سیگنال کیهانی ۲۱ سانتیمتری که از هیدروژن خنثی در فضاهای میانستارهای، تنها ۱۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ (Big Bang) گسیل شده، ممکن است ویژگیهای ستارگان اولیه را در خود ثبت کرده باشد.
اگرچه هنوز به آن نقطه نرسیدهایم، اما نسل جدید تلسکوپهای رادیویی به اخترشناسان این امکان را میدهند تا جرم این ستارگان آغازین را آشکار کنند؛ سرنخی حیاتی برای درک روند تکامل کیهان، بهویژه در دورههای نخستین و تاریک آن.
آناستازیا فیالکوف، اخترشناس دانشگاه کمبریج و مؤسسه کیهانشناسی کاولی در بریتانیا، میگوید:
«این فرصتی منحصربهفرد برای آموختن این است که چگونه نخستین نورهای جهان از دل تاریکی سر برآوردند. گذار از کیهانی سرد و تاریک به جهانی پر از ستاره، داستانی است که ما تازه در آغاز فهمیدن آن هستیم.»
در آغاز، جهان در تاریکی فرو رفته بود. کیهان کوچک اما با سرعتی باورنکردنی در حال انبساط، آکنده از مه داغ و چگالی از پلاسما بود که از هستههای اتمی و الکترونهای آزاد تشکیل شده بود.
با سرد شدن این ذرات، آنها ترکیب شدند و هیدروژن خنثی و مقدار اندکی هلیوم ساختند. اما هنوز ستارهای وجود نداشت، پس جهان برای مدتی تاریک باقی ماند.
از همین گاز خنثی بود که تصور میشود نخستین ستارگان شکل گرفتند. اما با وجود تلاشهای فراوان، ما هنوز موفق به شناسایی هیچ ستارهای از نسل نخست نشدهایم.
برخی اخترشناسان معتقدند دلیل این امر آن است که نخستین ستارگان بسیار عظیم بودهاند؛ هزاران برابر خورشید، با طول عمرهایی بهغایت کوتاه. چنین ستارگانی بهسرعت میمردند و ناپدید میشدند، پیش از آنکه فرصت کشفشان فراهم شود.
با این حال، آنها ممکن است ردپایی دیگر از خود در کیهان باقی گذاشته باشند. یکی از این نشانهها میتواند سیگنال بسیار ضعیف ۲۱ سانتیمتری باشد: پرتوی رادیویی کمرنگی که از هیدروژن خنثی میانستارهای در ابتدای کیهان، زمانیکه الکترونهای آن چرخش خود را معکوس کردند، تابیده است.
تلسکوپهای رادیویی همچون آرایهی کیلومتر مربعی (SKA) که در استرالیا و آفریقای جنوبی در حال ساخت است، و آزمایش REACH در آفریقای جنوبی، به اندازهای قدرتمند خواهند بود که بتوانند این سیگنال ضعیف را آشکار کنند.
پژوهشهای اخیر نیز به این تجهیزات نشان میدهد دقیقاً باید به دنبال چه نشانههایی برای یافتن ستارگان اولیه بگردند.
در این مطالعه، به رهبری توماس جسی-جونز از دانشگاه کمبریج، پژوهشگران مدلسازی سیگنال ۲۱ سانتیمتری را انجام دادند و دریافتند که نخستین ستارگان تأثیر قابل شناسایی و قابل اندازهگیری بر آن گذاشتهاند.
نهتنها این، بلکه پژوهش نشان داده که این تأثیر چگونه ظاهر میشود—تا زمانیکه دادههای رصدی ثبت شوند، دانشمندان بتوانند آن را تشخیص دهند.
فیالکوف میگوید:
«ما نخستین گروهی هستیم که بهطور سازگار اثر جرم ستارگان اولیه بر سیگنال ۲۱ سانتیمتری را مدلسازی کردیم؛ از جمله تأثیر نور فرابنفش ستارهها و پرتوهای X حاصل از سیستمهای دوتایی X-ray که پس از مرگ این ستارگان شکل میگیرند.»
«این نتایج از شبیهسازیهایی به دست آمده که شرایط اولیه کیهان، مانند ترکیب هیدروژن-هلیوم ناشی از مهبانگ را در نظر گرفتهاند.»
زمانیکه ستارگان پرجرم میمیرند، هستههایشان در اثر گرانش فرومیریزند و به چگالترین اجرام عالم تبدیل میشوند: ستارگان نوترونی و سیاهچالهها. این اجرام شدیداً پرتوزا، تابشهای X قدرتمندی تولید میکنند که میتواند محیط اطراف را دگرگون کند.
پژوهشگران میگویند که مطالعات پیشین، تأثیر این تابش X را بر سیگنال ۲۱ سانتیمتری لحاظ نکرده بودند.
اگرچه مدلهای فعلی ممکن است دقیقاً با مشاهدات آینده منطبق نباشند، اما این پژوهش، اخترشناسان را یک گام به کشف آن نزدیکتر میکند.
الوی د لرا آسدو، اخترشناس دانشگاه کمبریج، میگوید:
«پیشبینیهایی که ما ارائه کردهایم، تأثیر زیادی بر درک ما از ماهیت نخستین ستارگان عالم خواهد داشت. ما شواهدی داریم که نشان میدهد تلسکوپهای رادیویی ما قادر خواهند بود اطلاعاتی درباره جرم این ستارگان اولیه به ما بدهند و اینکه نورهای آغازین عالم احتمالاً بسیار متفاوت از ستارگان امروزی بودهاند.»
نتایج این پژوهش در نشریه Nature Astronomy منتشر شده است.
