جیمز وب به‌عنوان قدرتمندترین تلسکوپ جهان، درحال بازنویسی داستان فضا-زمان است

تلسکوپ فضایی جیمز وب که حالا قدرتمندترین تلسکوپ جهان محسوب می‌شود، با پرده‌برداشتن از حضور کهکشان‌های اولیه، دانشمندان را شگفت‌زده کرده است. دانشمندان دریافته‌اند که این کهکشان‌ها درخشان‌‌تر هستند و تعدادشان بیشتر از حد انتظار است.

زمانی که عالم جوان بود (بیش از ۱۳.۵ میلیارد سال پیش) هیچ ستاره‌ای هنوز وجود نداشت. اخترشناسان از این دوران با عنوان «دوره تاریک» یاد می‌کنند. در این دوره، عالم با گاز هیدروژن و هلیوم پر شده بود؛ دو عنصری که حالا ماده اولیه هر ساختاری در عالم هستند.

یک ماده مرموز به نام «ماده تاریک» نیز وجود داشت که سبب می‌شد گازها متراکم شده و یک شبکه پیچیده را تشکیل دهند. درحقیقت این ماده نقش گرانشی دارد. با انبساط و سرد‌شدن عالم، مقداری ماده تاریک در ساختارهای عظیم ایفای نقش کرد و سبب فشرده‌شدن هرچه بیشتر در مرکز این ساختارها شد. افزایش فشار گرانشی درون این هاله‌ها، اتم‌های هیدروژن را وادار کرد تا به هلیوم تبدیل شوند و اولین ستاره‌های عالم از دل آن‌ها پدید آمدند.

گرداب ستارگان تازه متولدشده به‌صورت مارپیچی به‌سمت مرکز هاله‌‌ها حرکت کردند تا اولین کهکشان‌ها را در عالم تشکیل دهند.

دانشمندان چندین دهه است که داستان شکل‌گیری کیهان را تکمیل می‌کنند. اما در سال گذشته، تلسکوپ فضایی جیمز وب با کسب اطلاعات ارزشمند موفق شد تا جزیٔیات شگفت‌انگیزی را به این داستان اضافه کرده و فصل اول آن را بازنویسی کند. کهکشان‌های اولیه که توسط این تلسکوپ مشاهده شده‌اند، درخشان‌تر و فعال‌تر از چیزی هستند که تاکنون پیش‌بینی می‌شد. اثراتی که این کهکشان‌ها بر فضا-زمان می‌گذارند، قابل بررسی است.

بااین‌حال، جیمز وب نمی‌تواند ستاره‌های اولیه را رصد کند، زیرا آن‌ها به‌اندازه کافی درخشان نبوده‌اند تا به‌صورت جداگانه و مستقل در آسمان تشخیص داده شوند. ستاره‌های پرجرم اولیه پیش از آنکه به پایان عمر خود نزدیک شده و تبدیل به ابرنواختر شوند، چندین میلیون سال پیش از شکل‌گیری حیات، شکل گرفتند و رشد کردند.

پس از آنکه این ستاره‌های عظیم به پایان عمر خود رسیدند، با انفجار خود عالم را دچار تحول کردند. این ستاره‌ها گاهی تا صدها برابر خورشید جرم دارند و سبب تولید عناصر جدید می‌شوند – به عنوان مثال، اکسیژن که برای ساختن آب نیاز است و یا سیلیکون که یکی از عناصر تشکیل‌دهنده سیارات است.

این ستاره‌های اولیه همچنین با تجزیه اتم‌های گاز هیدروژن، سبب پراکندگی نور شده و اجازه دادند تا همه‌چیز شفاف شود و از دوره تاریک گذر کنیم. از این دوره با نام «دوره یونیزاسیون» یاد می‌شود.

«تام آبل» کیهانشناسی است که تولد اولین ستاره‌ها را در دهه ۱۹۹۰ شبیه‌سازی کرد. در آن زمان هیچ‌کس نمیدانست اولین اجرام نجومی چه بودند، سیاهچاله دقیقاً چیست و هزاران سؤال بی‌پاسخ دیگر.

او و همکارانش به کمک شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نشان دادند که ستاره‌ها اولین اجرام شکل‌گرفته هستند و سپس از تجمع آن‌ها، کهکشان‌ها و دیگر ساختارها پدید آمدند.

حالا تلسکوپ جیمز وب اینجاست تا دانش ما را کامل کند.

این تلسکوپ فضایی که در صبح کریسمس سال ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شد، اکنون در فاصله حدود یک میلیون مایلی از زمین قرار دارد. آینه‌های این تلسکوپ قادر هستند نور کهکشان‌های اولیه را که برای بیش از ۱۳ میلیارد سال در حرکت بوده‌اند، جمع‌آوری کنند.

جالب است بدانید اخترشناسان در ابتدا تنها انتظار داشتند که چند کهکشان اولیه را رصد کنند اما جیمز وب تعداد بیشتری را رصد کرد و اطلاعات جمع‌آوری‌شده سبب شگفتی همه شد.

عمیق‌ترین بررسی که تاکنون روی کهکشان‌ها انجام شده است، در سپتامبر ۲۰۲۲ آغاز شد. در این پروژه که «Advanced Deep Extragalactic Survey» نام دارد، تلسکوپ فضایی جیمز وب شکل گرفت و این تلسکوپ شروع به استفاده از ابزار خود برای رصد بخش‌هایی از آسمان کرد. این برنامه تنها ده‌ها ساعت زمان برد، درحالی‌که اگر با تلسکوپ دیگری مانند هابل انجام می‌شد، ماه‌ها زمان می‌برد. دو هفته پس از شروع مشاهدات، محققان دانشگاه «توسان» در دانشگاه آریزونا جمع شدند تا نتایج به‌دست‌آمده را تحلیل کنند.

دانشمندان متعدد و دانشجویان درگیر تفسیر نتایج بودند. صد تصویر توسط این تلسکوپ گرفته شده بود که خبر از وجود چندین هزار کهکشان و اجرام آسمانی دیگر می‌داد. دانشمندان مناطق ستاره‌زای فعال، مراکز درخشان کهکشانی که ممکن است سیاه‌چاله‌ها باشند و اجرام شگفت‌انگیز دیگری را به یکدیگر نشان می‌دادند.

برخلاف تلسکوپ فضایی هابل، این‌بار جیمز وب در طول‌موج مادون قرمز به رصد کیهان می‌پرداخت. جالب است بدانید کهکشان‌هایی که جیمز وب رصد می‌کرد، احتمالاً پرتوهای خود را در طول‌موج فرابنفش ساطع کرده بودند اما این پرتوها به‌علت انتقال به سرخ گرانشی به طول‌موج‌های قرمز کشیده شده‌اند. هرچه میزان انتقال به سرخ بیشتر باشد، یعنی این کهکشان پیرتر و دورتر است.

نور به‌عنوان سرنخ در رصدهای جیمز وب

دانشمندان از تلسکوپ فضایی جیمز وب برای کاوش اولین اجرام کیهان استفاده می‌کنند. دانشمندان با کمک داده‌های به‌دست‌آمده، قادر هستند این اجرام را شناسایی کرده و ویژگی‌های آن‌ها را تحلیل کنند. اعضای مختلف تیم بسیار هیجان‌زده بودند و دوربین «NIRCam» یا همان دوربین مادون قرمز نزدیک را تمجید می‌کردند.

اما همه‌چیز در تلسکوپ به‌خوبی کار نمی‌کرد. طیف‌نگار مادون قرمز نزدیک این تلسکوپ که «NIRSpec» نام دارد، در برخی از مشاهدات، اتصالات الکتریکی را تجربه می‌کرد که سبب ایجاد لکه‌هایی از نور و تصویربرداری نادرست از اجرام می‌شد.

این ابزار درحقیقت نور را تجزیه می‌کند و به دانشمندان اجازه می‌دهد تا ترکیب شیمیایی یک کهکشان را مطالعه کنند. درحالی‌که می‌توان از تصاویر NIRCam برای تخمین فاصله کهکشان استفاده کرد، از NIRSpec برای تأیید آن‌ها استفاده می‌شود.

اتصالات الکتریکی برخی از مشاهدات تیم را به تعویق انداخت. اخترشناسان برنامه‌ریزی کرده بودند که از NIRSpec برای بررسی اجرامی که هابل پیش از این رصد کرده بود، استفاده کنند اما پس از این رخداد مجبور شدند کمی عقب‌نشینی کنند؛ اما جای نگرانی نبود. درنهایت آن‌ها اهداف خود را به‌گونه‌ای تغییر دادند که با تلسکوپ جیمز وب اجرامی را برای اولین‌بار رصد کنند.

یکی از دورترین اجرامی که تابه‌حال این تلسکوپ رصد کرده است، «JADES-GS-z13-0» نام دارد که تنها ۳۲۵ میلیون سال پس از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) شکل گرفته است. درحقیقت این کهکشان را می‌توان دورترین کهکشانی دانست که بشر تاکنون موفق به رصد آن شده است.

دانشمندان باور دارند دو نکته در مورد این کهکشان‌های اولیه وجود دارد: تعداد آن‌ها بیش از حد انتظار است و به‌طرز شگفت‌انگیزی نسبت به سن خود درخشان هستند. این ویژگی‌ها می‌تواند به این دلیل باشد که اولین ستاره‌ها بزرگ‌تر یا درخشان‌تر از ستاره‌هایی بودند که در زمان‌های بعدی شکل گرفتند.

یکی دیگر از کهکشان‌های اولیه رصد‌شده «GN-z11» نام دارد که حدود ۴۴۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ شکل گرفته است. این کهکشان آنقدر درخشان است که هابل نیز موفق شد آن را در سال ۲۰۱۶ مشاهده کند. اکنون وب این جرم را نیز مشاهده و طیف آن را با NIRSpec ثبت کرده است.

همان‌طور که می‌دانید، عناصر شیمیایی خطوط نشری را در طیف کهکشان ایجاد می‌کنند که همانند اثرانگشت قابل شناسایی هستند. طیف کهکشان GN-z11 نیز نشان داد که این کهکشان دارای مقدار زیادی نیتروژن است. اما نکته اینجاست که دانشمندان با توجه به سن این کهکشان، قادر نیستند منبع مقدار بسیار زیاد نیتروژن در آن را توضیح دهند. شاید این کهکشان شامل تعداد زیادی ستاره از نوع «Wolf-Rayet» است که نیتروژن را به‌صورت بادهای دوره‌ای به بیرون پرتاب می‌کنند. شاید چندین ستاره بزرگ درون این کهکشان باهم برخورد کرده‌اند و مواد موجود در هسته آن‌ها درون این کهکشان پراکنده شده است. کسی هنوز نمی‌داند!

این کهکشان همچنین شاید دربردارنده یک سیاهچاله پرجرم در مرکز خود است. دانشمندان برای رد یا اثبات این نظر، خطوط طیفی را مطالعه کرده‌اند. این خطوط نشان می‌دهد که مواد به‌سرعت در یک منطقه متراکم درحال حرکت هستند و سرعتی حدود یک میلیون مایل بر ساعت دارند. از آنجا که این سرعت مختص سرعت چرخش آن‌ها به دور یک ناحیه است، دانشمندان حدس می‌زنند که در این ناحیه یک سیاهچاله وجود دارد.

این‌ها تنها چند مثال از میان تمام کهکشان‌های شگفت‌انگیزی بود که تلسکوپ قدرتمند جیمز وب تاکنون رصد کرده است. هرکدام از این کهکشان‌ها دنیایی از شگفتی متعلق به خود را دارند و حالا باید منتظر بمانیم تا ببینیم اخترشناسان و منجمان چطور با استفاده از داده‌های جمع‌آوری‌شده، دانش ما از علم کیهان را تغییر می‌دهند.