کشف ۳۱ اختروش باستانی؛ پنجره‌ای به نخستین فصل جهان

اختروش‌ها در زمره درخشان‌ترین اجرام کیهان قرار دارند و با انرژیِ سیاهچاله‌های ابرپرجرم که مقادیر عظیمی از ماده را می‌بلعند، می‌درخشند. برخی از آن‌ها چنان نورانی هستند که درخشش کل یک کهکشان را محو می‌کنند؛ همین ویژگی به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد آن‌ها را از میان بیش از ۱۳ میلیارد سال تاریخ کیهانی تماشا کنند.

اکنون، یک تیم بین‌المللی از دانشمندان موفق به کشف ۳۱ مورد از قدیمی‌ترین اختروش‌هایی شده‌اند که تا به حال یافت شده است؛ این مجموعه شامل دو مورد از کهن‌ترین نمونه‌های شناخته‌شده نیز می‌شود. این اجرام خارق‌العاده زمانی که جهان تنها حدود ۶۷۰ میلیون سال سن داشت، با نور معادل یک تریلیون خورشید در حال درخشش بودند. این کشف که در نشریه علمی Astronomy & Astrophysics منتشر شده، یکی از واضح‌ترین دیدگاه‌ها را از نخستین فصل جهان فراهم کرده و پرسش‌های جدیدی را درباره نحوه شکل‌گیری این سیاهچاله‌های غول‌پیکر با چنین سرعتی پس از بیگ‌بنگ (انفجار بزرگ) مطرح می‌کند.

جوزف هناوی، یکی از نویسندگان این پژوهش و استاد فیزیک دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا (UC Santa Barbara) و دانشگاه لیدن، می‌گوید:

این اجرام بهترین سرنخ‌ها را برای درک نحوه شکل‌گیری سیاهچاله‌های ابرپرجرم ارائه می‌دهند. این هیولاها که وزن آن‌ها میلیاردها برابر جرم خورشید ماست، به نوعی در دوران نوزادی جهان وجود داشته‌اند. ما هنوز درک درستی از این موضوع نداریم که آن‌ها چگونه توانسته‌اند با این سرعت، تا این حد عظیم شوند.

شکار اولین اختروش‌های جهان

ستاره‌شناسان دهه‌هاست که به دنبال یافتن نخستین اختروش‌ها هستند، زیرا آن‌ها نگاهی نادر به سپیده‌دم کهکشان‌ها و تولد سیاهچاله‌های ابرپرجرم را ممکن می‌سازند.

اما یافتن آن‌ها به شدت دشوار است. اختروش‌هایی که در زمانی کمتر از ۷۷۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ وجود داشته‌اند، به طرز استثنایی کمیاب هستند؛ چرا که در آن دوران تنها تعداد کمی از کهکشان‌ها به اندازه کافی بزرگ شده بودند تا بتوانند آن‌ها را تولید کنند. حتی در صورت وجود، نور ضعیف آن‌ها به راحتی می‌تواند با ستاره‌هایی که بسیار به زمین نزدیک‌تر هستند، اشتباه گرفته شود.

خودِ جهان نیز چالش دیگری را اضافه می‌کند. با انبساط فضا، نور این اجرام باستانی از طول موج‌های فرابنفش به سمت طول موج‌های مادون قرمز نزدیک کشیده می‌شود؛ پدیده‌ای که به آن «انتقال به سرخ» (Redshift) می‌گویند. متأسفانه این طول موج‌ها با تابش مادون قرمز طبیعی جو زمین تداخل دارند و آشکارسازی اختروش‌های کم‌نور را برای تلسکوپ‌های زمینی فوق‌العاده سخت می‌کنند. دانشمندان از انتقال به سرخ برای تخمین فاصله یک جرم و زمان ظهور آن در تاریخ کیهان استفاده می‌کنند.

هناوی می‌گوید:

انتقال به سرخ ۷ ما را به زمانی می‌برد که جهان تنها ۷۵۰ میلیون سال سن داشت، یعنی کمتر از ۶ درصد سن فعلی آن.

دامینگ یانگ، نویسنده اصلی این مقاله و دانشجوی دکتری در گروه پژوهشی هناوی در دانشگاه لیدن، توضیح می‌دهد:

این دو عامل، یافتن اختروش‌ها را در چنین فاصله‌هایی به شدت دشوار می‌کند. به ازای هر یک از این اختروش‌ها، هزاران ستاره در کهکشان راه شیری و کهکشان‌های نزدیک وجود دارند که در نقشه‌برداری‌های تصویری تقریباً هم‌شکل به نظر می‌رسند. از آنجا که نور آن‌ها در چنین مسافت‌هایی به محدوده مادون قرمز کشیده شده است، ما به نقشه‌برداری نیاز داریم که هم به اندازه کافی وسیع باشد تا این اجرام کمیاب را شکار کند و هم به اندازه کافی عمیق باشد تا نور ضعیف آن‌ها را تشخیص دهد.

انجام این جستجو از روی زمین تقریباً غیرممکن است. دانشمندان به تلسکوپی فراتر از جو زمین نیاز داشتند.

اقلیدس جستجوی اختروش‌های باستانی را دگرگون می‌کند

آژانس فضایی اروپا در سال ۲۰۲۳ تلسکوپ فضایی اقلیدس (Euclid) را پرتاب کرد تا به کاوش در یکی از ناشناخته‌ترین دوران‌های تاریخ کیهان بپردازد. اقلیدس با گردش در مداری بالاتر از غبار مادون قرمز زمین، می‌تواند اجرام کم‌نور را در پهنه‌های عظیمی از آسمان که رصدخانه‌های زمینی به راحتی به آن‌ها دسترسی ندارند، شناسایی کند.

محققان با استفاده از داده‌های حاصل از «نقشه‌برداری وسیع اقلیدس»، تعداد بی‌سابقه ۳۱ اختروش باستانی را کشف کردند که قدمت آن‌ها به زمانی برمی‌گردد که جهان تنها حدود ۵ درصد از سن فعلی خود را داشت. این نقشه‌برداری پس از تکمیل، بیش از یک‌سوم کل آسمان را پوشش خواهد داد.

پیش از اقلیدس، ستاره‌شناسان تنها تعداد کمی از اختروش‌های اولیه به شدت درخشان را شناسایی کرده بودند. این موضوع، درک ظاهر و ویژگی‌های جمعیت گسترده‌تر این اجرام باستانی را دشوار می‌ساخت.

دامینگ می‌گوید:

اقلیدس یک تحول‌آفرین واقعی است. پیش از این، ما فقط می‌توانستیم انگشت‌شماری از درخشان‌ترین اختروش‌های باستانی را پیدا کنیم، اما اقلیدس به ما اجازه می‌دهد تا با کارایی بسیار بیشتری در پهنه‌های وسیعی از آسمان جستجو کنیم و نورهای بسیار ضعیف‌تر را شکار کنیم. این یک ابزار بی‌نظیر برای شکار اختروش‌هاست.

سیاهچاله‌های غول‌پیکر در جهان نوزاد

پژوهشگران در حال حاضر نگاه دقیق‌تری به دومین اختروش قدیمی در این نمونه‌های جدید انداخته‌اند. آن‌ها دریافتند که این اختروش در میان یک کهکشان پر از گاز و غبار قرار دارد که فرآیند ستاره‌زایی شدیدی در آن جریان دارد؛ این امر نگاهی کمیاب به ظاهر احتمالی خانه‌های نخستین سیاهچاله‌های ابرپرجرم را فراهم می‌کند.

این اختروش‌ها متعلق به «عصر بازونیزه شدن» (Epoch of Reionization) هستند؛ دورانی حیاتی که در آن اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها با یونیزه کردن هیدروژن خنثایی که پس از بیگ‌بنگ فضا را پر کرده بود، جهان را متحول کردند. این دوره، بنیان جهانی را که امروز می‌بینیم پایه‌گذاری کرد.

از میان ۳۱ اختروش تازه کشف‌شده، ۱۴ مورد دارای انتقال به سرخ ۷ یا بالاتر هستند. دو مورد از قدیمی‌ترین آن‌ها به انتقال به سرخ ۷.۶۹ و ۷.۷۷ رسیده‌اند که آن‌ها را به نخستین اختروش‌های رصدشده تا به امروز تبدیل می‌کند. نور آن‌ها کمی بیش از ۱۳ میلیارد سال در سفر بوده است و آن‌ها را به همان صورتی نشان می‌دهد که در ۶۷۰ میلیون سال اول جهان ظاهر شده بودند. آن‌ها همچنین رکورد فاصله قبلی را که توسط تیم هناوی در سال ۲۰۲۱ ثبت شده بود، شکستند.

اما خودِ این رکورد تنها بخشی از داستان است.

هناوی می‌گوید:

هر گامی که در زمان به عقب می‌رویم، این معما پیچیده‌تر می‌شود: جهان چگونه توانسته است با این سرعت سیاهچاله‌های ابرپرجرم تولید کند؟ ما در حال یافتن سیاهچاله‌هایی با صدها میلیون برابر جرم خورشید در زمانی هستیم که جهان تازه کار خود را شروع کرده بود.

نگاهی به زمان‌های باز هم دورتر

پیشرفت‌ها در فناوری تلسکوپ‌ها و تحلیل داده‌ها، به سرعت ستاره‌شناسی را به اعماق بیشتری از گذشته جهان سوق می‌دهد. کشف ۱۰ اختروش اول با انتقال به سرخ ۷ یا بیشتر، بیش از یک دهه زمان برد؛ اما اقلیدس تنها در یک سال توانسته است تعدادی بیش از آن را بیابد و جمعیت شناخته‌شده این اجرام فوق‌العاده باستانی را به بیش از دو برابر برساند.

هوش مصنوعی و یادگیری ماشین نیز به اندازه تلسکوپ‌های جدید اهمیت پیدا کرده‌اند. الگوریتم‌های پیشرفته می‌توانند ده‌ها میلیون منبع نجومی را غربال کنند و انگشت‌شمار اختروش واقعی پنهان‌شده در میان بی‌شمار ستاره‌ای که تقریباً هم‌شکل به نظر می‌رسند را شناسایی کنند.

گروه هناوی سال‌ها صرف توسعه نرم‌افزاری کرد که پشت این اکتشافات قرار دارد. او همچنین هدایت توسعه نرم‌افزار پردازش داده PypeIt را بر عهده دارد که توسط ستاره‌شناسان دانشگاه کالیفرنیا هنگام کار با تلسکوپ‌های کک (Keck) استفاده می‌شود. به لطف دسترسی ویژه این دانشگاه به تلسکوپ‌های کک، دو‌سوم از اختروش‌های تازه کشف‌شده، از جمله سه مورد از دوردست‌ترین آن‌ها، در آنجا تایید شدند.

هدف بزرگ بعدی این تیم، کشف اولین اختروش با انتقال به سرخ فراتر از ۸ است که سرگذشت جرمی از درون ۶۳۰ میلیون سال اول جهان را فاش خواهد کرد.

این اکتشافات تازه آغاز راه هستند. برنامه‌های رصدی تاییدشده با تلسکوپ فضایی جیمز وب جرم این سیاهچاله‌ها را اندازه‌گیری خواهند کرد، گازهای اطراف آن‌ها را مورد مطالعه قرار خواهند داد و از نور آن‌ها برای ردیابی چگونگی وقوع فرآیند بازونیزه شدن استفاده خواهند کرد. به طور همزمان، آرایه تلسکوپی آلما (Atacama Large Millimeter Array) نیز به بررسی غبار، گاز و فرآیند ستاره‌زایی در کهکشان‌های میزبان آن‌ها خواهد پرداخت.

هناوی در پایان می‌گوید:

چشم‌انداز بزرگ‌تر این است که همه این‌ها را در یک خط زمانی منسجم به هم پیوند بزنیم؛ یعنی تاریخچه‌ای مدون از اختروش‌های اولین میلیارد سال جهان.

منبع: Scitechdaily