم شنار پروژه BLOeM را راهاندازی کردند — یک کارزار دوسالهی مشاهدهای با استفاده از رصدخانهی بسیار بزرگ (VLT) در شیلی.
هدف این پروژه، بهدستآوردن طیف حدود ۱۰۰۰ ستاره در ابر کوچک ماژلانی (SMC) بود.
این کهکشان اقماری، مانند همتای خود ابر بزرگ ماژلانی (LMC)، محیطی با فلزینگی پایین دارد که ترکیب آن مشابه شرایط کیهان اولیه است.
به گفته دکتر شنار:
«تحلیل طیفی دادهها به ما امکان میدهد حرکات تناوبی ستارگان را اندازهگیری کنیم و از این طریق، وجود همراهان ستارهای را شناسایی نماییم. در بررسی دقیق ۱۵۰ ستارهی پرجرم، دریافتیم که دستکم ۷۰ درصد از آنها در سامانههای دوتایی نزدیک قرار دارند. این نخستین شواهد مستقیم و قانعکننده است که نشان میدهد حتی در شرایطی مشابه کیهان اولیه، ستارگان پرجرم بهطور معمول بهصورت جفتی وجود داشتهاند — شاید حتی بیش از میزان امروزی.»
اهمیت نتایج و تأثیر بر مدلهای کیهانشناسی
این نتایج به یکی از پرسشهای کلیدی اخترفیزیک پاسخ میدهد و تصویری تازه از شکلگیری نخستین نسلهای ستارگان و کهکشانها ارائه میدهد.
در واقع، این پژوهش نشان میدهد که تعاملهای دوستارهای در همان مراحل اولیهی تاریخ کیهان، نقشی کلیدی در شکلگیری ساختارهای بزرگ کیهانی، تولید عناصر سنگین و پیدایش نخستین سیاهچالههای عظیم ایفا کردهاند.
به بیان دیگر، کیهان از همان آغاز، یک جهان تکستارهای نبود؛ بلکه سرشار از پیوندها، ادغامها و تعاملهای ستارهای بوده است.
این کشف، دیدگاه ما را دربارهی «تنهایی» یا «همزیستی» در کیهان نخستین تغییر میدهد.
دکتر شنار و همکارانش در پایان میگویند که با گسترش ابزارهایی مانند تلسکوپ جیمز وب، میتوان در آیندهی نزدیک این فرضیه را با مشاهدات دقیقتر آزمود.
آنها معتقدند که درک دوتایی بودن ستارگان اولیه، کلید فهم بسیاری از پدیدههای کیهانی مانند تشکیل عناصر سنگین، رشد سیاهچالهها و حتی منشأ حیات است.
بهطور خلاصه، این پژوهش نه تنها به یکی از اسرار دیرینهی اخترفیزیک پاسخ داده است، بلکه تصویری زنده و پویا از کیهان اولیه ترسیم میکند — جهانی که در آن، نخستین ستارگان در تنهایی متولد نشدند، بلکه همراه داشتند؛ جفتهایی که با هم، آغاز روشنایی کیهان را رقم زدند.