ما در پی آن هستیم که طبیعت و روند تکامل آن را از حالت پلاسما‌ی فوق‌داغ پس از مهبانگ تا کیهان ساخت‌یافته‌ی امروزی بفهمیم. یکی از لحظات کلیدی در این مسیر، زمانی بود که نخستین ستارگان — موسوم به ستارگان جمعیت سوم (Population III) — با آغاز هم‌جوشی هسته‌ای روشن شدند و محیط اطراف خود را نورانی کردند.
اما پیش از ظهور این ستارگان اولیه چه رخ داد؟ آن‌ها چگونه شکل گرفتند و چه نوع ستارگانی بودند؟
موانعی جدی در مسیر درک یا رصد کیهان اولیه وجود دارد، هرچند تلسکوپ جیمز وب (JWST) تا حد زیادی این موانع را با مشاهده نور کهکشان‌های نخستین پشت سر گذاشته است.
با این حال، رصد کهکشان‌ها یک چیز است، اما رصد فرایند شکل‌گیری تک‌ستارگان، آن هم بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش، در عمل غیرممکن است. خوشبختانه، شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای می‌توانند ما را به این هدف نزدیک کنند.
تحقیقات جدید با استفاده از کد پیشرفته‌ی شبیه‌سازی GIZMO و داده‌های پروژه IllustrisTNG، شرایط جهان در زمان تولد نخستین ستارگان را بازسازی کرده‌اند. عنوان این پژوهش چنین است:
«شکل‌گیری آشوب مافوق‌صوت در ابرهای اولیه‌ی زایش ستاره»
و در نشریه The Astrophysical Journal Letters منتشر شده است. نویسنده‌ی اول این مقاله، کِی-جونگ چِن از مؤسسه‌ی اخترشناسی و اخترفیزیک آکادمی سینیکا در تایوان است.
دورانی که پیش از شکل‌گیری اولین ستارگان جریان داشت، «عصر تاریکی» نامیده می‌شود. در این زمان، جهان آن‌قدر سرد شده بود که شفاف شود و اجازه‌ی عبور نور را بدهد، اما هنوز هیچ ستاره‌ای وجود نداشت، بنابراین هیچ منبع نوری هم نبود. عصر تاریکی حدود ۳۷۰٬۰۰۰ سال پس از مهبانگ آغاز شد و با شکل‌گیری ستارگان جمعیت سوم، چندصد میلیون سال بعد به پایان رسید.
دانشمندان هنوز پرسش‌های بی‌پاسخ زیادی درباره‌ی عصر تاریکی دارند. یکی از بزرگ‌ترین اسرار مربوط به ماده‌ی تاریک است:
هاله‌های کوچک ماده‌ی تاریک چگونه فروپاشیدند و چارچوب لازم برای شکل‌گیری نخستین ستارگان را فراهم کردند؟ درون ابرهای گاز اولیه چه شرایطی حکم‌فرما بود که منجر به تولد ستارگان شد؟ پژوهشگران برای پاسخ به این پرسش‌ها از شبیه‌سازی استفاده کرده‌اند.
در مقاله آمده است:
«ما شبیه‌سازی‌های جدیدی از شکل‌گیری و تکامل نخستین ابر زایش ستاره درون یک مینی‌هاله‌ی عظیم با جرم ۱۰.۵ میلیون برابر خورشید ارائه می‌کنیم، که با استفاده از کد GIZMO و مدل‌سازی دقیق فرایندهای خنک‌سازی و شیمی گاز اولیه انجام شده‌اند.»
در حالی که مطالعات قبلی، شکل‌گیری ستارگان اولیه را در جعبه‌های شبیه‌سازی کوچک (بین ۰.۳ تا ۲ مگاپارسک) بررسی می‌کردند، این پژوهش از داده‌های پروژه‌ی بزرگ IllustrisTNG با مقیاسی حدود ۵۰ مگاپارسک بهره برده تا شکل‌گیری ابرهای اولیه را به‌طور گسترده بررسی کند.
پروژه IllustrisTNG یکی از معتبرترین شبیه‌سازی‌های کیهان است. پژوهشگران با استفاده از روشی به نام تقسیم ذرات (particle splitting) توانستند وضوح آن را تا ۱۰⁵ برابر افزایش دهند، و حرکت گاز درون ابر را با دقتی بی‌سابقه، در مقیاسی کمتر از یک پارسک دنبال کنند.
به گفته‌ی نویسندگان:
«ما وضوح اصلی شبیه‌سازی را با ضریب ۱۰⁵ افزایش دادیم، و به دقتی رسیدیم که امکان رصد آشوب ناشی از رمبش گرانشی در مراحل آغازین ساختار کیهان را فراهم کرد.»
شبیه‌سازی با یک مینی‌هاله‌ی ماده‌ی تاریک آغاز می‌شود و نشان می‌دهد که گاز با سرعت بالا در درون چاه گرانشی آن فرو می‌ریزد و در نزدیکی نقاط همگرایی (مرتبط با ساختارهای کوچک ماده‌ی تاریک) انباشته می‌شود. در نهایت یک ابر متراکم تشکیل می‌شود که ساختارهای گازی نازکی درون خود دارد. گاز هنگام سقوط به درون، با سرعتی معادل ۵ برابر سرعت صوت حرکت می‌کند و آشوب مافوق‌صوت ایجاد می‌کند. سپس این گاز به سمت مرکز جریان می‌یابد و شروع به چرخش می‌کند.
این تلاطم پرسرعت، ابر را به چند توده‌ی متراکم گاز اولیه تقسیم می‌کند. برخلاف تصور، این آشوب روند زایش ستارگان را مختل نمی‌کند، بلکه به آن کمک می‌کند. یکی از این توده‌ها آمادگی دارد تا به ستاره‌ای با جرم ۸ برابر خورشید تبدیل شود.
اعتبار تصویر: ASIAA / منگ-یوان هو و پی-چنگ تانگ
پژوهشگران توضیح می‌دهند:
«این تکامل نشان می‌دهد که جذب گاز بسیار ناهمسانگرد و ناهماهنگ است و به ساختارهایی توده‌ای منجر می‌شود که احتمالاً تحت تأثیر نیروهای کشندی ناشی از گردهمایی هاله‌های ماده‌ی تاریک شکل گرفته‌اند.»
اعتبار تصویر: ASIAA / منگ-یوان هو و پی-چنگ تانگ
چِن، نویسنده‌ی اول، در بیانیه‌ای مطبوعاتی می‌گوید:
«این نخستین بار است که توانسته‌ایم شکل‌گیری کامل آشوب در نخستین مراحل زایش ستارگان را با دقت بالا شبیه‌سازی کنیم. این پژوهش نشان می‌دهد که حرکات خشونت‌آمیز و آشفته نه تنها حضور داشتند، بلکه نقش حیاتی در شکل‌گیری ستارگان اولیه ایفا می‌کردند.»
اعتبار تصویر: ASIAA / منگ-یوان هو و پی-چنگ تانگ
سال‌هاست که اخترشناسان درباره‌ی ستارگان جمعیت سوم کیهان می‌پرسند. برخی پژوهش‌ها می‌گویند آن‌ها به‌صورت ستارگان منفرد و پرجرم در یک فرایند آرام شکل گرفتند. اما این شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که ابرهای گازی اولیه به توده‌هایی شکسته شده بودند و ستارگان جمعیت سوم از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد، بیشتر و کم‌جرم‌تر بوده‌اند.
این نتایج می‌توانند یکی از معماهای دیرینه‌ی اخترفیزیک را توضیح دهند: اگر ستارگان اولیه به آن اندازه پرجرم بودند، باید بسیاری از آن‌ها به‌صورت ابرنواختر منفجر شده باشند و ردپایی شیمیایی از خود به‌جا گذاشته باشند — ردی که در نسل بعدی ستارگان، یعنی کهن‌ترین ستارگان قابل مشاهده، باید دیده شود. اما تا کنون هیچ مدرک قاطعی از این غنای فلزی (metallicity) دیده نشده است. اگر این شبیه‌سازی‌ها درست باشند، دلیل این موضوع آن است که ستارگان اولیه آن‌قدر که گمان می‌رفت پرجرم نبوده‌اند و انفجارهای ابرنواختری در آن دوره بسیار نادر بوده است.
پژوهشگران در پایان می‌نویسند:
«یافته‌های ما نشان می‌دهد که شکل‌گیری ساختارهای اولیه در کیهان به‌طور طبیعی می‌تواند آشوب مافوق‌صوت ایجاد کند، که این عامل نقش مهمی در شکل‌دهی به ابرهای گازی اولیه و تعیین جرم ستارگان جمعیت سوم ایفا می‌کند.»
این شبیه‌سازی‌های با وضوح بالا، دریچه‌ای تازه به جهان اولیه باز می‌کنند. اگر ستارگان جمعیت سوم آن‌گونه که قبلاً تصور می‌شد پرجرم نبوده باشند، برداشت ما از روند تحولات کیهانی نیاز به بازنگری خواهد داشت. مدل‌های نظری نشان می‌دهند که این ستارگان جرمی بین ۸۰ تا ۲۶۰ برابر خورشید داشته‌اند و با انفجار به شکل ابرنواخترهای ناپایدار زوجی (pair-instability supernovae) می‌مردند. اما این نوع انفجارها دارای اثرات شیمیایی منحصربه‌فردی هستند که تاکنون شناسایی نشده‌اند. این شبیه‌سازی‌ها پیشنهاد می‌کنند که شاید دلیل نبود این اثرها، اشتباه بودن نظریه‌های پیشین باشد و زمان آن رسیده که آن‌ها را بازنویسی کنیم.
در پایان، چن می‌گوید:
«این شبیه‌سازی گامی بزرگ در پیوند بین شکل‌گیری ساختارهای کیهانی در مقیاس بزرگ و فرایندهای میکروسکوپی تولد ستاره‌ها است. با کشف نقش آشوب، یک گام دیگر به درک چگونگی آغاز سپیده‌دم کیهانی نزدیک شده‌ایم.»
