به لطف رصدخانه‌هایی مانند تلسکوپ فضایی کهنه‌کار هابل (HST) و جانشین پیشرفته‌اش، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، اخترشناسان اکنون این فرصت را دارند تا کهکشان‌هایی را مطالعه کنند که تنها یک میلیارد سال پس از مهبانگ (بیگ بنگ) به وجود آمده‌اند. این دوره با عنوان «سپیده‌دم کیهانی» (Cosmic Dawn) شناخته می‌شود، زیرا در همین دوران بود که نخستین ستارگان شکل گرفتند و در کنار هم، اولین کهکشان‌های جهان را پدید آوردند. مطالعه‌ی این کهکشان‌ها، نکات شگفت‌انگیز و جالبی را فاش کرده که به اخترشناسان کمک می‌کند بفهمند ساختارهای بزرگ‌مقیاس جهان چگونه پدید آمده‌اند و از آن زمان تاکنون چگونه تکامل یافته‌اند.
برای مدت‌ها تصور می‌شد که این بازه‌ی کیهانی تنها از طریق تلسکوپ‌های فضایی قابل مشاهده است، زیرا آن‌ها از اثرات مخرب جو زمین در امان هستند. اما حالا، به لطف فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند اپتیک تطبیقی، تاج‌نگارها، تداخل‌سنجی و طیف‌سنج‌ها، تلسکوپ‌های زمینی نیز به مرزهای جدیدی در رصدهای نجومی دست یافته‌اند. اخیراً، تیمی بین‌المللی از اخترشناسان با استفاده از تلسکوپ CLASS (بررسی‌گر مقیاس زاویه‌ای بزرگ کیهانی) موفق به شناسایی نخستین اثر تابش زمینه‌ی کیهانی (CMB) در تعامل با اولین ستارگان جهان شدند؛ یافته‌ای که یکی از ناشناخته‌ترین دوره‌های کیهان را روشن‌تر می‌کند.
این پژوهش که در نشریه The Astrophysical Journal منتشر شده، به رهبری “یونیانگ لی” — کیهان‌شناس رصدی از مؤسسه کاولی برای فیزیک کیهانی (دانشگاه شیکاگو) و گروه فیزیک و نجوم دانشگاه جان هاپکینز (JHU) — انجام شده است. او به همراه همکارانش از مراکز علمی برجسته‌ای چون مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST)، آزمایشگاه آرگون، آزمایشگاه لوس‌آلاموس، مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین، مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT)، مرکز فضایی گادرد ناسا و بسیاری از دانشگاه‌های معتبر دیگر در این پروژه همکاری داشته است.
منبع: ESA / کنسرسیوم‌های LFI و HFI.
مطالعه‌ی دوره‌ی سپیده‌دم کیهانی همواره چالش‌برانگیز بوده است — چه از زمین و چه از فضا. در این دوره، جهان در مهی از هیدروژن خنثی پوشیده بود و تنها فوتون‌های قابل مشاهده، یا از تابش باقی‌مانده از بیگ بنگ (CMB) می‌آمدند، یا از برهم‌کنش‌های یونیزه‌شدن اتم‌های هیدروژن. این یونیزه‌شدن توسط نخستین ستاره‌هایی که در سپیده‌دم کیهانی شکل گرفتند ایجاد شد. این ستارگان مقدار عظیمی از انرژی فرابنفش آزاد کردند که باعث یونیزه شدن ابرهای هیدروژن و آزاد شدن الکترون‌هایی شد که با ذرات دیگر برخورد می‌کردند. این اتفاق، عصر تاریک کیهانی را پایان داد و جهان را برای ابزارهای امروزی «شفاف» کرد.
با اینکه امواج میکروموج کیهانی دارای طول‌موج‌هایی در حد میلی‌متر هستند و بسیار ضعیف‌اند، نور میکروموج قطبیده — که هنگام پراکندگی نور از اجسام دیگر به وجود می‌آید — یک میلیون برابر ضعیف‌تر است. از سوی دیگر، نویز ناشی از جو زمین و سیگنال‌های رادیویی مانند ماهواره‌ها، رادارها و امواج میکروویو، شناسایی این سیگنال‌های ظریف را بسیار دشوار می‌کند. به همین دلیل، فقط تلسکوپ‌های فضایی مانند WMAP ناسا و مأموریت پلانک ESA قادر به شناسایی این نور بوده‌اند.
در همین راستا، بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) تلسکوپ CLASS را در پارک نجومی آتاکاما در شمال شیلی راه‌اندازی کرد. این تلسکوپ برای شناسایی امضای نخستین ستارگان در تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی طراحی شده است. پروفسور توبیاس مریج، رهبر پروژه CLASS از دانشگاه جان هاپکینز می‌گوید:
«همه فکر می‌کردند چنین کاری از زمین ممکن نیست. اخترشناسی حوزه‌ای است که مرز آن را فناوری تعیین می‌کند، و سیگنال‌های میکروویو از سپیده‌دم کیهانی بسیار دشوار برای اندازه‌گیری هستند. غلبه بر این موانع، این اندازه‌گیری را به موفقیتی بزرگ تبدیل می‌کند.»
در این پژوهش، تیم تحقیقاتی احتمال برخورد یک فوتون از زمان بیگ بنگ با الکترون‌های آزادشده را بررسی کردند. آن‌ها با مقایسه داده‌های CLASS با داده‌های مأموریت‌های پلانک و WMAP موفق شدند تداخلات را حذف کرده و سیگنال واقعی نور قطبیده‌ی میکروموج را شناسایی کنند. یونیانگ لی توضیح می‌دهد:
«مثل زمانی که نور به کاپوت ماشین برخورد می‌کند و بازتاب شدیدی می‌بینید، این نور قطبیده است. برای دیدن بهتر، می‌توان عینک قطبیده زد تا بازتاب حذف شود. ما هم با همین روش، بازتاب کیهانی ناشی از نور سپیده‌دم را فیلتر کردیم.»
منبع: دانشگاه جانز هاپکینز.
این تحقیق، بر پایه‌ی پژوهشی در سال گذشته استوار است که در آن، تیم CLASS موفق به نقشه‌برداری از ۷۵٪ آسمان شب شد. یافته‌های جدید، اعتبار روش آن‌ها را تقویت کرده و دقت اندازه‌گیری قطبش CMB را افزایش داده که به درک بهتر از جهان اولیه منجر شده است. چارلز بنت، استاد ممتاز بلومبرگ در JHU و رهبر مأموریت WMAP، می‌گوید:
«اندازه‌گیری دقیق‌تر این سیگنال‌های یونیزاسیون، یکی از مرزهای پژوهش در زمینه‌ی تابش زمینه‌ی کیهانی است. برای ما، جهان مانند یک آزمایشگاه فیزیکی است. اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر به ما کمک می‌کند تا شناخت بهتری از ماده تاریک و نوترینوها داشته باشیم — ذراتی فراوان اما گریزان که سراسر جهان را پر کرده‌اند. امیدواریم با تحلیل بیشتر داده‌های CLASS، به بالاترین دقت ممکن برسیم.»
