نخستین ستارگان کیهان در تیررس تلسکوپ‌ها
چشمان جیمزوب تا ژرفای کهکشان‌های نخستین را می‌کاود
پل ساتر . ترجمه: بابک فرهادی
شاید بزرگ‌ترین دستاورد صد سال گذشته در زمینه بررسی عالم آن باشد که دریافتیم کیهان ما با گذشت زمان تغییر می‌کند و تحول می‌یابد. این تغییر و تحول فقط در روش‌های جزئی، ناچیز و بی‌اهمیت مانند حرکت ستاره‌ها، رمبش ابرهای گازی و مرگ ستاره‌های بسیار بزرگ در انفجارهای فاجعه‌بار نیست. نه، منظور این نیست، بلکه منظور آن است که ماهیت بنیادی کل کیهان ما در گذشته‌های دور، چندین بار تغییر کرده است و وضعیت درونی آن در مقیاس جهانی (در بزرگ‌ترین مقیاس آن، یعنی در مقیاس کیهانی)، کاملا تغییر یافته است. برای مثال این واقعیت را در نظر بگیرید که در گذشته‌ای مه‌آلود که به دشواری بتوان آن را به‌خاطر آورد، هیچ ستاره‌ای وجود نداشت.
پیش از نخستین نورها
ما این واقعیت محض را به دلیل وجود پس‌زمینه ریزموج کیهانی (cosmic microwave background=CMB) می‌دانیم. پس‌زمینه ریزموج کیهانی، استخری از پرتوهای ضعیف اما پیوسته و مداومی است که کل عالم را فراگرفته است. اگر اتفاقی با یک فوتون (یعنی یک ذره نور) روبه‌رو شدید، به احتمال زیاد، آن فوتون از پس‌زمینه ریزموج کیهانی است. این نورها، تشکیل‌دهنده بیش از 99.99 درصد کل تابش موجود در عالم است. این پرتو، یادگاری است از زمانی که عالم فقط 270 هزار سال عمر داشت و از یک پلاسمای داغ و جوشان به سوپی خنثی (بدون بار مثبت یا منفی) تبدیل شد. این تبدیل، باعث انتشار تابش گرم سفیدی شد که با خنک‌شدن طی 13.8 میلیارد سال و کشیده‌شدن و تبدیل‌شدن به ریزموج، نور پس‌زمینه‌ای را پدید آورد که امروزه می‌توانیم آن را تشخیص دهیم. در زمان انتشار تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی، حجم عالم حدود یک‌میلیونیم حجم فعلی و دمایش، هزاران برابر دمای کنونی بود. علاوه بر این، کیهان تقریبا کاملا یکنواخت بود و اختلاف چگالی آن از یک قسمت در صد هزار قسمت بیشتر نبود. بنابراین، در چنین وضعیتی هیچ ستاره‌ای وجود نداشت.
عصر تاریکی
طی میلیون‌ها سال پس از انتشار پس‌زمینه ریزموج کیهانی (که به دلیل سوءتفاهم تاریخی در مورد دوران‌های پیش از آن، در محافل نجومی با عنوان «بازترکیب» شناخته می‌شود)، عالم در وضعیت عجیبی قرار داشت. استخر پیوسته و مداوم تابش سفیدگرم، همچنان وجود داشت، اما با ادامه گسترش بی‌امان کیهان، این تابش به سرعت سرد می‌شد. البته ماده تاریک هم وجود داشت که سرگرم کار خودش بود. در این زمان گاز خنثی هم وجود داشت که تقریبا به‌طور کامل شامل هیدروژن و هلیوم بود که سرانجام از دست تابش رها شد و توانست هرکاری که دلش می‌خواهد، انجام دهد. آن کاری که دلش می‌خواست انجام دهد، این بود که هر چه بیشتر با خودش و هم‌نوعانش باشد. خوشبختانه برای بودن در کنار هم‌نوعان، کار چندان سختی هم در پیش نداشت: در عالم اولیه، اختلال‌‌های کوانتومی میکروسکوپی مرتب، بزرگ‌تر و اختلاف‌های کمی در تراکم یا چگالی را موجب شدند. (اما اینکه چرا چنین چیزی روی داده، موضوعی است که باید در فرصتی دیگر به آن پرداخت). این اختلاف بسیار ناچیز چگالی، بر انبساط بزرگ کیهان‌شناختی تأثیر نگذاشته است، اما بر وضعیت هیدروژن خنثی تأثیر داشته است. هر ناحیه‌ای که کمی متراکم‌تر از مقدار
متوسط بود (حتی به اندازه یک ذره، یک ذره کوچک) کشش گرانشی کمی بزرگ‌تری نسبت به اطرافیان خود داشت. این کشش گرانشی تقویت‌شده، گاز بیشتری را جذب این توده می‌کند که باعث می‌شود نیروی کشش گرانشی باز هم بیشتر شود و ماده بیشتری را جذب خود کند و این چرخه همچنان ادامه یافت. درست مثل صدای بلند موسیقی در یک میهمانی که باعث جلب نظر بیشتر تماشاگران می‌شود، گازهای غلیظ در طول میلیون‌ها سال، باز هم غلیظ‌تر و گازهای رقیق، باز هم رقیق‌تر می‌شدند. صرفا به دلیل وجود جاذبه گرانشی، اختلاف بسیار کم در چگالی تشدید شد و اولین توده‌های بسیار بزرگ ماده پدید آمد و محیط اطراف آنها را از ماده تخلیه کرد.
سپیده‌دم کیهانی
یک‌روزی، در یک‌جایی مقداری هیدروژن خنثی، آن‌قدر خوش‌اقبال بود که توانست لایه‌لایه اتم‌های هیدروژن را روی هم انباشته کند و روی لایه‌های بسیار بزرگ قبلی قرار دهد، به طوری که هسته درونی آن به دما و چگالی بحرانی رسید و هسته‌های اتم طی فرایندهای پیچیده، در واکنش همجوشی هسته‌ای شرکت کرد و مواد اولیه (هیدروژن) به هلیوم تبدیل شد. آن واکنش هسته‌ای شدید، مقداری انرژی نیز آزاد کرد و بدین ترتیب بود که در چشم‌برهم‌زدنی، اولین ستاره متولد شد. بدین‌ترتیب، برای اولین‌بار پس از انفجار بزرگ، واکنش‌های هسته‌ای در عالم ما اتفاق افتاد و منابع جدید نور، نقطه نقطه کیهان را روشن کردند و فضایی که زمانی خالی بود، به یکباره انباشته از نور شد. البته دقیقا مطمئن نیستیم که این رویداد مهم چه زمانی رخ داده است. مشاهده این دوره از سرگذشت عالم، بسیار دشوار است. زیرا فاصله‌های زیاد کیهان‌شناختی مانع از آن می‌شود که حتی قدرتمندترین تلسکوپ‌ها بتوانند نخستین نورها را مشاهده کنند. آنچه باعث بدترشدن وضعیت می‌شود این است که عالم اولیه تقریبا کاملا خنثی بود و در وهله اول، گاز خنثی نور چندانی گسیل نمی‌کند. (البته مگر تا زمانی که چندین نسل از
ستاره‌ها کنار یکدیگر قرار گرفته و کهکشان‌هایی را تشکیل دادند که در این صورت می‌توان به تصویر مبهمی از این عصر مهم دست یافت). گمان می‌رود که اولین ستاره‌ها چند صد میلیون سال پس از آغاز عالم، شکل گرفته‌اند. از وقتی که ما مشاهده مستقیم کهکشان‌ها، هسته‌های فعال کهکشانی و حتی سرآغاز خوشه‌های کهکشان‌ها (عظیم‌ترین ساختارهایی که سرانجام در عالم به‌وجود می‌آیند) را آغاز کردیم، زمان چندانی نگذشته است. اولین ستاره‌ها نیز مدتی پیش از این رویدادها، شکل گرفتند، اما این ستارگان، خیلی زود هم پدید نیامدند، زیرا وضعیت پر جوش و خروش و پرتلاطم عالم نوپدید، از شکل‌گیری ستارگان پیشگیری می‌کرد.
ورای افق
اگرچه تلسکوپ فضایی جیمزوب (که در سال‌های آینده کارش را شروع می‌کند)، می‌تواند کهکشان‌های اولیه را با دقت بسیار عالی مشخص کند و داده‌های زیادی در مورد عالم اولیه ارائه دهد، اما از آنجا که میدان دید آن باریک است، این تلسکوپ هم تصویری کلی از این دوران به ما عرضه نمی‌کند. دانشمندان امیدوارند که شاید کهکشان‌های اولیه حاوی بقایای اولین ستاره‌ها (یا حتی خود ستاره‌ها) باشد، باید صبر کنیم و (به معنای واقعی کلمه) ببینیم. راه دیگر برای رمزگشایی از سرآغازهای کیهان، بررسی رفتار غافلگیرکننده هیدروژن خنثی است. هنگامی که اسپین کوانتومی الکترون و پروتون به طور تصادفی تغییر می‌کند، هیدروژن تابشی با طول موج بسیار خاص، یعنی طول موج 21 سانتی‌متر منتشر می‌کند. این تابش به ما امکان می‌دهد توده‌های هیدروژن خنثی را در کهکشان راه‌شیری امروزی ردیابی کنیم، اما مسافت بسیار زیاد تا عصر سپیده‌دم کیهانی چالش دیگری را پدید می‌آورد. مشکل این است که عالم از آن دوران بسیار دور، گسترش یافته است که باعث می‌شود تمام تابش‌های بین کهکشانی کشیده شده و طول موج‌‌شان بزرگ‌تر شود. امروزه طول موج این سیگنال هیدروژن خنثی اولیه حدود دو متر است، یعنی
سیگنال در باندهای رادیویی قرار می‌گیرد. بسیاری چیزهای دیگر عالم (ازجمله ابرنواخترها، میدان‌های مغناطیسی کهکشانی، قمرها) در همان فرکانس هستند و سیگنال‌های ضعیف سال‌های اولیه عالم را پنهان می‌کنند. هم‌اکنون چندین مأموریت در سراسر کره زمین در حال انجام است که هدفشان این است که از کار آن سیگنال جالب سپیده‌دم کیهانی سر درآورند و اولین زمزمه‌ها را از دل صداهای ناهنجار امروزی بیرون بیاورند و تولد اولین ستاره‌ها را آشکار کنند. اما در حال حاضر، فقط باید صبر کنیم و گوش فرادهیم.
www.Space.com
شاید بزرگ‌ترین دستاورد صد سال گذشته در زمینه بررسی عالم آن باشد که دریافتیم کیهان ما با گذشت زمان تغییر می‌کند و تحول می‌یابد. این تغییر و تحول فقط در روش‌های جزئی، ناچیز و بی‌اهمیت مانند حرکت ستاره‌ها، رمبش ابرهای گازی و مرگ ستاره‌های بسیار بزرگ در انفجارهای فاجعه‌بار نیست. نه، منظور این نیست، بلکه منظور آن است که ماهیت بنیادی کل کیهان ما در گذشته‌های دور، چندین بار تغییر کرده است و وضعیت درونی آن در مقیاس جهانی (در بزرگ‌ترین مقیاس آن، یعنی در مقیاس کیهانی)، کاملا تغییر یافته است. برای مثال این واقعیت را در نظر بگیرید که در گذشته‌ای مه‌آلود که به دشواری بتوان آن را به‌خاطر آورد، هیچ ستاره‌ای وجود نداشت.
پیش از نخستین نورها
ما این واقعیت محض را به دلیل وجود پس‌زمینه ریزموج کیهانی (cosmic microwave background=CMB) می‌دانیم. پس‌زمینه ریزموج کیهانی، استخری از پرتوهای ضعیف اما پیوسته و مداومی است که کل عالم را فراگرفته است. اگر اتفاقی با یک فوتون (یعنی یک ذره نور) روبه‌رو شدید، به احتمال زیاد، آن فوتون از پس‌زمینه ریزموج کیهانی است. این نورها، تشکیل‌دهنده بیش از 99.99 درصد کل تابش موجود در عالم است. این پرتو، یادگاری است از زمانی که عالم فقط 270 هزار سال عمر داشت و از یک پلاسمای داغ و جوشان به سوپی خنثی (بدون بار مثبت یا منفی) تبدیل شد. این تبدیل، باعث انتشار تابش گرم سفیدی شد که با خنک‌شدن طی 13.8 میلیارد سال و کشیده‌شدن و تبدیل‌شدن به ریزموج، نور پس‌زمینه‌ای را پدید آورد که امروزه می‌توانیم آن را تشخیص دهیم. در زمان انتشار تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی، حجم عالم حدود یک‌میلیونیم حجم فعلی و دمایش، هزاران برابر دمای کنونی بود. علاوه بر این، کیهان تقریبا کاملا یکنواخت بود و اختلاف چگالی آن از یک قسمت در صد هزار قسمت بیشتر نبود. بنابراین، در چنین وضعیتی هیچ ستاره‌ای وجود نداشت.
عصر تاریکی
طی میلیون‌ها سال پس از انتشار پس‌زمینه ریزموج کیهانی (که به دلیل سوءتفاهم تاریخی در مورد دوران‌های پیش از آن، در محافل نجومی با عنوان «بازترکیب» شناخته می‌شود)، عالم در وضعیت عجیبی قرار داشت. استخر پیوسته و مداوم تابش سفیدگرم، همچنان وجود داشت، اما با ادامه گسترش بی‌امان کیهان، این تابش به سرعت سرد می‌شد. البته ماده تاریک هم وجود داشت که سرگرم کار خودش بود. در این زمان گاز خنثی هم وجود داشت که تقریبا به‌طور کامل شامل هیدروژن و هلیوم بود که سرانجام از دست تابش رها شد و توانست هرکاری که دلش می‌خواهد، انجام دهد. آن کاری که دلش می‌خواست انجام دهد، این بود که هر چه بیشتر با خودش و هم‌نوعانش باشد. خوشبختانه برای بودن در کنار هم‌نوعان، کار چندان سختی هم در پیش نداشت: در عالم اولیه، اختلال‌‌های کوانتومی میکروسکوپی مرتب، بزرگ‌تر و اختلاف‌های کمی در تراکم یا چگالی را موجب شدند. (اما اینکه چرا چنین چیزی روی داده، موضوعی است که باید در فرصتی دیگر به آن پرداخت). این اختلاف بسیار ناچیز چگالی، بر انبساط بزرگ کیهان‌شناختی تأثیر نگذاشته است، اما بر وضعیت هیدروژن خنثی تأثیر داشته است. هر ناحیه‌ای که کمی متراکم‌تر از مقدار
متوسط بود (حتی به اندازه یک ذره، یک ذره کوچک) کشش گرانشی کمی بزرگ‌تری نسبت به اطرافیان خود داشت. این کشش گرانشی تقویت‌شده، گاز بیشتری را جذب این توده می‌کند که باعث می‌شود نیروی کشش گرانشی باز هم بیشتر شود و ماده بیشتری را جذب خود کند و این چرخه همچنان ادامه یافت. درست مثل صدای بلند موسیقی در یک میهمانی که باعث جلب نظر بیشتر تماشاگران می‌شود، گازهای غلیظ در طول میلیون‌ها سال، باز هم غلیظ‌تر و گازهای رقیق، باز هم رقیق‌تر می‌شدند. صرفا به دلیل وجود جاذبه گرانشی، اختلاف بسیار کم در چگالی تشدید شد و اولین توده‌های بسیار بزرگ ماده پدید آمد و محیط اطراف آنها را از ماده تخلیه کرد.
سپیده‌دم کیهانی
یک‌روزی، در یک‌جایی مقداری هیدروژن خنثی، آن‌قدر خوش‌اقبال بود که توانست لایه‌لایه اتم‌های هیدروژن را روی هم انباشته کند و روی لایه‌های بسیار بزرگ قبلی قرار دهد، به طوری که هسته درونی آن به دما و چگالی بحرانی رسید و هسته‌های اتم طی فرایندهای پیچیده، در واکنش همجوشی هسته‌ای شرکت کرد و مواد اولیه (هیدروژن) به هلیوم تبدیل شد. آن واکنش هسته‌ای شدید، مقداری انرژی نیز آزاد کرد و بدین ترتیب بود که در چشم‌برهم‌زدنی، اولین ستاره متولد شد. بدین‌ترتیب، برای اولین‌بار پس از انفجار بزرگ، واکنش‌های هسته‌ای در عالم ما اتفاق افتاد و منابع جدید نور، نقطه نقطه کیهان را روشن کردند و فضایی که زمانی خالی بود، به یکباره انباشته از نور شد. البته دقیقا مطمئن نیستیم که این رویداد مهم چه زمانی رخ داده است. مشاهده این دوره از سرگذشت عالم، بسیار دشوار است. زیرا فاصله‌های زیاد کیهان‌شناختی مانع از آن می‌شود که حتی قدرتمندترین تلسکوپ‌ها بتوانند نخستین نورها را مشاهده کنند. آنچه باعث بدترشدن وضعیت می‌شود این است که عالم اولیه تقریبا کاملا خنثی بود و در وهله اول، گاز خنثی نور چندانی گسیل نمی‌کند. (البته مگر تا زمانی که چندین نسل از
ستاره‌ها کنار یکدیگر قرار گرفته و کهکشان‌هایی را تشکیل دادند که در این صورت می‌توان به تصویر مبهمی از این عصر مهم دست یافت). گمان می‌رود که اولین ستاره‌ها چند صد میلیون سال پس از آغاز عالم، شکل گرفته‌اند. از وقتی که ما مشاهده مستقیم کهکشان‌ها، هسته‌های فعال کهکشانی و حتی سرآغاز خوشه‌های کهکشان‌ها (عظیم‌ترین ساختارهایی که سرانجام در عالم به‌وجود می‌آیند) را آغاز کردیم، زمان چندانی نگذشته است. اولین ستاره‌ها نیز مدتی پیش از این رویدادها، شکل گرفتند، اما این ستارگان، خیلی زود هم پدید نیامدند، زیرا وضعیت پر جوش و خروش و پرتلاطم عالم نوپدید، از شکل‌گیری ستارگان پیشگیری می‌کرد.
ورای افق
اگرچه تلسکوپ فضایی جیمزوب (که در سال‌های آینده کارش را شروع می‌کند)، می‌تواند کهکشان‌های اولیه را با دقت بسیار عالی مشخص کند و داده‌های زیادی در مورد عالم اولیه ارائه دهد، اما از آنجا که میدان دید آن باریک است، این تلسکوپ هم تصویری کلی از این دوران به ما عرضه نمی‌کند. دانشمندان امیدوارند که شاید کهکشان‌های اولیه حاوی بقایای اولین ستاره‌ها (یا حتی خود ستاره‌ها) باشد، باید صبر کنیم و (به معنای واقعی کلمه) ببینیم. راه دیگر برای رمزگشایی از سرآغازهای کیهان، بررسی رفتار غافلگیرکننده هیدروژن خنثی است. هنگامی که اسپین کوانتومی الکترون و پروتون به طور تصادفی تغییر می‌کند، هیدروژن تابشی با طول موج بسیار خاص، یعنی طول موج 21 سانتی‌متر منتشر می‌کند. این تابش به ما امکان می‌دهد توده‌های هیدروژن خنثی را در کهکشان راه‌شیری امروزی ردیابی کنیم، اما مسافت بسیار زیاد تا عصر سپیده‌دم کیهانی چالش دیگری را پدید می‌آورد. مشکل این است که عالم از آن دوران بسیار دور، گسترش یافته است که باعث می‌شود تمام تابش‌های بین کهکشانی کشیده شده و طول موج‌‌شان بزرگ‌تر شود. امروزه طول موج این سیگنال هیدروژن خنثی اولیه حدود دو متر است، یعنی
سیگنال در باندهای رادیویی قرار می‌گیرد. بسیاری چیزهای دیگر عالم (ازجمله ابرنواخترها، میدان‌های مغناطیسی کهکشانی، قمرها) در همان فرکانس هستند و سیگنال‌های ضعیف سال‌های اولیه عالم را پنهان می‌کنند. هم‌اکنون چندین مأموریت در سراسر کره زمین در حال انجام است که هدفشان این است که از کار آن سیگنال جالب سپیده‌دم کیهانی سر درآورند و اولین زمزمه‌ها را از دل صداهای ناهنجار امروزی بیرون بیاورند و تولد اولین ستاره‌ها را آشکار کنند. اما در حال حاضر، فقط باید صبر کنیم و گوش فرادهیم.
www.Space.com