کشف جالب تلسکوپ جیمز وب؛ جهان اولیه بکر و دست ‌نخورده نبود!

به گزارش اطلاعات آنلاین به نقل از Nature Astronomy، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) نشان داده است که کهکشان‌ها تنها ۵۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ، کربن، اکسیژن و سایر عناصر سنگین را در فضا پخش می‌کردند. این کشف شگفت‌انگیز نشان می‌دهد که جهان جوان بسیار زودتر از آنچه انتظار می‌رفت، از نظر شیمیایی غنی شده و به طور بالقوه ردپای اولین ستارگان خود را پاک کرده است.

تنها حدود ۵۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ، زمانی که جهان تقریباً ۳ درصد از سن فعلی خود را داشت، برخی از اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها شروع به درخشش کرده بودند. ستاره‌شناسان عموماً انتظار داشتند که بخش زیادی از گاز اطراف این کهکشان‌های جوان هنوز تقریباً بکر و عمدتاً متشکل از هیدروژن و هلیوم، عناصر اساسی که بر کیهان تازه متولد شده تسلط داشتند، بوده باشد.

شواهد جدید نشان می‌دهد که این تصویر ممکن است ناقص باشد. مطالعه‌ای که توسط ستاره‌شناسان دانشگاه آریزونا انجام شده است، نشان می‌دهد که کهکشان‌های اولیه خیلی زودتر از آنچه انتظار می‌رفت، عناصر سنگین‌تری مانند کربن و اکسیژن را به فضای اطراف می‌فرستادند.

«یونگدا ژو»، نویسنده اول مقاله و محقق فوق دکترا در گروه نجوم دانشگاه آریزونا و رصدخانه استوارد، گفت: “ما مشاهده کردیم که عناصر سنگین در اوایل کیهانی از کهکشان‌ها فرار کردند. کهکشان‌ها نه تنها این عناصر را تولید می‌کردند، بلکه آنها را پراکنده نیز می‌کردند و احتمالاً باعث ایجاد کهکشان‌های دیگر می‌شدند.”

چگونه جهان هستی عناصر سنگین‌تر را ساخت

جهان اولیه به جز هیدروژن و هلیوم، دو عنصر ساده در بالای جدول تناوبی، چیز دیگری نداشت. با جمع شدن این مواد توسط گرانش در ابرهای متراکم، ستاره‌ها شروع به شکل‌گیری کردند. درون این ستاره‌ها، گرما و فشار شدید، همجوشی هسته‌ای و سایر واکنش‌هایی را ممکن ساخت که عناصر سنگین‌تری مانند کربن و اکسیژن را ایجاد کردند.

وقتی ستاره‌ها به پایان عمر خود رسیدند، از جمله برخی که به صورت ابرنواختر منفجر شدند، این عناصر را در فضا آزاد کردند. آن مواد بعداً بخشی از نسل‌های جدید ستاره‌ها و سیارات شدند و در نهایت به شیمی مورد نیاز برای حیات کمک کردند. کربن موجود در بدن انسان و اکسیژنی که مردم تنفس می‌کنند، هر دو در نسل‌های اولیه ستاره‌ها تولید شده‌اند.

آنچه نامشخص باقی مانده بود، سرعت فرار این عناصر سنگین‌تر از کهکشان‌های اولیه و پخش شدن آنها در جهان گسترده‌تر بود.

نگاهی به بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش

ژو و همکارانش بر روی سه کهکشان بسیار دوردست تمرکز کردند که نور آنها بیش از ۱۳ میلیارد سال سفر کرده است. مشاهدات نشان می‌دهد، کهکشان‌ها در زمانی تقریباً ۵۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ، یعنی در دوره‌ای به نام «عصر یونیزاسیون مجدد»، ظاهر شدند.

در طول این دوره، نسل‌های اولیه ستارگان و کهکشان‌ها با یونیزه کردن گاز هیدروژن بین کهکشان‌ها، کیهان را تغییر شکل می‌دادند. در این فرآیند، الکترون‌ها از هسته‌های هیدروژن جدا شدند. با پیشرفت یونیزاسیون مجدد، نور فرابنفش توانست آزادانه‌تر در فضا حرکت کند و به پایان دادن به “عصر تاریک” کیهانی کمک کند.

ژو گفت: “ما از خود کهکشان‌ها به عنوان منابع نور پس‌زمینه استفاده کردیم. همانطور که نور کهکشان‌ها به سمت زمین حرکت می‌کرد، از میان گازهای اطراف عبور می‌کرد و ما توانستیم الگوهای جذب نور را برای شناسایی عناصر خاص بررسی کنیم.”

تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا این مشاهدات را به دلیل قابلیت‌های مادون قرمز خود امکان‌پذیر کرد که به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد کهکشان‌ها را همان طور که بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش ظاهر شده‌اند، مطالعه کنند. تقریباً ۳۰ ساعت زمان نوردهی، نور کافی را برای تیم جمع‌آوری کرد تا ویژگی‌های جذب بسیار ضعیف را در طیف کهکشان‌های دور شناسایی کند.

عناصر سنگین از قبل در حال فرار به فضا بودند

در طول یک شب طولانی، ژو به صورت دستی طیف‌های JWST موجود در دسترس عموم را از صدها کهکشان بررسی کرد. او سرانجام سه مورد را شناسایی کرد که الگوهای جذب آنها شواهدی از عناصر سنگین از جمله کربن، اکسیژن و سیلیکون را نشان می‌داد.

خطوط جذب در مقایسه با انتقال به سرخ خود کهکشان‌ها، “انتقال به آبی” داشتند. این انتقال نشان داد که گاز به سمت بیرون حرکت می‌کند و اکسیژن، کربن و سایر عناصر سنگین را از کهکشان‌ها دور کرده و به فضای بین کهکشانی منتقل می‌کند.

نکته قابل توجه این است که امضاهای شیمیایی اطراف این کهکشان‌های نوزاد شبیه به امضاهای شیمیایی یافت شده در اطراف کهکشان‌های بسیار بالغ‌تر، میلیاردها سال بعد، به نظر می‌رسید. این یافته نشان می‌دهد که حتی در سپیده دم کیهانی، کهکشان‌ها در حال تولید عناصر سنگین و پخش آنها در محیط اطراف خود بودند.

ژو گفت: “این عناصر را که از ستاره‌های کهکشان‌ها سرچشمه گرفته‌اند، مانند رنگ خوراکی در نظر بگیرید که در یک فنجان آب ریخته می‌شود. رنگ شروع به پخش شدن در آب می‌کند و به همین ترتیب، این عناصر سنگین از کهکشان‌های اولیه شروع به فرار به فضا و “غنی‌سازی” محیط خود کردند.”

چرخه باریون اولیه، کیهان را تغییر شکل داد

ستاره‌شناسان تبادل مواد به داخل و خارج از کهکشان‌ها را چرخه باریون می‌نامند. این فرآیند نشان می‌دهد که کهکشان‌ها اجسام کاملاً منزوی نیستند. در عوض، آنها با محیط اطراف خود به عنوان بخش‌هایی از یک اکوسیستم کهکشانی بسیار بزرگتر تعامل دارند؛ به طوری که مواد ایجاد شده توسط یک نسل از ستارگان بازیافت و توزیع مجدد می‌شوند.

یافتن شواهدی مبنی بر اینکه چرخه باریون از قبل در آن زمان در حال انجام بوده است، می‌تواند به توضیح یک راز دیرینه در مورد ستارگان جمعیت III نیز کمک کند. تصور می‌شود که این ستارگان فرضی، نسل اول جهان بوده‌اند و از گاز بکر ساخته شده فقط از هیدروژن و هلیوم، قبل از گسترش گسترده عناصر سنگین‌تر، تشکیل شده‌اند.

اگر کهکشان‌ها تنها ۵۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ، فضای نزدیک خود را غنی می‌کردند، گاز واقعاً بکر ممکن است به سرعت ناپدید شده باشد. در نتیجه، ستارگان جمعیت III ممکن است به اندازه کافی طولانی باقی نمانده باشند که به راحتی قابل مشاهده باشند.

ژو گفت: “اگر با بستنی وانیلی خالص شروع کنید اما کمی بعد شروع به مخلوط کردن با چاشنی‌ها کنید، طولی نمی‌کشد که دیگر نمی‌توانید بستنی وانیلی بکر و ساده پیدا کنید.”