در تابستان ۲۰۲۲، کمتر از یک ماه پس از انتشار اولین تصاویر علمی تلسکوپ فضایی جیمز وب، ستاره‌شناسان متوجه پدیده عجیبی شدند: نقاط قرمز ریز که در سراسر آسمان پراکنده شده بودند. به لطف حساسیت فوق‌العاده JWST، این اجرام بسیار فشرده و عمیقاً قرمز به وضوح مشخص بودند و به نظر می‌رسید تعدادشان زیاد است.
این تلسکوپ ظاهراً جمعیت کاملاً جدیدی از اجرام آسمانی را کشف کرده بود که تلسکوپ فضایی هابل هرگز آن‌ها را شناسایی نکرده بود. این موضوع منطقی است. در نجوم، «بسیار قرمز» به این معنی است که جسم بیشتر نور خود را در طول موج‌های بلندتر منتشر می‌کند. این منابع کوچک قرمز عمدتاً در طول موج‌های فروسرخ میانی، فراتر از یک ده‌میلیونم متر (میکرومتر)، نور می‌تابانند؛ این محدوده‌ای است که هابل قادر به رصد آن نیست، اما JWST به‌طور خاص برای تشخیص آن ساخته شده است.
مشاهدات بعدی نشان داد که این اجرام بسیار دور هستند. حتی نزدیک‌ترین نمونه‌های آن‌ها چنان دور بودند که نورشان ۱۲ میلیارد سال طول کشیده تا به زمین برسد. از آنجایی‌که ستاره‌شناسان همیشه جهان را آن‌گونه که در زمان انتشار نور بوده است مشاهده می‌کنند، دیدن نوری با این قدمت به این معناست که ما در حال نگریستن به زمانی هستیم که تنها حدود ۱.۸ میلیارد سال پس از بیگ بنگ بوده است.
کهکشان‌های جوان و پرجرم غیرقابل توضیح؟
چالش از اینجا آغاز شد. تفسیر یک تصویر تلسکوپی نیازمند یک مدل فیزیکی از جرمی است که فکر می‌کنید به آن نگاه می‌کنید. وقتی ستاره‌شناسان چیزی را به عنوان یک ستاره شناسایی می‌کنند، این نتیجه‌گیری بر اساس مدل‌های دقیقی است که نحوه عملکرد ستارگان را توضیح می‌دهد: یک کره عظیم از پلاسما که توسط گرانش در کنار هم نگه داشته شده و توسط همجوشی هسته‌ای در هسته‌اش انرژی می‌گیرد. آن‌ها همچنین دقیقاً می‌دانند که ستارگان چگونه باید در تصاویر ظاهر شوند و نور آن‌ها چگونه در طیف تجزیه می‌شود. هنگامی‌که یک شی با هر دو مطابقت داشته باشد، شناسایی قطعی است.
نقاط قرمز کوچک شباهت کافی به هیچ دسته آشنایی نداشتند که بتوانند به راحتی در توضیحات استاندارد قرار گیرند، بنابراین محققان شروع به بررسی احتمالات غیرعادی‌تر کردند. یکی از ایده‌های اولیه، به خودی خود بسیار چشمگیر بود: نقاط قرمز کوچک ممکن است کهکشان‌های فوق‌العاده متراکم و غبارآلود باشند که مملو از تعداد بسیار زیادی ستاره‌اند. برای درک تضاد، محیط کیهانی محلی ما را در نظر بگیرید. اگر منظومه شمسی ما را در یک مکعب به طول یک سال نوری در هر ضلع قرار دهید، کل آن حجم تنها شامل خورشید خواهد بود. در کهکشان‌های فرضی که برای توضیح نقاط قرمز کوچک پیشنهاد شده‌اند، یک مکعب با همان اندازه چند صد هزار ستاره را در خود جای می‌دهد.
در کهکشان راه شیری، تنها منطقه‌ای که از نظر ستارگان متراکم است، هسته مرکزی است، اما آن ناحیه تنها حدود یک هزارم ستارگان مورد نیاز در آن مدل‌های نقاط قرمز کوچک را در خود جای داده است. تعداد محض ستارگان درگیر، که به اندازه صدها میلیارد جرم خورشیدی می‌رسد، آن هم کمتر از یک میلیارد سال پس از بیگ بنگ، سؤالات بزرگی را در مورد درک اولیه ستاره‌شناسان از تکامل کهکشان‌ها ایجاد کرد: آیا اصلاً می‌توانیم توضیح دهیم که چگونه این کهکشان‌ها این همه ستاره را، آن هم به این سرعت، تولید کردند؟ بینگ‌جی ونگ (دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا) توضیح می‌دهد:
آسمان شب چنین کهکشانی به‌طرز خیره‌کننده‌ای روشن خواهد بود. اگر این تفسیر درست باشد، به این معنی است که ستارگان از طریق فرآیندهای خارق‌العاده‌ای شکل گرفته‌اند که قبلاً هرگز مشاهده نشده‌اند.
کهکشان‌ها در برابر هسته‌های فعال کهکشانی
خودِ این تفسیر بحث‌برانگیز باقی ماند. جامعه به دو اردوگاه تقسیم شد: یک گروه که طرفدار تفسیر «ستاره‌های زیاد به‌اضافه غبار» بود، و گروه دیگر که نقاط قرمز کوچک را به عنوان هسته‌های فعال کهکشانی (Active Galactic Nuclei یا AGN) تفسیر می‌کردند، که آن‌ها نیز توسط غبار فراوان پنهان شده‌اند. هسته‌های فعال کهکشانی چیزی است که ما می‌بینیم زمانی که جریانی پیوسته از ماده به سیاهچاله مرکزی یک کهکشان سقوط می‌کند و یک دیسک برافزایشی فوق‌العاده داغ در اطراف جسم مرکزی تشکیل می‌دهد. اما این تفسیر دوم نیز محدودیت‌های خاص خود را داشت. تفاوت‌های قابل‌توجهی بین طیف نقاط قرمز کوچک و طیف هسته‌های فعال کهکشانی که قبلاً توسط ستاره‌شناسان مشاهده شده بود، وجود دارد. علاوه بر این، این تفسیر به جرم‌های بسیار بزرگ برای سیاهچاله‌های ابرپرجرم در مرکز آن اجرام نیاز داشت – و با توجه به تعداد زیاد نقاط قرمز کوچک یافت شده، به تعداد شگفت‌انگیزی از آن‌ها نیز نیاز بود.
یک اجماع نیز وجود داشت: برای حل این معما، ستاره‌شناسان به داده‌های رصدی بیشتر و متفاوتی نیاز خواهند داشت. مشاهدات اولیه JWST تصاویر را ارائه کرده بود. برای آزمایش تفاسیر فیزیکی، ستاره‌شناسان به طیف‌ها نیاز دارند: اطلاعات دقیق درباره اینکه یک جسم چه مقدار نور را در طول موج‌های مختلف منتشر می‌کند. برای تلسکوپ‌های برتر، رقابت قابل‌توجهی برای زمان رصد وجود دارد. هنگامی‌که مشخص شد نقاط قرمز کوچک چقدر جالب هستند، ستاره‌شناسان متعددی در سراسر جهان شروع به درخواست زمان برای رصد دقیق‌تر آن‌ها کردند. یکی از این درخواست‌ها برنامه RUBIES بود که توسط آنا د گراف در مؤسسه ماکس پلانک برای نجوم در هایدلبرگ و یک تیم بین‌المللی از همکاران تدوین شد.
گنجینه‌های دوردست RUBIES
درخواست RUBIES موفقیت‌آمیز بود، و بین ژانویه تا دسامبر ۲۰۲۴، ستاره‌شناسان تقریباً ۶۰ ساعت از زمان JWST را برای به دست آوردن طیف از مجموع ۴۵۰۰ کهکشان دوردست استفاده کردند که یکی از بزرگترین مجموعه داده‌های طیف‌سنجی به دست آمده با JWST تا به امروز است. همانطور که رافائل هویدینگ (MPIA) می‌گوید:
در آن مجموعه داده، ما ۳۵ نقطه قرمز کوچک پیدا کردیم. بیشتر آن‌ها قبلاً با استفاده از تصاویر عمومی در دسترس JWST پیدا شده بودند. اما آن‌هایی که جدید بودند، خشن‌ترین و جذاب‌ترین اجرام بودند.
جالب‌تر از همه، طیف مربوط به جرمی بود که ستاره‌شناسان در ژوئیه ۲۰۲۴ کشف کردند. ستاره‌شناسان این جرم مورد نظر را «صخره» (The Cliff) نامیدند و به نظر می‌رسید که یک نسخه خشن از جمعیت نقاط قرمز کوچک است – و به همین دلیل یک مورد آزمایشی امیدوارکننده برای تفسیر اینکه نقاط قرمز کوچک واقعاً چه هستند. «صخره» آنقدر از ما دور است که نورش ۱۱.۹ میلیارد سال طول کشیده تا به ما برسد (انتقال به سرخ z=3.55).
«صخره» نام خود را از برجسته‌ترین ویژگی طیف خود می‌گیرد: افزایش شدید در آنچه که منطقه فرابنفش خواهد بود، در طول موج‌هایی کمی کوتاه‌تر از نور مرئی بنفش. «خواهد بود» به این دلیل که جهان ما در حال انبساط است: یکی از نتایج مستقیم این است که برای جرمی به دوری «صخره»، آن طول موج تقریباً پنج برابر مقدار اصلی خود کشیده می‌شود و مستقیماً در محدوده فروسرخ نزدیک قرار می‌گیرد («انتقال به سرخ کیهانی»). یک افزایش برجسته از این نوع، در این طول موج‌ها، به عنوان «شکست بالمر» (Balmer break) شناخته می‌شود. شکست‌های بالمر را می‌توان در طیف کهکشان‌های معمولی یافت، جایی که معمولاً در کهکشان‌هایی دیده می‌شوند که در آن زمان ستاره‌های جدید کمی تشکیل می‌دهند یا اصلاً تشکیل نمی‌دهند. اما در آن موارد، افزایش بسیار کمتر از «صخره» است.
شباهت عجیب به ستارگان منفرد
با این ویژگی غیرقابل اغماض و غیرعادی، به نظر می‌رسید که «صخره» با هیچ یک از تفاسیر پیشنهادشده برای نقاط قرمز کوچک مطابقت ندارد. اما د گراف و همکارانش می‌خواستند مطمئن شوند. آن‌ها تنوع‌های مختلفی از تمام مدل‌هایی ساختند که سعی داشتند نقاط قرمز کوچک را به عنوان کهکشان‌های عظیم ستاره‌ساز یا هسته‌های فعال کهکشانی غبارآلود معرفی کنند، تلاش کردند طیف «صخره» را با هر یک از آن‌ها بازتولید کنند و هر بار شکست خوردند.
آنا د گراف می‌گوید:
خواص شدید «صخره» ما را مجبور کرد که به نقطه شروع برگردیم و مدل‌های کاملاً جدیدی ارائه دهیم.» تا آن زمان، این ایده که ویژگی‌های شکست بالمر در یک طیف ممکن است به دلیل چیزی غیر از ستارگان باشد، وارد بحث شده بود (در قالب مقاله‌ای در سپتامبر ۲۰۲۴ توسط دو محقق مستقر در چین و بریتانیا).
او و همکارانش خودشان شروع به تعجب در مورد چیزی بسیار مشابه کرده بودند: شکست‌های بالمر را می‌توان هم در طیف ستارگان منفرد، بسیار داغ و جوان و هم در طیف کهکشان‌هایی یافت که تعداد کافی از چنین ستارگان بسیار داغ و جوانی را دارند. عجیب است که «صخره» بیشتر شبیه طیف یک ستاره منفرد بود تا یک کهکشان کامل!
ورود ستارگان سیاهچاله
بر این اساس، د گراف و همکارانش مدلی را توسعه دادند که برخی از آن‌ها آن را «ستاره سیاهچاله» می‌نامند (که به صورت BH* نوشته می‌شود): یک هسته فعال کهکشانی، یعنی یک سیاهچاله ابرپرجرم با یک دیسک برافزایشی، اما نه با غبار احاطه شده و قرمز شده، بلکه به دلیل قرار گرفتن در یک پوسته ضخیم از گاز هیدروژن. BH* یک ستاره به معنای دقیق نیست، زیرا هیچ راکتور همجوشی هسته‌ای در مرکز آن وجود ندارد. علاوه بر این، گاز موجود در پوسته بسیار شدیدتر در حال چرخش است (تلاطم بسیار قوی‌تری وجود دارد) تا در هر جو ستاره‌ای معمولی. اما فیزیک پایه مشابه است: هسته فعال کهکشانی پوسته گازی اطراف را گرم می‌کند، درست همانطور که مرکز یک ستاره که با همجوشی هسته‌ای کار می‌کند، لایه‌های بیرونی ستاره را گرم می‌کند، بنابراین ظاهر بیرونی شباهت‌های قابل توجهی دارد.
مدل‌هایی که توسط د گراف و همکارانش در این مرحله تدوین شده‌اند، اثبات مفهومی هستند – کار پیشگامانه، اما به هیچ وجه یک تناسب کامل نیستند. با این حال، این مدل‌های ستاره سیاهچاله داده‌ها را بسیار بهتر از هر نوع مدل دیگری توصیف می‌کنند. به ویژه، شکل صخره‌ای که نام مدل از آن گرفته شده است، با فرض یک پوسته گازی متلاطم، متراکم و کروی در اطراف AGN به خوبی توضیح داده می‌شود. از این منظر، «صخره» یک مثال افراطی خواهد بود که در آن ستاره سیاهچاله مرکزی بر روشنایی جسم غلبه می‌کند. برای سایر نقاط قرمز کوچک، نور آن‌ها ترکیبی یکنواخت‌تر از ستاره سیاهچاله مرکزی با نور ستارگان و گاز در بخش‌های اطراف کهکشان خواهد بود.
مکانیزم جدیدی برای تشکیل سریع کهکشان در اوایل کیهان؟!
اگر ستاره سیاهچاله واقعاً راه‌حل باشد، ممکن است مزیت بالقوه دیگری نیز داشته باشد. سیستم‌های این چنینی قبلاً در یک محیط کاملاً نظری، با سیاهچاله‌های میان‌جرم بسیار سبک‌تر مطالعه شده بودند. در آنجا، این پیکربندی با سیاهچاله مرکزی و پوسته گازی اطراف به عنوان راهی برای رشد بسیار سریع جرم سیاهچاله‌های مرکزی کهکشان‌های اولیه در نظر گرفته شد. با توجه به اینکه JWST شواهد محکمی برای سیاهچاله‌های پرجرم در کیهان اولیه پیدا کرده است، پیکربندی که بتواند رشد جرم فوق‌سریع سیاهچاله‌ها را توضیح دهد، افزودنی خوشایند به مدل‌های تکامل کهکشانی کنونی خواهد بود. اینکه آیا ستارگان سیاهچاله ابرپرجرم می‌توانند همین کار را انجام دهند هنوز مشخص نیست، اما اگر چنین کنند، یک گسترش جذاب در نقش آن‌ها خواهد بود!
همانقدر که این موضوع امیدوارکننده به نظر می‌رسد، باید احتیاط‌هایی را هم در نظر داشت. نتیجه جدید کاملاً تازه است. گزارش در مورد آن با رویه پذیرفته شده پوشش نتایج علمی مطابقت دارد، به شرطی که در یک مجله داوری شده منتشر یا حداقل پذیرفته شوند. اما برای اینکه بدانیم آیا این موضوع به بخشی مورد اعتماد از دیدگاه نجوم از جهان تبدیل می‌شود یا خیر، باید حداقل چند سال دیگر صبر کنیم.
پرسش‌های باز
نتیجه فعلی یک گام بزرگ رو به جلو است: اولین مدلی که می‌تواند شکل غیرعادی «صخره» (شکست بالمر جسم افراطی) را توضیح دهد. مانند هر گام مهم رو به جلوی دیگری، این مدل به پرسش‌های تحقیقاتی باز جدیدی منجر می‌شود:
- چگونه چنین ستاره سیاهچاله‌ای می‌تواند تشکیل شده باشد؟
- چگونه پوسته گازی غیرعادی می‌تواند برای مدت طولانی حفظ شود؟ (از آنجایی‌که سیاهچاله گاز اطراف را می‌بلعد، باید مکانیزمی برای «سوخت‌گیری مجدد» پوسته وجود داشته باشد.)
- سایر ویژگی‌های طیف «صخره» چگونه به وجود می‌آیند؟
پاسخ به این سؤالات نیازمند مشارکت در مدل‌سازی اخترفیزیکی است، اما قرار است از مشاهدات عمیق‌تر بیشتر نیز بهره‌مند شود. در واقع، د گراف و تیمش قبلاً تأیید مشاهدات پیگیری JWST را برای نقاط قرمز کوچک خاص مورد علاقه، مانند «صخره»، که برای سال آینده برنامه‌ریزی شده‌اند، دارند.
این مشاهدات آینده مشخص خواهد کرد که آیا ستارگان سیاهچاله واقعاً توضیح‌دهنده این هستند که کهکشان‌های امروزی چگونه به آنچه که هستند تبدیل شده‌اند. در این مقطع زمانی، آن نتیجه یک احتمال جذاب است، اما با قطعیت فاصله زیادی دارد.
منبع: Scitechdaily
