طبق نظریهی «هستهزایی مهبانگ» (Big Bang nucleosynthesis)، در آغاز تنها سبکترین عناصر ایجاد شدند: هیدروژن، هلیوم، و مقدار اندکی لیتیوم. برای شکلگیری عناصر سنگینتر — که اخترفیزیکدانان آنها را «فلزات» مینامند — نسلهایی از ستارگان باید بهوجود میآمدند و میمردند.
نخستین نسل از این ستارگان، «ستارگان جمعیت سوم» یا Population III نامیده میشوند؛ ستارگانی که فلز نداشتند یا فلز آنها بسیار ناچیز بود. این ستارگان نخستین فلزات جهان را از طریق فرایند هستهزایی درون ستارهای تولید کردند. از آنجا که ستارهها بهصورت منفرد شکل نمیگیرند و همواره در قالب کهکشانها پدید میآیند، بنابراین باید کهکشانهایی از نوع جمعیت سوم نیز وجود داشته باشند که جمعیت ستارهای آنها فاقد فلزات باشد.
اما شناخت ما از جهان هنوز ناقص است و برخی شواهد کلیدی همچنان مفقود ماندهاند — شواهدی که در صورت یافتن، میتوانند مسیر درک ما از طبیعت را تأیید کنند. یکی از این حلقههای مفقوده، کهکشانهای جمعیت سوم هستند. انتظار میرود کهکشانهایی در اوایل تاریخ کیهان و در اعماق سرخگرایی (redshift) بالا وجود داشته باشند که هیچ فلزی نداشته باشند، و کشف آنها گواهی نیرومند بر صحت مدل کیهانشناسی ما خواهد بود.
تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) همه را شگفتزده کرد؛ این تلسکوپ توانست کهکشانهای بزرگ و کاملشکلیافتهای را بسیار زودتر از آنچه پیشتر تصور میکردیم، در کیهان آغازین بیابد. این کشف دیدگاه دانشمندان را دربارهی نحوهی تکامل کیهان دگرگون کرد. پیش از JWST، تصور بر این بود که کهکشانهایی چنین بزرگ و بالغ نمیتوانند در اوایل تاریخ کیهان شکل گرفته باشند. اما کشف آنها موجی از کنجکاوی را در جامعه علمی ایجاد کرد.
با این حال، علیرغم کشف این کهکشانهای عظیم در سنین بسیار پایین کیهان، JWST تاکنون موفق به یافتن کهکشانی با فلز صفر (zero-metallicity) نشده است. این تلسکوپ قدرتمند کهکشانهایی را کشف کرده که تنها چند صد میلیون سال پس از مهبانگ تشکیل شدهاند، اما هنوز هیچ نشانهی قطعی از کهکشانهای فاقد فلز گزارش نکرده است.
در رصدهای کیهانی، اکسیژن میتواند نقش کلیدی ایفا کند. طبق مدل کیهانشناسی مهبانگ، باید کهکشانهایی در آغاز کیهان وجود داشته باشند که سنگینتر از هیدروژن و هلیوم — از جمله اکسیژن — نباشند. یکی از خطوط طیفی مهم برای بررسی این موضوع، خط نشری OIII است که میتواند نشانهی فعالیت ستارهزایی باشد و بهویژه در بررسی کهکشانهای دوردست و پرسرخگرایی مفید است. در کهکشانهای بسیار ابتدایی، وجود گسیل قوی OIII نشانهای از فلزات اندک است. اگر کهکشانی گسیل OIII نداشته باشد، یعنی در شرایطی بسیار متفاوت از کهکشانهای کنونی شکل گرفته است. تاکنون نمونهی قانعکنندهای از این نوع مشاهده نشده بود.
اما این وضعیت شاید تغییر کرده باشد. در پژوهشی تازه که برای انتشار در نشریه Nature ارسال شده، گروهی از دانشمندان از کشف کهکشانی خبر دادهاند که ممکن است بکر و دستنخورده باشد. این پژوهش با عنوان «شکلگیری ستارگان عظیم در آغاز سپیدهدم کیهانی» و به سرپرستی تاکاهیرو موریشیتا، پژوهشگر مرکز پردازش و تحلیل فروسرخ (IPAC) در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) انجام شده است.
اعتبار تصویر: ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA)، آژانس فضایی کانادا (CSA)، کریستن مککوئین (مؤسسه تلسکوپ فضایی – STScI)
در تصویربالا، نمای موزاییکی از میدان Abell 2744 دیده میشود. موقعیت مشاهدهشدهی سامانه AMORE6-A+B با مربع زرد مشخص شده است.
موریشیتا و همکارانش مینویسند:
«وجود کهکشانهایی بدون عناصری مانند اکسیژن — که پس از مهبانگ توسط ستارگان شکل گرفتهاند — یکی از پیشبینیهای کلیدی مدل کیهانشناسی است. با این حال، تاکنون هیچ کهکشان جمعیت سوم کاملاً بکر و بدون فلز شناسایی نشده بود.»
موریشیتا و تیمش کهکشانی کشف کردهاند که با این مشخصات مطابقت دارد. آنها این کهکشان را در سرخگرایی z = 5.725 شناسایی کردهاند، به این معنا که نوری که ما امروز میبینیم، زمانی ساطع شده که کیهان تنها حدود ۹۰۰ میلیون تا یک میلیارد سال عمر داشته است. این کهکشان که AMORE6 نام دارد، از طریق پدیده همگرایی گرانشی (Gravitational Lensing) کشف شده که تصویر آن را بزرگنمایی و چند برابر کرده و مشاهدهاش را آسانتر کرده است.
تلسکوپ JWST در این کهکشان تابش Hβ را شناسایی کرده که در اخترشناسی برای اندازهگیری ویژگیهای مختلف کهکشانها مهم است، اما هیچ نشانی از اکسیژن پیدا نکرده است. این بدان معناست که فلزدهی این کهکشان بسیار پایین است.
نویسندگان مینویسند:
«نبود خط OIII بلافاصله نشان میدهد که محیط میانستارهای AMORE6 بسیار کمفلز و تقریباً بکر است.»
این کهکشان همچنین دارای جرم ستارهای پایین و ساختار بسیار فشرده است.
«این ویژگیها با شکلگیری ستارگان عظیم در محیطی بکر یا نزدیک به بکر سازگار هستند.»
نکتهی جالب اینکه این کهکشان، به اندازهی برخی کهکشانهای بزرگ و کامل که قبلاً توسط JWST شناسایی شدهاند، قدیمی نیست. عجیب است که چنین نمونهی قویای از محیط کمفلز و بکر تقریباً یک میلیارد سال پس از مهبانگ یافت شده است.
برای تأیید این یافته و درک بهتر آن، پژوهشهای بیشتری لازم است. اما این کشف نشان میدهد که احتمالاً مسیر درستی را در درک طبیعت طی میکنیم.
«یافتن چنین نمونهای در زمانی نسبتاً دیر از تاریخ کیهان، شگفتانگیز است.» پژوهشگران در پایان مینویسند:
«با این حال، مستقل از زمان کیهانی، شناسایی یک جرم احتمالاً بکر، تأییدی کلیدی بر مدل مهبانگ محسوب میشود.»
