چرا ستاره‌شناسان به دنبال کشف دورترین کهکشان‌ها هستند؟
در ماه‌های گذشته بود که یک تیم بین‌المللی از ستاره‌شناسان، کهکشانی به نام HD1 را به جهان معرفی کردند که اگر تأیید شود، این کهکشان دورترین جرم نجومی کشف شده در کیهان تا کنون خواهد بود.
HD1 تنها ۳۲۰ میلیون سال پس از تولد کیهان در مه‌بانگ می‌درخشید، زمانی که بسیار نزدیک به مبدأ جهان است و بنابراین نور این کهکشان سفری باورنکردنی ۱۳.۴ میلیارد ساله را برای رسیدن به تلسکوپ‌های ما انجام داده است.
برای داشتن درکی از این زمان، باید درنظر داشت که دایناسورها فقط ۰.۲ میلیارد سال پیش در سیاره‌ی ما پرسه می‌زدند و کل تاریخ زمین از ۴.۵ میلیارد سال پیش آغاز شده است. بنابراین وقتی فوتون‌هایی که در نهایت در تلسکوپ‌های ما ثبت شده‌اند HD1 را ترک کردند، سیاره‌ی ما هنوز وجود نداشت. حتی ظهور خود منظومه‌ی شمسی هم تقریبا ۹ میلیارد سال پس از مه‌بانگ صورت گرفته است.
درک تکامل کیهان
اما دلیل این نوع جدید مسابقه‌ی فضایی برای نگاه کردن به قدیمی ترین و دوردست ترین اجرام چیست؟ بدون شک چیزی شاعرانه، و حتی حماسی، در تشخیص نور برآمده از تاریکی کیهان اولیه وجود دارد. اما انگیزه‌ی بسیار عمیق‌تری هم برای چنین جست‌وجویی وجود دارد.
به زبان ساده، باید گفت که اخترشناسان به‌دنبال تکمیل یک جست‌وجوی هزار ساله برای نقشه‌برداری از کیهان و روند تکامل آن هستند. مطالعه‌ی اجرام باستانی مانند HD1 می‌تواند به پر کردن شکاف‌های دیرینه در دانش ما کمک کند، و امکان می‌دهد تا در نهایت ببینیم که چگونه جهان از یک گستره‌ی بی‌شکل پلاسما، به آرایش‌های آشنای کهکشان‌ها، ستارگان و سیارات که آسمان را زیبا می‌کنند، تبدیل شده است.
مطالعه‌ی منابع دور نیازمند درک این است که چه منبع اخترفیزیکی نور آن‌ها را تولید کرده است. برای نمونه دانشمندان چندین توضیح برای اچ‌دی۱ ارائه داده‌اند. از جمله اینکه نور یا باید از درخشش جمعی میلیاردها ستاره با جرم خاص، یا از یک سیاهچالهی بسیار پرجرم که از مقادیر بسیار زیادی گاز تغذیه می‌کند، سرچشمه بگیرد.
مطالعه‌ی اجرام کیهانی با نور
ستاره‌شناسان اغلب سعی می کنند ماهیت منابع نوری را که میلیاردها سال نوری از ما فاصله دارند، با مطالعه‌ی طیف‌های آن‌ها، یعنی تقسیم نور دریافت شده به رنگ‌های تشکیل دهنده استنباط کنند. این کار می‌تواند بسیار پیچیده باشد، بنابراین در چنین شرایطی، اطلاعات مربوط به یک منبع قطعا ناقص است و قطعیتی در آن نیست.
برای مثال نور HD1 چیزی گیج‌کننده را نشان می‌دهد: تابش فرابنفش این دورترین کهکشان شناخته شده، بسیار قوی‌تر از چیزی است که کهکشان‌های نزدیک‌تر به ما دارند. اگر بیشتر این نور توسط ستارگان تولید شده باشد، باید تا حدودی با خورشید ما متفاوت باشد و فوتون‌های پرانرژی بیشتری آزاد کند.
با توجه به اینکه نگاه ما به HD1 چقدر ما را به عقب می‌برد، این منابع درخشان می‌توانند از جمله اولین جمعیت ستارگان تشکیل شده در کیهان و به اصطلاح ستارگان جمعیت ۳ (Population III) باشند. چنین ستارگانی که تاکنون هرگز مشاهده نشده‌اند و تصور می شود سنگین‌تر، بزرگتر و داغ‌تر از خورشید ما باشند.
از سوی دیگر، تابش HD1 با نوری که از یک سیاهچالهی عظیم با جرم صد میلیون برابر خورشید انتظار داریم، سازگار است. این تقریبا ۲۵ برابر بزرگتر از سیاهچالهی کمان ای* است که به‌تازگی توسط تلسکوپ افق رویداد در مرکز کهکشان راه شیری از آن تصویربرداری شده است.
منشأ این جرم هرچه باشد، نور HD1 و کهکشان‌های بسیار دوردست، پیامی از گذشته‌های بسیار دور و نسبتا خشن همراه خود دارد؛ زمانی که ستاره‌ها و کهکشان‌ها در کیهان نادر بودند. در حقیقت HD1 در دورانی می‌درخشید که جهان در نهایت از حالتی آغازین خارج می‌شد، دورانی که ستاره‌شناسان آن را عصر تاریک کیهانی می‌نامند: این دوره حدود صد میلیون سال طول کشید و اساسا فاقد اجرام اخترفیزیکی درخشان بود. اولین ستاره‌ها و سیاهچاله‌ها تازه شروع به شکل‌گیری کرده بودند و برای اولین بار جهان را با نور مرئی پر کردند.
اچ‌دی۱ دورترین کهکشانی که تا کنون رصد شده است.
Credit: Harikane et al
دورتر از دورترین‌ها
این دورترین کهکشان کشف شده، ۱۰۰ میلیون سال از رکورددار قبلی، یعنی کهکشان GN-z11 که در سال ۲۰۱۶ کشف شد، دورتر است و ۲۵۰ میلیون سال دورتر از رتبه‌ی سوم یعنی کهکشان EGSY8p7 که در سال ۲۰۱۵ کشف شد.
فاصله تا یک کهکشان، با تکنیکی نوآورانه و بر اساس مفهوم انتقال به سرخ کیهانی، که ناشی از انبساط جهان است، اندازه‌گیری می‌شود: هر چه منبعی دورتر باشد، سریع‌تر از ما دور می‌شود و سرعت دور شدن این کهکشان‌های دوردست، طول موج‌ها را تغییر می‌دهد.
برای درک تغییر طیف آن‌ها، می‌توان گفت که اگر لامپی که نور بنفش خالص تابش می‌کند، در ناحیه‌ای از کیهان قرار بگیرد که از نگاه زمین تقریبا مطابق با یک جابه‌جایی سرخ ۱ است، قرمز تیره به‌نظر می‌رسد. بنابراین با مقایسه‌ی طیف‌های مشاهده شده از این کهکشان‌ها با طیف‌های یک منبع ساکن، می‌توانیم درک کنیم که کهکشان‌ها با چه سرعتی از ما دور می‌شوند و چقدر دور هستند.
کتاب کیهان
اگر تمام تاریخ کیهانی یک کتاب باشد، انتقال به سرخ به‌عنوان شماره‌ی صفحه عمل می‌کند که نشان می‌دهد یک رویداد چه زمانی در کل داستان اتفاق می‌افتد. اما متأسفانه، همه‌ی فصل‌ها برای ما قابل مشاهده نیستند و قرون تاریک کیهانی، بخش عمده‌ای از صفحات گمشده‌ی کتاب را تشکیل می‌دهند. تصور کنید هملت شکسپیر را بخوانید و از صحنه‌های ابتدایی بگذرید. در این صورت از کسی که در تاریکی، به دیوارهای قلعه‌ای در دانمارک زمزمه می‌کند، به شاهزاده‌ای که ارواح را می‌بیند و بر پرده خنجر می‌کشد، تبدیل می‌شوید.
این عمیق‌ترین و دقیق‌ترین دلیلی است که اخترشناسان همچنان به‌دنبال منابع دورتر و دورتر هستند. خوشبختانه ما در عصری زندگی کنیم که تلسکوپ‌هایی با قدرت بی‌سابقه می‌توانند به ما در این تلاش کیهانی کمک کنند.
تلسکوپ فضایی جیمز وب که اکنون آماده‌ی انتشار نخستین عکس تمام‌رنگی خود است، نقش اصلی را در این جست‌وجو برای نگاه به نخستین نورهای سپیده‌دم کیهانی دارد. بسیاری از تلسکوپ‌های دیگر هم نقش خود را ایفا خواهند کرد، از جمله تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن و کلاس جدید رصدخانه های زمینی غول‌پیکر که به این مجموعه برای کاوش دوردست‌های کیهان آماده می‌شوند.
بیش از ۱۳ میلیارد سال تکامل کیهانی به این لحظه و به ما رسیده است. این بسیار دلگرم‌کننده و هوشیارکننده است که بیندیشیم اعمال ما در این سیاره‌ی کوچک و تنها، ممکن است عمیق‌ترین بیان از جهانی باشد که تلاش می‌کند خود را بشناسد.
عکس کاور: خوشه‌ی کهکشانی MACS J0416.1–۲۴۰۳ از نگاه هابل، در جست‌وجوی دورترین نورهای کیهان
Credit: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fields
Acknowledgement: Mathilde Jauzac (Durham University, UK and Astrophysics & Cosmology Research Unit, South Africa) and Jean-Paul Kneib (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland)
منبع: Scientific American
