اولین ستارگان عالم چگونه تشکیل شدند؟
مجله علمی ایلیاد – ستاره‌شناسان بالاخره توانستند پرتوهای گسیل شده از ستارگان تشکیل شده در اولین لحظات کیهان که حدود ۱۸۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ ایجاد شده بودند را آشکارسازی کنند. این پرتو‌ها در بررسی تابش زمینه‌ی کیهانی کشف شدند که همانند اثر انگشت برای پیش‌ستارگان در لحظات اولیه‌ی جهان هستند.
این پرتو‌ها به علت عبور از لایه‌هایی از گاز هیدروژن در این ستارگان، طیف جذبی را تشکیل داده‌اند. براساس تحقیقات انجام شده، گاز اولیه که جهان از آن ساخته شده است، در دمای پایین‌تر از آنچه تصور می‌کردیم، بوده است. به گفته‌ی فیزیکدانان، پایین‌تر بودن دمای گاز اولیه از آنچه تصور می‌کردیم نشان دهنده‌ی اثرات ماده‌ی تاریک است. اگر این عقیده‌ی فیزیکدانان اثبات شود، ما توانسته‌ایم ماده‌ی تاریک را از راه دیگری غیر از اثرات گرانشی، آشکارسازی کنیم.
«جود بومن»، ستاره‌شناس دانشگاه ایالتی آریزونا که اخیراً مقاله‌ای در مجله‌ی Nature از او چاپ شده است، می‌گوید: «برای اولین بار توانسته‌ایم سیگنال‌هایی از اولین لحظات جهان آشکارسازی کنیم، البته به‌جز آشکارسازی تابش زمینه‌ی کیهانی.»
همچنین «سلیم زروبی»، کیهان‌شناس دانشگاه گرونینگن در هلند، می‌گوید: «اگر چنین اکتشافی تایید و اثبات گردد، موفقیت بسیار بزرگی است. این اکتشاف به ما نشان می‌دهد که اطلاعات بسیار کمی در خصوص تاریخ جهان در اختیار داریم. گروه تحقیقاتی ما، اکنون در حال تلاش بر روی اثبات و تایید قطعی این پرتو‌ها است؛ اما ما مطمئن هستیم که کار خود را صحیح انجام می‌دهیم.»
فیزیکدانان بر این باور هستند که در زمان انفجار بزرگ که حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش روی داد، پلاسمای یونیزه وجود داشته است که در اثر انبساط شدید جهان، به سرعت دچار کاهش دما شده است. پس از گذشت ۳۷۰،۰۰۰ سال، اتم هیدروژن از این پلاسما به‌وجود آمد. بر اثر گذر زمان، توسط نیروی گرانش، این اتم‌های هیدروژن در کنار هم قرار گرفته و ساختار اولیه‌ی ستارگان را تشکیل دادند که تمامی این پدیده‌ها در مدت زمانی انجام شدند که اصطلاحاً لحظات اولیه‌ی کیهان نامیده می‌شوند. پرتوهای گسیل شده از ستارگان تشکیل شده در ابتدای عالم، بسیار ضعیف هستند، طوری که با تلسکوپ‌های واقع در زمین نمی‌توان آن‌ها را آشکارسازی کرد، اما با این وجود، ستاره‌شناسان تلاش زیادی در خصوص مشاهده‌ی غیرمستقیم آن‌ها می‌کردند.
پرتو‌ها با عبور از گاز‌های هیدروژن موجود در فضای میان‌ستاره‌ای، جذب اتم‌های گاز هیدروژن شده و به همین خاطر، ما نمی‌توانستیم این پرتو‌ها را در تابش زمینه‌ی کیهانی آشکارسازی کنیم. به همین علت در بررسی تابش زمینه‌ی کیهانی، مخصوصاً در بررسی طول موج رادیویی ۲۱ سانتی‌متری، به وجود خط سیاهی در طیف پی می‌بریم. به منظور آشکارسازی پرتو‌ها، گروه تحقیقاتی از تلسکوپ رادیویی استفاده کردند که عنوان تحقیق خود را چنین نامیدند: «آشکارسازی نشانه‌های یونیزاسیون در عصر امروزی» که در رصدخانه‌ی تلسکوپ‌های رادیویی مارچیسون در استرالیای غربی انجام شد.
کهکشان ما و امواج رادیویی FM هر دو امواجی همانند سیگنال‌ها گسیل می‌کنند که در یک باند قرار دارند، به این منظور، ما سعی بر این داریم که امواج غیر از سیگنال‌ها را فیلتر کنیم که اختلال ایجاد نکنند. آقای بومن و همکارانش توانستند سیگنالی با همان فرکانسی که از قبل پیش‌بینی کرده بودند را بیابند. قدر ستاره ۲ برابر آنچه پیش‌بینی کرده بودند بود. نتیجه‌ی تحقیقات بسیار عجیب بود و تا ۲ سال دانشمندان در حال بررسی و بازبینی آزمایشات بودند؛ چرا که شک داشتند نویز‌ها بر نتیجه‌ی آزمایشات اثر گذاشته باشند، طوری که برخی از دانشمندان تصمیم گرفتند تلسکوپ رادیویی دیگری بسازند و در مکان دیگر و زمان دیگری این آزمایش را تکرار کنند که با این وجود، به نتیجه‌ی یکسانی رسیدند که برای آقای بومن خیلی خوشایند بود.
به علت انبساط کیهان، با بررسی پرتوهای گسیل شده از ستارگان تشکیل شده در لحظات اولیه‌ی کیهان و سرخ‌گرایی آن‌ها، می‌توانیم به سِن آن ستارگان پی ببریم. این دستاورد موجب شد که دانشمندان تا ۱۸۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ، از موقعیت جهان اطلاعات به‌دست آورند. اما مشکلی که در این میان وجود دارد این است که پرتوهای X که از مرگ ستارگان در لحظات اولیه‌ی کیهان گسیل می‌شود، گاز‌های اطراف ستاره را گرم می کند و در نتیجه ما تا ۲۵۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ سیگنالی دریافت نمی‌کنیم.
پیش‌ستارگان از این جهت حائز اهمیت هستند که موجب شکل‌گیری مواد اطراف خود هستند و همچنین انفجار ابرنواختری ستارگان موجب پرتاب عناصر سنگین‌تر از هیدروژن مثل اکسیژن و کربن به فضا می‌شود که بستری برای تولید ستارگان جدید در آینده خواهد شد. آقای بومن در این‌باره می‌گوید: «اگر شما می‌خواهید با ساختار اولیه‌ی عالم آشنا شوید، باید در خصوص پیش‌ستارگان اطلاعات به‌دست آورید.»
«رنان بارکارا»، کیهان‌شناس که دو مقاله در مجله‌ی Nature از او چاپ شده است، می‌گوید: «هنگامی که سیگنالی در فرکانس معین شده توسط فیزیکدانان آشکارسازی شده است، شدت و انرژی این سیگنال قابل پیش‌بینی است. شدت سیگنال دریافت شده من را شگفت‌زده کرد. شدت سیگنال دریافت شده از پیش‌ستاره‌ها در لحظات اولیه‌ی جهان بسیار بیش از آنچه فیزیکدانان حدس می‌زدند، بود یا اینکه دمای گاز‌ها در پیش‌ستاره کمتر از دمای پیش‌بینی شده توسط فیزیکدانان بود. مسئله‌ای که ذهن آقای بارکارا را مشغول کرده بود، این بود که چه عاملی موجب کاهش دمای گاز شده است.
تنها عاملی که به ذهنشان می‌رسید، ماده‌ی تاریک بود که براساس نظریات، ماده‌ی تاریک موجب کاهش دمای گاز خواهد شد. از جهت دیگر، آقای بارکارا می‌گوید که ماده‌ی تاریک باید کمتر از آنچه نظریات پیش‌بینی کرده بودند، باشد. به همین دلیل است که ما تا به امروز قادر به مشاهده‌ی اثراتی از ماده‌ی تاریک نبوده‌ایم. ما باید به فکر طرح آزمایشات جدیدی در خصوص آشکارسازی ماده‌ی تاریک باشیم. پرتو گسیل شده از دوران نخستین کیهان در زمان انفجار بزرگ، الکترون و پروتون به‌وجود آمدند، اما ۳۸۰،۰۰۰ سال طول کشید تا یک اتم هیدروژن که از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است، به‌وجود آید.
سپس، نیروی گرانش موجب قرارگیری اتم‌های هیدروژن در کنار یکدیگر به منظور شکل‌گیری ستارگان شد و به همین روال کهکشان‌ها به‌وجود آمدند؛ به این بازه‌ی زمانی، لحظات اولیه‌ی کیهان می‌گویند. پرتو گسیل شده از اولین ستارگان تشکیل شده در کیهان موجب تغییر حالت گاز‌های باقی‌مانده در لحظات اولیه‌ی کیهان خواهد شد؛ گاز‌ها پرتوهای گسیل شده را جذب می‌کنند و ما در تابش زمینه‌ی کیهانی یک فضای خالی را مشاهده می‌کنیم که گاز‌های هیدروژن یونیزه خواهند شد.
اکنون به‌طور کامل بر روی سیگنال‌های دریافت شده از لحظات اولیه‌ی کیهان تحقیقات انجام نشده‌اند. اما در حال حاضر، تحقیقات و آزمایشات زیادی در خصوص سیگنال‌های دریافتی از لحظات اولیه‌ی کیهان انجام می‌شود. برخی از منجمان که در رادیو تلسکوپ‌ها کار می‌کنند، به دنبال آشکارسازی سیگنال‌هایی از اولین لحظات کیهان هستند. یکی از مواردی که در حال حاضر مورد تحقیق قرار گرفته است، «یونیزاسیون هیدروژن» است.
پروژه‌ی تحقیقاتی که اخیراً در بیابان کارو واقع در آفریقای جنوبی در دست اقدام است، ساخت رادیو تلسکوپی است که بتواند سیگنال‌هایی در طول موج معین شده توسط گروه تحقیقاتی آقای بومن را تشخیص دهد. آقای بومن امیدوار است که بتواند پیش‌بینی‌های خود را اثبات کند. تحقیقات دیگری نظیر LOFAR(Low-frequency array) در حال انجام است که در این تحقیق تعداد زیادی آنتن در ۵ کشور اروپایی احداث گردیده است، تا شدت سیگنال‌های دریافتی در نواحی مختلف مورد بررسی قرار گیرد. اگر شدت سیگنال دریافتی به‌خاطر ماده‌ی تاریک باشد، باید به‌صورت الگو‌های مجزا و جدا از هم باشند. آقای بومن می‌گوید: «ما به دنبال ابزاری برای تایید این ایده هستیم.»
«مارتا هینز»، ستاره‌شناس دانشگاه کرنل در نیویورک، می‌گوید: «ما ۳۵ سال است که بر روی بازه‌ی زمانی که اولین ستارگان عالم شکل گرفتند، تحقیق می‌کنیم. من واقعاً خوشحالم که بالاخره توانستیم نشانه‌هایی از پرتوهای گسیل شده از ستارگان اولیه‌ی جهان دریافت کنیم.»
نوشته: جک پارکز
مترجم: امیر علی توجه - مجله علمی ایلیاد
مترجم: امیر علی توجه - مجله علمی ایلیاد