آیا تلسکوپ فضایی جیمز وب می تواند کهکشان ها را در افق کیهان ببیند

از زمانی که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در سال ۲۰۲۲ شروع به ارسال داده ها به زمین کرد، تأثیر زیادی بر نجوم داشته است و یکی از انقلابی ترین دستاوردهای آن رصد برخی از دوردست ترین کهکشان هایی است که تاکنون دیده شده است.با این حال، از آنجایی که نور فوراً حرکت نمی کند – بلکه با سرعتی در حدود ۳۰۰ میلیون متر (۹۸۵ میلیون فوت) در ثانیه در خلاء حرکت می کند – ما آن کهکشان ها را مانند امروز نمی بینیم، بلکه میلیاردها سال پیش را می بینیم.

علاوه بر این، جهان ما ۱۳.۸ میلیارد سال تخمین زده می شود. بنابراین، باید فرض کنیم که دورترین کهکشانی که می‌توانیم امیدوار باشیم که ببینیم، بیش از ۱۳.۸ میلیارد سال نوری از ما فاصله ندارد. (یک سال نوری مسافتی است که نور در یک سال طی می کند). آن نقطه باید نوعی «افق کیهانی» باشد – که هیچ تلسکوپی نباید فراتر از آن را ببیند.و از آنجایی که هیچ چیز نمی تواند سریعتر از c یا سرعت نور در فضا حرکت کند، این بدان معناست که هیچ کهکشانی در فاصله ۱۳.۸ میلیارد سال نوری از ما وجود نخواهد داشت و دورتر شدن دائماً می تواند زمین را تحت تأثیر قرار دهد. درست؟

اشتباه. اگر جهان به همین سادگی بود.

جیک هلتون، اخترشناس دانشگاه آریزونا که همچنین بخشی از تیم JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) است، به Space.com گفت: افق کیهانی حداکثر فاصله ای است که احتمالاً می توان اطلاعات را از آن بازیابی کرد.

هلتون ادامه داد: در اینجا چند افق کیهانی مختلف وجود دارد که تعاریف متفاوتی دارند و به کمیت‌های کیهان‌شناختی مختلفی بستگی دارند. مهم‌ترین مورد در اینجا، افق کیهانی است که حداکثر فاصله‌ای است که نور می‌توانست در عصر کیهان به ما سفر کند. این لبه کیهان قابل مشاهده را مشخص می کند.

james webb1 — طیف انتقال یافته به قرمز JADES-GS-z14-0 که توسط ابزار NIRSpec JWST اندازه گیری شد (اعتبار تصویر: NASA، ESA، CSA، J. Olmsted (STScI). علم: S. Carniani (Scuola Normale Superiore)، JADES Collaboration.)

در مارس ۲۰۲۴، دانشمندان JADES فاش کردند که تلسکوپ قدرتمند JADES-GS-z14-0، دورترین و اولیه‌ترین کهکشانی را که بشر تا به حال دیده است، مشاهده کرده است. با این حال، تناقض این است که JADES-GS-z14-0 در فاصله ۳۳.۸ میلیارد سال نوری از ما قرار دارد.

چگونه می‌توانیم نور را از جسمی در آن‌قدر دور ببینیم که کیهان به اندازه کافی پیر نیست که اجازه دهیم به ما برسد؟ آیا موقعیت JADES-GS-z14-0 در فاصله ۳۳.۸ میلیارد سال نوری به این معنی نیست که ما آن را مانند ۳۳.۸ میلیارد سال پیش می بینیم، چیزی که مطمئناً تخمین سن جهان را به چالش می کشد؟

اینطور نیست. باز هم، این شواهدی است که نشان می‌دهد جهان راهی برای به دست آوردن نتایج معقول و منطقی روی سر آنها دارد.

چگونه می توان یک کهکشان دور مانند JADES-GS-z14-0 را مشاهده کرد، زیرا بیش از ۱۳.۸ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد و ظاهراً نور آن بیش از سن جهان برای رسیدن به ما زمان می برد؟ هلتون لفاظی پرسید. ‘پاسخ انبساط جهان است.’

دیدن کهکشانی قدیمی تر از خود زمان

اگر کیهان بی حرکت بنشیند، نور کهکشانی در فاصله ۳۳.۸ میلیارد سال نوری از ما، ۳۳.۸ میلیارد سال طول می کشد تا به ما برسد، و این همان خواهد بود. اما، در اوایل دهه ۱۹۰۰، ادوین هابل دریافت که به نظر می رسد کهکشان های دور در حال دور شدن از یکدیگر هستند و هر چه از هم دورتر باشند، سریعتر می روند. به عبارت دیگر، جهان ساکن نیست. در حال گسترش است.

این موضوع در سال ۱۹۹۸ پیچیده تر شد، زیرا قرن بیستم به پایان رسید، زمانی که دو تیم مجزا از ستاره شناسان مشاهده کردند که نه تنها جهان در حال انبساط است، بلکه انبساط نیز در حال شتاب گرفتن است.نیروی مسئول یک رمز و راز است، اما نام مکان یابی ‘انرژی تاریک’ به آن داده شده است.

james webb2 — نموداری که انبساط کیهان را در ابتدا به دلیل انفجار بزرگ و سپس با سرعت شتاب زمانی که انرژی تاریک فرا گرفت را نشان می دهد. (اعتبار تصویر: ناسا / تیم علمی WMAP)

دو دوره اصلی و متمایز از انبساط در طول تاریخ ۱۳.۸ میلیارد ساله جهان وجود دارد. اولین دوره یک دوره اولیه تورم سریع کیهانی است که امروزه معمولاً ‘بیگ بنگ’ نامیده می شود.

در این دوره تورمی، حجم کیهان با ضریب ۲۶^۱۰ (۱۰ به دنبال آن ۲۵ صفر) افزایش یافت. این معادل رشد ناخن شما از ۱ نانومتر در ثانیه به رشد ناگهانی ۱۰.۶ سال نوری (۶۲ تریلیون مایل) است. در این زمان، جهان تحت تسلط انرژی بود و این دوره به عنوان دوره تحت سلطه انرژی شناخته می شود.

به دنبال آن دوره ای تحت سلطه ماده ۴۷۰۰۰ سال پس از انفجار بزرگ آغاز شد. در نهایت، انبساط جهانی به کیهان اجازه داد تا به اندازه کافی سرد شود تا پروتون ها از کوارک ها و گلوئون ها تشکیل شوند و سپس پروتون ها با الکترون ها پیوند برقرار کنند تا اولین اتم های هیدروژن را تشکیل دهند که اولین ستارگان و کهکشان ها را تشکیل دادند. در این دوره، انبساط کیهان ناشی از بیگ بنگ کند شد و تقریباً متوقف شد.

دوران تحت سلطه ماده زمانی به پایان شگفت انگیزی رسید که جهان کمی کمتر از ۱۰ میلیارد سال سن داشت. در این زمان، جهان به طور ناگهانی دوباره شروع به انبساط سریع کرد. به علاوه، این گسترش سریع‌تر و سریع‌تر شد و حتی امروز نیز به شتاب ادامه می‌دهد. سومین دوره مهم جهان، عصر تحت سلطه انرژی تاریک نامیده می شود. این دورانی است که ما در حال حاضر در آن هستیم.

james webb3 — تصویری از افق کیهانی، دورترین نقطه ابن جهان که می توانیم با هر تلسکوپ ببینیم (اعتبار تصویر: پابلو کارلوس بوداسی (CC-by-SA 3.0))

به لطف این دوره های انبساط کیهان، نور JADES-GS-z14-0 در واقع فقط ۱۳.۵ میلیارد سال است که به JWST و زمین می رسد، علیرغم اینکه منبع آن اکنون بسیار دورتر از ۱۳.۵ میلیارد سال نوری است. . این بدان معناست که JWST JADES-GS-z14-0 را ۳۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ می بیند. بدون انبساط کیهان، JADES-GS-z14-0 همچنان در فاصله ۱۳.۵ میلیارد سال نوری از ما قرار داشت، اگرچه هنوز حرکات محلی کوچک تری را تجربه می کرد که می توانست آن را به هم نزدیکتر یا دورتر از کهکشان های مجاور کند. اما چنین حرکتی کهکشانی به هیچ وجه به نوع ایجاد شده توسط انبساط کیهان نخواهد بود.

به گفته هلتون، افق کیهانی یا «افق فوتون»، کره‌ای است با مرزی در حدود ۴۶.۱ میلیارد سال نوری، رقمی که توسط انبساط جهان دیکته شده است. این افق واقعی است که ما نباید قادر به «دیدن» یک کهکشان در آن سوی آن باشیم. کهکشان JADES-GS-z14-0 در واقع در این افق قرار دارد.

برای جلوگیری از سردرگمی، ستاره شناسان در واقع از دو مقیاس اندازه گیری فاصله استفاده می کنند: یک فاصله متحرک که انبساط جهان را به عنوان یک عامل حذف می کند و یک فاصله مناسب که شامل آن می شود. این بدان معناست که فاصله حرکت مشترک JADES-GS-z14-0 13.5 میلیارد سال نوری است، در حالی که فاصله مناسب آن ۳۳.۸ میلیارد سال نوری است.

با این حال، JADES-GS-z14-0 و دیگر کهکشان های دوردست و باستانی همیشه قابل مشاهده نخواهند بود.

james webb4 — نموداری که سفر نور را از یک کهکشان اولیه به JWST نشان می‌دهد (اعتبار تصویر: رابرت لی (ساخته شده با Canva))

دوران خوش شانسی برای داشتن تلسکوپ فضایی جیمز وب

این واقعیت که JWST می تواند JADES-GS-z14-0 را ببیند به این معنی است که زمانی به زمین و جهان محلی ما ‘به طور علّی متصل’ بوده است. به عبارت دیگر، این امکان وجود داشت که سیگنالی از JADES-GS-z14-0 در کهکشان راه شیری به ما برسد، بنابراین یک ‘علت’ در این کهکشان که در سپیده دم وجود داشت، می توانست ‘اثر’ در کهکشان ما داشته باشد. در این دوره مدرن از کیهان.

هلتون گفت: ‘هر کهکشانی قابل مشاهده باید در افق ذرات باشد و در مقطعی از تاریخ جهان به طور علّی با ما مرتبط بوده است.’

با این حال، این مورد دیگر نیست. کهکشان هایی مانند JADES-GS-z14-0 و دیگر کهکشان های کشف شده توسط JADES اکنون به قدری دور هستند و به لطف انرژی تاریک آنقدر سریع از ما دور می شوند که هیچ سیگنالی از آنها که امروز ارسال می شود نمی تواند به ما برسد.

دلیلش این است که افق فوتون با سرعت نور از ما دور می‌شود، اما برای اجرام واقعاً دور، فضای بین راه شیری و آن کهکشان‌ها سریع‌تر از سرعت نور در حال گسترش است. این ممکن است غیرقابل قبول به نظر برسد، زیرا نظریه نسبیت خاص آلبرت اینشتین سرعت نور را به عنوان یک محدودیت سرعت جهانی تعیین می کند. با این حال، این یک قانون برای اجسام با جرمی است که در فضا حرکت می کنند، نه یک قانون برای ساختار خود فضا.

در حدود ۲ تریلیون سال پس از مدتهاست که زمین و بشریت از بین رفته اند، انبساط کیهان به این معنی است که هر گونه هوشمندی که در کهکشان راه شیری جایگزین ما شود (اگر یکی از آنها چنین کند)، قادر به دیدن کهکشان های فراتر از گروه محلی ما نخواهد بود. – که قطری در حدود ۱۰ میلیون سال نوری دارد.

این یک فکر هشیار کننده است و به این معنی است که بشریت در نقطه ای منحصر به فرد از تاریخ جهان زندگی می کند که دورترین کهکشان ها هنوز در دید ما هستند. ما بیش از هر حیات هوشمندی که ممکن است به دنبال ما باشد، قادر به دانستن جهان و منشأ آن هستیم. ستاره شناسان، از جمله هلتون، قصد دارند از JWST برای بهره برداری کامل از این امتیاز کیهانی استفاده کنند.

هلتون گفت: کار با JWST و همکاری JADES باورنکردنی بوده است. ‘نوشتن مقالاتی در مورد علم با JWST، مانند مقاله اخیر من در JADES-GS-z14-0، ارزشمندترین و هیجان انگیزترین تجربه کار تحقیقاتی من بوده است.’

در ابتدا در Space.com ارسال شد.