کشف «جرم پنهان» در کهکشان‌های اولیه توسط تلسکوپ جیمز وب چگونه قوانین کیهان‌شناسی را بازنویسی می‌کند

هنگامی که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) برای اولین بار تصاویری از کیهان اولیه ارسال کرد، تیترهای خبری به سرعت ادعا کردند که این تلسکوپ کیهان‌شناسی را «شکسته» است. این روایت حاکی از آن بود که JWST کهکشان‌هایی را پیدا کرده که برای وجود در مدت کوتاهی پس از بیگ بنگ (انفجار بزرگ) بیش از حد عظیم هستند و این امر منجر به گمانه‌زنی‌های جسورانه‌ای شد مبنی بر اینکه ممکن است سن خود جهان دو برابر آنچه قبلاً محاسبه شده بود، باشد. اما واقعیت توانایی تلسکوپ، داستانی متفاوت و بسیار دقیق‌تر را روایت می‌کند. جهان «نشکسته» است، بلکه ابزار اندازه‌گیری‌ای که ستاره‌شناسان برای وزن کردن آن استفاده می‌کردند، اساساً معیوب بوده است.[3]

تحلیل جدیدی از داده‌های طیف‌سنجی بسیار دقیق JWST نشان می‌دهد که ناهنجاری واقعی، سن جهان نیست، بلکه جمعیتی نامرئی از ستارگان است که در داخل این کهکشان‌های باستانی پنهان شده‌اند. محققان با خواندن امضاهای شیمیایی و ستاره‌ای کهکشان‌هایی که تا ۱۲ میلیارد سال نوری فاصله دارند، کشف کرده‌اند که شکل‌گیری ستارگان اولیه از قوانین کیهان مدرن پیروی نمی‌کرده است. در عوض، اولین زایشگاه‌های ستاره‌ای جهان با کارایی بی‌رحمانه‌ای عمل می‌کردند که اخترفیزیک مدرن تازه شروع به ترسیم آن کرده است.[1]

برای درک بزرگی این تغییر، باید به نحوه وزن‌کشی واقعی کهکشان‌های دور توسط ستاره‌شناسان نگاه کرد. از آنجایی که حتی قوی‌ترین تلسکوپ‌ها نیز نمی‌توانند تک‌تک ستارگان یک کهکشان در فاصله میلیاردها سال نوری را تفکیک کنند، دانشمندان به یک فرض ریاضی پایه به نام «تابع جرم اولیه» (IMF) تکیه می‌کنند. بر اساس دهه‌ها رصد کهکشان راه شیری خودمان، IMF استاندارد حکم می‌کند که به ازای هر ستاره آبی عظیم و درخشان، تعداد ثابت و قابل پیش‌بینی از ستارگان قرمز کوچک‌تر و کم‌نورتر وجود دارد که جرم کهکشان را تثبیت می‌کنند.[2]

برای دهه‌ها، این IMF راه شیری به عنوان یک ثابت بنیادی اخترفیزیک، به طور جهانی در سراسر فضا و زمان اعمال می‌شد. هنگامی که JWST برای اولین بار کهکشان‌های اولیه را مشاهده کرد، جرم آن‌ها با اندازه‌گیری نور فرابنفش و مرئی روشن آن‌ها و با فرض همین نسبت استاندارد ستارگان کوچک پنهان، تخمین زده شد. اما طیف‌سنج فروسرخ نزدیک (NIRSpec) تلسکوپ جیمز وب قواعد بازی را تغییر داد. این ابزار به ستاره‌شناسان اجازه داد تا از درخشش خیره‌کننده ستارگان غول‌پیکر عبور کرده و امضاهای طیفی ظریف و کم‌نور ستارگان کوچک‌تر را مستقیماً شناسایی کنند و نیاز به فرضیات را از بین ببرند.[1][2]

یافته‌های منتشر شده در مجله «نیچر آسترونومی» تأیید می‌کنند که کهکشان‌های اولیه دارای چیزی هستند که اخترفیزیکدانان آن را «تابع جرم اولیه سنگین در پایین» (bottom-heavy IMF) می‌نامند. به جای توزیع استانداردی که در کیهان محلی مشاهده می‌شود، این سامانه‌های باستانی مملو از ستارگان کم‌جرم بسیار بیشتری نسبت به راه شیری هستند. این جرم پنهان اساساً محاسبات کیهان اولیه را تغییر می‌دهد و ثابت می‌کند که شرایط تولد ستاره‌ای اندکی پس از بیگ بنگ، به طور ریشه‌ای با محیط‌هایی که امروز مشاهده می‌کنیم، متفاوت بوده است.[1][2]

در نظر گرفتن این انبوه ستارگان کوچک و کم‌نور، جرم ستاره‌ای کلی این کهکشان‌های اولیه را تا چهار برابر افزایش می‌دهد. در حالی که این امر معمای فوری محتوای واقعی این ساختارهای کیهانی دوردست را حل می‌کند، اما به شدت تنش با مدل‌های استاندارد کیهان‌شناسی را تشدید می‌کند. ستاره‌شناسان اکنون دقیقاً می‌دانند جرم کجا پنهان شده است، اما با یک مشکل بزرگ‌تر روبرو هستند: توضیح اینکه چگونه این حجم عظیم از جرم توانسته است به این سرعت گرد هم آید.[1]

بر اساس مدل کیهان‌شناسی پذیرفته‌شده «لامبدا-سی‌دی‌ام» (Lambda-CDM)، ماده تاریک طی صدها میلیون سال در چاله‌های گرانشی عظیمی به نام «هاله‌ها» فرو ریخت و در نهایت گاز معمولی کافی را برای آغاز شکل‌گیری ستاره‌ها به درون خود کشید. این مدل یک محدودیت ریاضی سختگیرانه برای میزان ماده باریونی (گاز و ستارگان معمولی) که می‌توانست در یک هاله ماده تاریک در آن دوره اولیه خاص وجود داشته باشد، تعیین می‌کند. به عبارت ساده، مقدار محدودی مواد خام برای ساخت ستارگان در دوران نوزادی جهان در دسترس بوده است.[3]

اگر این کهکشان‌های اولیه واقعاً چهار برابر سنگین‌تر از تصور اولیه باشند، جرم ستاره‌ای آن‌ها به کل ماده باریونی موجود که توسط مدل استاندارد برای هاله‌های میزبانشان پیش‌بینی شده، نزدیک می‌شود یا حتی از نظر ریاضی از آن فراتر می‌رود. این امر نشان‌دهنده سطحی از کارایی در شکل‌گیری ستاره است که در فیزیک کنونی تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسد. این بدان معناست که تقریباً هر اتم گاز موجود بلافاصله به ستاره تبدیل شده و تقریباً هیچ چیز باقی نمانده است – سناریویی که هر آنچه ستاره‌شناسان درباره تکامل کهکشانی می‌دانند را به چالش می‌کشد.[2][3]

برای تثبیت این حجم از جرم در مراحل اولیه تاریخ کیهان، فیزیکدانان نظری مجبور شده‌اند به نقطه شروع بازگردند. یا ماده تاریک بسیار سریع‌تر از آنچه شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای کنونی اجازه می‌دهند، به هم فشرده شده است، یا فرآیند تبدیل گاز خام به ستاره تقریباً ۱۰۰ درصد کارآمد بوده است. این وضعیت در تضاد شدید با کیهان مدرن است، جایی که بادهای ستاره‌ای، تابش‌ها و ابرنواخترها به طور فعال شکل‌گیری ستاره را کند می‌کنند و گاز را قبل از اینکه بتواند در نسل‌های جدید ستاره‌ای فرو بریزد، به بیرون می‌رانند.[3]

فراتر از بحث‌های مهم در مورد کیهان‌شناسی، این کشف پیامدهای عمیقی برای جستجوی سیارات فراخورشیدی و حیات فرازمینی دارد. ستارگان کوچک و کم‌جرم – که اغلب کوتوله‌های سرخ نامیده می‌شوند – رایج‌ترین میزبانان منظومه‌های سیاره‌ای در کیهان مدرن هستند. اگر کیهان اولیه به طور نامتناسبی مملو از این ستارگان کوچک بوده باشد، سیارات سنگی ممکن است بسیار زودتر و در تعداد بسیار بیشتری نسبت به آنچه ستاره‌شناسان قبلاً فرض می‌کردند، شکل گرفته باشند و به طور بالقوه جدول زمانی جهان‌های قابل سکونت را به بیگ بنگ نزدیک‌تر کند.[1]

با وجود ماهیت پیشگامانه این یافته‌ها، حیاتی است که داده‌های طیف‌سنجی تأیید شده را از هیاهوی علمی گسترده‌تر جدا کنیم. ضریب افزایش جرم چهار برابری به طور دقیق در نمونه خاصی از کهکشان‌های عظیم و آرام در انتقال به سرخ بالا تأیید شده است، اما اعمال جهانی آن به هر نقطه نوری که JWST ثبت می‌کند، نیازمند مشاهدات بیشتر است. بررسی‌های میدان عمیق در حال انجام توسط این تلسکوپ مشخص خواهد کرد که آیا این شکل‌گیری ستاره‌ای «سنگین در پایین» یک قانون جهانی در سپیده‌دم زمان بوده یا یک پدیده محلی.[1][2]

در نهایت، تلسکوپ فضایی جیمز وب دقیقاً کاری را انجام می‌دهد که برای آن طراحی شده است: جایگزین کردن فرضیات دیرینه با داده‌های سخت و غیرقابل انکار. این تلسکوپ با آشکار کردن جرم پنهان کیهان اولیه، اخترفیزیک را مجبور به تکامل می‌کند. این کشف ثابت می‌کند که کیهان قادر به ساخت سامانه‌های بالغ و پیچیده بسیار سریع‌تر از آنچه مدل‌های ما پیش‌بینی می‌کردند، بوده است و تضمین می‌کند که بحث در مورد منشأ جهان یکی از پویاترین مرزهای علم مدرن باقی بماند.[3]