کیهان اولیه چگونه شکل گرفت؟

امیرنظام امیری* | یکی از بزرگ‌ترین و اساسی‌ترین سؤال‌های پیش‌رو، نحوه شکل‌گیری کهکشان‌های اولیه در کیهان و مشاهده آنهاست. درحال‌حاضر به طور دقیق نمی‌دانیم که اولین بذر‌های تشکیل کهکشان‌ها در چه برهه زمانی و چگونه در کیهان شکل گرفته است.

یکی از معدود ابزارآلاتی که درحال‌حاضر می‌تواند پاسخی قانع‌کننده دهد، تلسکوپ فضایی هابل با رصد عمیق است (اگرچه در سال‌های آینده شاهد انقلاب‌های عظیمی در شناخت تشکیل ساختار توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب خواهیم بود).

تلسکوپ فضایی هابل به دانشمندان این اجازه را می‌دهد که کیهان را در گذشته‌اش مطالعه کنند: زمانی که تنها ۵۰۰ میلیون سال از مهبانگ گذشته است. نتایج جدید به‌دست‌آمده از تلسکوپ فضایی هابل پیشنهاد می‌کند که به‌وجودآمدن ستارگان اولیه و کهکشان‌ها در کیهان اولیه زودتر از آنچه پیش‌بینی می‌شود، شکل گرفته است.

تیمی از فیزیک‌دانان نجومی در آژانس فضایی اروپا به رهبری «باکانا بیهاتا ویکار» تحقیقاتی را انجام داده‌اند که نشان می‌دهد خانواده‌ای از ستارگان موسوم به نسل سوم، آن‌طور که نظریه‌های استاندارد درحال‌حاضر پیشنهاد می‌کنند، در زمانی که کیهان بسیار جوان بوده است (حدود ۵۰۰ میلیون سال قبل) ردپایی از خود نشان نداده‌اند.

به‌طورکلی تحول ستارگان در برهه تحول ساختار را می‌توان به سه دسته طبقه‌بندی کرد. نوع اول به آن دسته از ستارگان جوانی اطلاق می‌شود که از نظر خصوصیات فلزیت سنگین محسوب می‌شوند و غالبا در بازو‌های مارپیچی کهکشان راه شیری نیز وجود دارند (مانند خورشید).

ستارگان نوع دوم فلزیت بسیار پایینی دارند و غالبا در هاله‌های کهکشانی یافت می‌شوند. خوشه‌های ستاره‌ای غالبا حاوی تعداد زیادی از این ستارگان هستند. یکی از خصوصیات بارز این طبقه از ستارگان با وجود فلزیت پایین، نسبت بالای نرخ عناصری مانند اکسیژن، سیلیکات و ... (عناصر آلفا) نسبت به آهن است.

نظریه‌های کنونی پیشنهاد می‌کنند که این موضوع حاصل از ابرنواختر‌های نوع دوم است که نقش غالبی را در تحول محیط میان‌ستاره‌ای بازی می‌کنند. ستارگان نسل سوم از ماده اولیه‌ای که در طول مهبانگ پردازش شده است - به معنای هیدروژن، هلیوم و مقداری لیتیوم- شکل گرفته‌اند.

عناصر سنگین‌تر مانند نیتروژن، هیدروژن، کربن و آهن ثمره نسل‌های بعدی چنین ستارگانی هستند که در مرکز آن‌ها یا تحت تحول ساختار ستاره‌ای در گذر زمان شکل گرفته‌اند. این نسل از ستارگان باید جرم فوق‌العاده بالا (حدود چندصد برابر جرم خورشید) همراه با فلزیت بسیار پایین داشته باشند.

«باکانا» و تیمش در برهه زمانی ۵۰۰ میلیون تا یک میلیارد سال پس از مهبانگ کیهان اولیه را توسط خوشه MACSJ۰۴۱۶ تلسکوپ فضایی هابل (به انضمام داده‌های حاصل از تلسکوپ فضایی اسپیتزر و VLT) مورد کنکاش قرار دادند. در این برنامه آن‌ها در طول سال ۲۰۱۲ تا ۲۰۱۷ کهکشان‌هایی را بررسی کردند که ۱۰ تا ۱۰۰ مرتبه از کهکشان‌های حال‌حاضر کم‌نورتر بوده‌اند.

برای بررسی این کهکشان‌ها از روشی موسوم به عدسی گرانشی (که حاصل از پیش‌بینی نظریه زیبای نسبیت عام است) استفاده شده است. برای آشکارسازی و بررسی این کهکشان‌ها از شش خوشه کهکشانی (تعداد زیادی کهکشان که در قید گرانشی خاصی مقید شده‌اند) پرجرم استفاده شده است.

از آنجایی که این کهکشان‌ها در پشت این خوشه‌ها قرار دارند (از نقطه‌نظر ناظر) نور این کهکشان‌ها در حین گذر از خوشه‌های بر سر راه خود لنز شده است و شدت آن افزایش می‌یابد.

با استفاده از این واقعیت و تکنیک جدیدی که «باکانا» و تیمش برای حذف نور کهکشان‌های خوشه‌ای جلوی زمینه به کار برده‌اند، برای اولین‌بار این موضوع ممکن شده است تا کهکشان‌های بسیار کم‌جرم اولیه که طبق مدل استاندارد کیهان‌شناسی درحال حاضر بذر‌های کهکشان‌های کنونی هستند، با دقتی بسیار بالا و تنها زمانی که کیهان کمتر از یک میلیارد سال سن داشته است مورد مطالعه قرار گیرند.

در نتایج به‌دست‌آمده از این تحقیقات و متناسب با سن بسیار پایین کیهان، هیچ‌گونه مدرکی دال بر وجود فراستارگانی از نسل سوم دیده نشده است و این نشان می‌دهد که دوره بازیونش کیهان ممکن است توسط چنین کهکشان‌هایی با جرم بسیار پایین رخ داده باشد.

دوره بازیونش کیهان اولیه زمانی است که محیط خنثی میان‌ستاره‌ای توسط ستارگان اولیه یا کهکشان‌ها یونیزه شود. این مطالعه به ما دو موضوع مهم را نشان می‌دهد که در وهله اول کهکشان‌ها در برهه زمانی بسیار زودتری باید شکل گرفته باشند و در وهله دوم نقش کهکشان‌های کم‌سوی کم‌جرم در بازیونش کیهانی بسیار حائز اهمیت است.

نتایج این تحقیقات بسیار ارزشمند پنجره‌ای نوین برای بررسی عمیق‌تر کیهان در زمان‌های بسیار جوان‌تر را -که قرار است به عنوان بخشی از مأموریت تلسکوپ فضایی جیمز وب مورد کاوش قرار گیرند- خواهد گشود؛ زمانی که بتوان شکل‌گیری بذر‌های اولیه کیهان و ستارگان نوع سوم را با وضوح دقیق‌تر مشاهده کرد.

* دانشجوی دکترای فیزیک و نجوم- دانشگاه فلورانس ایتالیا