اولین نگاه تلسکوپ جیمز وب به کهکشان‌های اولیه می‌تواند علم کیهانشناسی را متحول کند
تلسکوپ فضایی جیمز وب چطور با تصویر ژرف خود می‌تواند علم کیهانشناسی را دچار تحول کند؟
در دیجیاتو ثبت‌نام کنید
جهت بهره‌مندی و دسترسی به امکانات ویژه و بخش‌های مختلف در دیجیاتو عضو ویژه دیجیاتو شوید.
عضویت در دیجیاتوتازههای تکنولوژی
اولین تصاویر تلسکوپ فضایی جیمز وب از عالم دور اخترشناسان را شوکه کرد. آیا کشف کهکشان‌های دوردست امری غیرممکن است و یا انقلابی در علم کیهانشناسی در راه است؟
«روهان نایدو» به همراه همسر خود در خانه نشسته بود که کهکشانی را پیدا کرد که تقریبا علم کیهانشناسی را دچار تحول کرد. هنگامی که الگوریتم او تصاویر اولیه تلسکوپ جیمز وب (JWST) را در اواخر شبی در تیر ماه بررسی کرد، متوجه حضور لکه‌ای شد که با بررسی دقیق‌تر دریافت جسمی بسیار عظیمی است - به طرز غیرقابل توضیحی عظیم - و قدمت آن تنها به ۳۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) بازمی‌گردد - قدیمی‌تر از هر کهکشانی که تاکنون دیده‌ایم.
نایدو می‌گوید: «بلافاصله با همکارم تماس گرفتم و در مورد جزییات این کشف تازه به او گفتم. او گفت احتمالا این دورترین نور ستاره‌ای باشد که تا به‌حال دیده‌ایم.»
چند روز بعد، آنها مقاله‌ای در مورد کهکشان نامزد منتشر کردند و آن را «GLASS-z13» نامیدند. دنیای مجازی منفجر شد. این خبر به سرعت در تمام دنیا پیچید و به یکی از داغ‌ترین خبرهای شبکه‌های اجتماعی تبدیل شد.
کشف خارق‌العاده این کهکشان، تنها چند دقیقه پس از آنکه جیمز وب داده‌های خود را منتشر کرد، بسیار فراتر از باور کیهانشناسان بود. جیمز وب بزرگترین و قدرتمندترین تلسکوپ فضایی که تاکنون ساخته شده است، موفق شد در همان گام‌های ابتدایی قدرت خود را به رخ بکشد - این تلسکوپ به صورت سفارشی ساخته شده است تا درک ما از جهان را متحول کند. جیمز وب که در فاصله ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین قرار دارد، مجهز به تجهیزات پیشرفته‌ای است که قادر هستند دید ما از عالم را دچار تحول کنند.
عالم اولیه، دوره‌ای است که به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است - بیش از چند میلیون سال پس از انفجار بزرگ که در آن اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها بهم پیوستند. اینکه دقیقا چطور اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها شکل گرفتند، بستگی زیادی به نظریه مطرح شده در توصیف آن دارد. تلسکوپ‌هایی مانند جیمز وب به کیهانشناسان این امکان را می‌دهد تا نظریه‌های مختلف خود را بسنجند و از صحت آنها اطمینان حاصل کنند یا شکاف‌هایی در آنها پیدا کنند که نیازمند بررسی‌های بیشتر است.
در ابتدا اخترشناسان گمان می‌کردند کشف ستاره‌ها یا کهکشان‌ها با چنین فواصلی بسیار زمان‌بر باشد. پیش‌بینی‌های اولیه تخمین می‌زدند که اولین کهکشان‌ها آنقدر کوچک و کم‌نور خواهند بود که جیمز وب در بهترین حالت، چند نامزد بسیار دوردست را در تحقیقات آزمایشی خود پیدا کند. همه چیز آنطور که برنامه‌ریزی شده بود پیش نرفت. در عوض، به محض اینکه دانشمندان اولین تصاویر تلسکوپ از عالم دور را منتشر کردند، اخترشناسانی مانند نایدو از موسسه فناوری ماساچوست شروع به یافتن کهکشان‌های متعدد در آنها کردند که از نظر سن، اندازه و درخشندگی ظاهری از همه پیش‌بینی‌ها فراتر رفتند.
رقابت برای اکتشاف شدید بود: به نظر می‌رسید هر روز با طلوع سپیده دم ادعاهایی مبنی بر رکوردشکنی دیگر در شناخت قدیمی‌تر کهکشان عالم سروصدا به پا می‌کند.
در هفته‌ها و ماه‌های بعد، نظریه‌پردازان در تلاش برای توضیح یافته‌های هیجان‌انگیز جیمز وب بودند. در ابتدا این تفکر که احتمالا به دلیل نقص در تجزیه و تحلیل مشاهدات اولیه تلسکوپ، مجموعه کهکشان‌های غیرعادی بزرگ و درخشان می‌تواند توهمی باشد وجود داشت. از سوی دیگر، برخی عقیده داشتند که اگر این کهکشان‌ها واقعی هستند، پس آیا می‌توان آنها را با مدل‌های استاندارد کیهانشناسی توضیح داد؟ یا شاید کشف این کهکشان‌ها نشان می‌دهد عالم پیچیده‌تر و عجیب‌تر از آن چیزی است که حتی جسورانه‌ترین نظریه‌های ما قادر به تصور آن نبوده‌اند.
مکاشفات اولیه جیمز وب می‌تواند آماده بازنویسی فصل‌های آغازین تاریخ کیهانی باشد که نه تنها مربوط به دوره‌ها و کهکشان‌های دور است، بلکه می‌تواند دانسته‌های ما از کهکشان راه شیری را نیز تکمیل کند. «مارک مک کاگرین» دانشمند جیمز وب و مشاور ارشد علم و اکتشاف در آژانس فضایی اروپا می‌گوید: « ما این ماشین‌ها را برای رکوردشکنی می‌سازیم، نه برای تایید آنچه از پیش می‌دانستیم.»
هرچند جیمز وب در مشاهده دورترین اجرام کیهان رکوردشکنی‌های شگفت‌انگیزی داشته است، اما لازم است نگاهی به موسسه علمی تلسکوپ فضایی (STScI) در «بالتیمور» در سال ۱۹۸۵ بیندازیم.
در آن زمان تلسکوپ فضایی «هابل» هنوز پنج سال تا پرتاب با شاتل فضایی فاصله داشت. یک روز «ریکاردو جیاکنی» مدیر وقت STScI از معاون وقت خود «گارث ایلینگ ورث» خواست که به این سوال پاسخ دهد: بعد از هابل چه اتفاقی می‌افتد؟ علم کیهانشناسی چقدر دچار تحول می‌شود؟ ایلینگ ورث به یاد می‌آورد که گفت: « پیش‌بینی اینکه در آینده هابل از چه رموزی برای ما پرده بردارد دشوار است. اما این تلسکوپ انقدر قوی است که قطعا تحولی در دنیای کیهانشناسی رقم می‌زند.» اما این برای جیاکنی قانع کننده نبود و ایده مفهومی برای تلسکوپ فضایی نسل بعدی (NGST) به ذهن دانشمندانی همچون او خطور کرد که بعدها به نام مدیر سابق ناسا به جیمز وب تغییر نام داد.
درحالیکه هابل تحول آفرین بود، اخترشناسان می‌دانستند که این تلسکوپ تنها قادر است در طیف مرٔی به رصد عالم بپردازد. همانطور که نور یک کهکشان بسیار دور در سراسر کیهان حرکت می‌کند، با انبساط عالم این نور کشیده می‌شود - این پدیده که در آن شاهد کشیده شدن طول موج هستیم با نام «انتقال به سرخ» شناخته می‌شود. هرچه مقدار انتقال به سرخ بیشتر باشد، نور بیشتر کشیده می‌شود. انتقال به سرخ کهکشان‌های اولیه به قدری زیاد است که نور مرٔی ساطع شده آنها تا زمانی که به تلسکوپ‌های ما برسد، به مادون قرمز می‌رسد. به همین دلیل هابل قادر نبود نور آنها را شناسایی کند. برای مقایسه، باید بدانید تلسکوپ جیمز وب در طول موج فروسرخ کیهان را رصد می‌کند و دارای آینه بسیار بزرگی است که نور را جمع می‌کند و بدین ترتیب قادر است نگاهی ژرف به عالم اولیه بیندازد. لیلینگ ورث می‌گوید: «درحالیکه هابل تحول آفرین است، همه متوجه شدند که این تلسکوپ قادر است نگاهی به کیهان اولیه بیندازد و این تبدیل به یک هدف علمی برای آن شد.»
نیاز به وجود این تلسکوپ در دسامبر ۱۹۹۵ برجسته‌تر شد، زمانی که اخترشناسان هابل را به مدت ۱۰ روز متوالی به یک نقطه ظاهرا خالی از آسمان نشانه رفتند. بسیاری از کارشناسان پیش‌بینی کردند که رصد طولانی مدت چنین ناحیه‌ای باعث اتلاف منابع می‌شود و در بهترین حالت ممکن است تنها چند کهکشان کم‌نور آشکار شود. تصویر بدست آمده از ناحیه‌ای که فرض می‌شد خالی است، نشان داد که این ناحیه مملو از هزاران کهکشان است. «ایلینگ ورث» اخترفیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید: « تصویر میدان عمیق هابل نشان داد که کهکشان‌ها همه جا وجود دارند. این تصویر به ما ثابت کرد کیهان اولیه حتی بیش از آن چیزی که هرکسی انتظارش را داشت، شلوغ بوده است.» همین موضوع کیهانشناسان را بیشتر ترغیب کرد تا در ساخت تلسکوپی قدرتمندتر مصمم شوند.
پس از بیش از دو دهه تلاش با هزینه حدود ۱۰ میلیارد دلار، جیمز وب در روز کریسمس ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شد. تا جولای ۲۰۲۲، این تلسکوپ به مقصد خود در اعماق فضا رسیده بود و ابزارهای آن به سرعت آماده شده بودند تا اولین تصاویر خود را منتشر کنند. اولین سال مشاهدات علمی مورد انتظار از این تلسکوپ - معروف به چرخه یک - حالا می‌توانست آغاز شود.
بخشی از این دوره به برنامه‌های مهم در طیف وسیعی از شاخه‌های رصدی اختصاص داشت که داده‌های آن بلافاصله در اختیار عموم قرار می‌گرفت. در ابتدا انتظار چندانی نمی‌رفت، برخی عقیده داشتند تنها کمی کیفیت تصاویر ارتقا پیدا خواهد کرد اما همه چیز دچار تحول شد.
رکورد هابل برای دورترین کهکشان «GN-z11» بود که در سال ۲۰۱۵ با انتقال به سرخ ۱۱ مشاهده شد. انتقال به سرخ ۱۱ مرتبط با سن کیهانی درحدود ۴۰۰ میلیون سال است - زمانی در آستانه آغاز شکل‌گیری کهکشان‌ها. اما از اولین داده‌هایی که توسط جیمز وب منتشر شد، کاندیدی برای کهکشان دورتر به نام «GLASS-z13» در انتقال به سرخ ۱۳ پیدا شد - حدود ۷۰ میلیون سال دورتر.
از آنجا که اخترشناسان برای بدست آوردن سریع‌تر نتایج عطش داشتند، به تخمین‌های انتقال به سرخ از اندازه‌گیری مبتنی بر روشنایی تکیه کردند. بدست آوردن این نتایج آسان‌تر است، اما دقت کمتری نسبت به اندازه‌گیری مستقیم انتقال به سرخ دارد - که به زمان بیشتری نیاز دارد. با این وجود، این تکنیک نیز در حد خود دقیق است و به طور غیرمنتظره‌ای از وجود کهکشانی بزرگ و درخشان خبر داد که درحال حاضر دارای جرمی درحدود چند صد برابر کمتر از کهکشان راه شیری دارد. اخترشناسان می‌گویند برای قدم اول کشف چنین کهکشانی فراتر از خوشبینانه‌ترین انتظارات ماست.
این رکورد چندان دوام نیاورد. در روزهای بعد ده‌ها کاندید کهکشان دور معرفی شدند که تا انتقال به سرخ حدود ۲۰ نیز پیشروی کردند - این رقم معادل با تولد کهکشان تنها ۱۸۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ است. برخی از این کهکشان‌ها ساختار دیسک مانندی داشتند که اخترشناسان وجود آنها را عجیب می‌دانند. در همین حال، تیم دیگری شواهدی برای کهکشان‌هایی به اندازه کهکشان راه شیری در یک انتقال به سرخ ۱۰ پیدا کردند که متعلق به کمتر از ۵۰۰ میلیون سال نوری پس از انفجار بزرگ است. چنین غول‌هایی که به سرعت در حال پیدایش آنها هستیم، مدل استاندارد کیهانشناسی را نادیده می‌گیرند و وجود خود را با کمک داده‌ها به اثبات می‌رسانند.
مدل استاندارد کیهانشناسی که آن را با نام «Lambda CDM» می‌شناسیم، دربردارنده بهترین تخمین‌ها در توصیف ظهور ساختارهای کیهانی در مقیاس بزرگ است. «لامبدا» به انرژی تاریک اشاره دارد و «سی دی اِم» به ماده تاریکی اشاره دارد که نسبتا سرد است.
برای آنچه دقیقا اتفاق افتاده است، اخترشناسان تجدید نظر مختصری انجام دادند: در اولین ثانیه پس از انفجار بزرگ، عالم ما یک سوپ بسیار داغ و متراکم از ذرات اولیه بود. در طول سه دقیقه بعد، با انبساط و سرد شدن کیهان هسته‌های هلیوم و سایر عناصر بسیار سبک شروع به شکل‌گیری کردند. چهارصد هزار سال پس از آن، عالم ما به اندازه‌ای سرد شده بود تا اولین اتم‌ها ظاهر شوند. نظریه‌پردازان می‌گویند زمانی که عالم حدود ۱۰۰ میلیون سال سن داشت، شرایط برای تولد اولین ستاره‌ها فراهم شد. این گلوله‌های آتشین غول پیکر عمدتا از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بودند زیرا هنوز عناصر سنگین‌تری شکل نگرفته بودند - بنابراین این ستاره‌ها نسبت به ستاره‌های امروزی ویژگی‌های متفاوتی داشتند.
در آن زمان اولین ستارگان به کمک داربست‌های عظیم و نامریی ماده تاریک بهم پیوستند. گرانش برهمکنش‌های میان این ستاره‌ها را کنترل کرد تا درنهایت باهم ادغام شوند و کهکشان‌ها را تشکیل دادند. تصور می‌شود که این فرآیند تبدیل شدن - آشفتگی کیهان اولیه تا شکل گرفتن یک کیهان منظم که امروزه می‌شناسیم - حدود دو میلیارد سال طول کشیده است.
کشف کهکشان‌های درخشان به کمک جیمز وب این مدل را به چالش می‌کشد. «استیسی مک گاگ» کیهانشناس دانشگاه «کیس وسترن» در اوهایو می‌گوید: «ما انتظار داشتیم ابرهای گاز و غباری که هنوز تبدیل به کهکشان نشده‌اند را تماشا کنیم. حالا آنچه می‌بینیم کهکشان‌های بزرگ هستند و این عجیب است. برخی از این کهکشان‌ها ممکن است فریب‌کار باشند، به عبارت دیگر آنها کهکشان‌هایی هستند که بسیار نزدیک‌اند اما در پشت غبار پوشانده شده‌اند که همین امر بر اندازه‌گیری‌های مبتنی بر روشنایی آنها اثر می‌گذارد.»
با این‌حال، مشاهدات بعدی از کهکشان‌های نامزد و استفاده از داده‌های رصدخانه «ALMA» نشان داد مقادیر زیادی گرد و غبار که بتواند بر تخمین انتقال به سرخ اثر بگذارد، مشاهده نشده است.
بهترین توجیه این است که نظریه استاندارد کیهانشناسی متعارف اشتباه است و نیاز به تجدید نظر دارد. یک راه‌حل ساده‌تر این است که کهکشان‌های عالم اولیه می‌توانند غبار کمی داشته باشند یا اصلا غبار نداشته باشند که باعث می‌شود درخشان‌تر به نظر برسند. این سناریو می‌تواند تلاش‌ها برای محاسبه جرم واقعی کهکشان‌ها را مختل کند و شاید بتواند مشکل ALMA در تشخیص کهکشان GLASS-z13 را توضیح دهد.
«آندریا فرارا» اخترشناس دانشگاه «Scuola Normale Superiore» در ایتالیا می‌گوید: « ممکن است ابرنواخترها زمان کافی برای تولید غبار نداشته باشند، یا شاید در مراحل اولیه (شکل‌گیری کهکشان‌ها) غبار از کهکشان بیرون رانده شود.»
از طرف دیگر برخی کیهانشناسان پیشنهاد می‌کنند در مشاهدات اولیه جیمز وب، احتمالا این تلسکوپ فقط درخشان‌ترین کهکشان‌های جوان را دیده است زیرا که تشخیص آنها باید ساده‌تر باشد.
«دیوید اسپرگل» اخترفیزیکدان نظری مشهور می‌گوید: «من فکر می‌کنم فشار گاز و دمای بالا در عالم اولیه سبب شده تا مکانیسم تشکیل کهکشان‌ها اندکی متفاوت باشد. این موضوع تاثیر زیادی بر محیط در تشکیل ستاره‌ها و کهکشان‌ها دارد. شاید حتی میدان مغناطیسی زودتر از آنچه ما فکر می‌کردیم در کیهان شروع به ایفای نقش کرده و نقش مهمی در تولد ساختارها را ایفا کرده است.»
انتشار تعداد زیادی مقاله از مشاهدات اولیه جیمز وب اتفاقی نیست. هنگامی که اولین داده‌های این تلسکوپ در دسترس عموم قرار گرفت، اخترشناسان شروع به اعلام رکوردشکنی‌ها کردند. «نانسی لونسون» مدیر STScI می‌گوید: «فعالیت مردم در تحلیل داده‌ها و شناسایی فراتر از انتظارات ما بود. این باعث شد که نتایج علمی به سرعت منتشر شده و مورد بحث قرار گیرد. اما این اندکی نگران کننده است. جیمز وب سکوی پرتاب ما برای افزایش علم و آگاهی از کیهان است اما درگیر هیجان شدن در تحلیل آن و یا عقب ماندن ما از درک آنچه در کیهان رخ داده است، کار را اندکی پیچیده و دشوار می‌سازد.»
برای گفتگو با کاربران ثبت نام کنید یا وارد حساب کاربری خود شوید.