کشف نشانه‌هایی از اولین ستارگان جهان

تدبیر24»در سال‌های بسیار دور و تا حدود 400 هزار سال پس از آغاز جهان یا همان بیگ بنگ، جهان تاریک بود. هیچ ستاره یا کهکشانی وجود نداشت و این دنیای تاریک و سوت‌وکور، عمدتاً آکنده از گاز هیدروژن خنثی بود. در 50 تا 100 میلیون سال بعد، گرانش به‌تدریج فضاهای پرچگالی مملو از گازها را به سمت هم کشید، تا زمانی که نهایتاً این فضاهای مملو از گاز از هم فروپاشیدند و اولین ستاره‌های جهان شکل گرفتند. اما این سؤال پیش می‌آید که کدام ستاره‌ها جزو ستاره‌های اولیه بودند و چه زمانی شکل گرفتند و چگونه بر بقیه جهان تأثیر گذاشتند؟

این سؤالات، اخترشناسان و اخترفیزیک‌دانان را به مدت طولانی به فکر فرو برده است. اما اکنون و پس از 12 سال تلاش تجربی، گروهی از دانشمندان، از گروه ASU به رهبری "جود بومن”، ستاره‌شناس مکتشف، آثار اولین ستاره‌ها را در جهان شناسایی کرده‌اند.

در این ردیابی که با استفاده از سیگنال‌های رادیویی انجام‌شده، دانشمندان متوجه شده‌اند که اولین شواهد از قدیمی‌ترین ستارگان در درخت خانواده کیهانی ما، به 180 میلیون سال پس از آغاز جهان بازمی‌گردد.

البته "پیتر کورچینسکی”، رئیس برنامه بنیادی علوم ملی در این خصوص اذعان داشته است که یک چالش فنی بزرگ برای به ثمر رساندن چنین ردیابی‌ای وجود دارد و آن این است که منابع نویز می‌توانند هزار بار شفاف‌تر از سیگنال باشند و این امر همانند آن است که درست در وسط یک طوفان باشید و تلاش کنید تا صدای پر زدن بال‌های یک مرغ مگس‌خوار را بشنوید.

با این‌ حال، این محققان دریافته‌اند که استفاده از یک آنتن رادیویی کوچک در بیابان، کارآمدتر از قوی‌ترین تلسکوپ‌های فضایی عمل خواهد کرد و از این طریق توانسته‌اند پنجره جدیدی رابه‌سوی جهان اولیه باز کنند.

برای پیدا کردن این اثر انگشت، تیم پژوهشی جود بومن، از یک دستگاه زمینی به نام طیف‌سنج رادیویی استفاده کردند که در "رصدخانه نجوم رادیویی Murchison” در "سازمان ملی علوم استرالیا”(CSIRO)واقع در  استرالیای غربی نگهداری می‌شود.

برای تشخیص اثرانگشت EOR جهانی (EDGES)، این تیم میانگین طیف رادیویی تمام سیگنال‌های نجومی دریافت شده در بیشتر نواحی نیمکره جنوبی را اندازه‌گیری کردند و تغییرات کوچک در قدرت آن را به‌عنوان تابعی از طول‌موج یا فرکانس در نظر گرفتند.

همان‌طور که امواج رادیویی وارد آنتن زمینی می‌شدند، توسط گیرنده، تقویت‌شده و سپس توسط رایانه دیجیتالیزه و ضبط می‌شدند و این فرایند درست مانند عملکرد گیرنده‌های رادیو FM و گیرنده‌های تلویزیونی بود. تفاوت بین آن‌ها این است که این ابزارها به نحو بسیار دقیقی کالیبره شده و به نحوی طراحی شده‌اند که تا جایی که ممکن است در بسیاری از طول‌موج‌های رادیویی به‌صورت یکنواخت عمل کنند.

سیگنال‌های شناسایی‌شده توسط طیف‌سنج رادیویی در این مطالعه، از گاز هیدروژن اولیه‌ای که جهان ابتدایی را پر کرده بود و بین تمام ستارگان و در تمام کهکشان‌ها وجود دارد، تشکیل شده است. این سیگنال‌ها اطلاعات فراوانی را در اختیار می‌گذارند که پنجره جدیدی را به‌سوی جهان هستی باز می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه ستاره‌های اولیه - و بعداً، سیاهچاله‌ها و کهکشان‌ها - شکل‌گرفته و تکامل یافته‌اند.

بومن در این خصوص می‌گوید: "بعید است که ما در طول عمر خود،  قادر به مشاهده رویدادهای ابتدایی‌تری در تاریخ تکامل ستاره‌ها باشیم. این ردیابی، سکون رادیویی استثنایی MRO را به‌خصوص به دلیل ویژگی که توسط EDGES یافت شده و محدوده فرکانسی استفاده‌شده توسط ایستگاه‌های رادیویی FM را پوشش می‌دهد، برجسته می‌کند”.  

قوانین ملی استرالیا استفاده از فرستنده‌های رادیویی را به فاصله 161.5 مایل (260 کیلومتری) محدود کرده که این موضوع به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای باعث کاهش تداخلات می‌شود. در غیر این صورت تداخل‌ها می‌توانست مشاهدات نجومی حساس را از بین ببرد.

نتایج این آزمایش، نظرات تئوریک عمومی را در مورد زمان شکل‌گیری ستارگان ابتدایی و اساسی‌ترین خواص ستارگان اولیه تأیید می‌کند.

راجرز، یکی از همکاران بومن از رصدخانه Haystack MIT، در این خصوص می‌گوید: "آنچه در این دوره اتفاق می‌افتد، این است که برخی از تشعشعات ستاره‌های ابتدایی، سبب می‌شوند که هیدروژن قابل‌مشاهده باشد. در واقع هیدروژن شروع به جذب تابش پس‌زمینه می‌کند و همین امر باعث می‌شود تا شما بتوانید آن را در نیمرخ فرکانس‌های رادیویی خاص مشاهده کنید. این اولین سیگنال واقعی است که ستارگان، آن را تشکیل دادند و از طریق آن بر محیط اطراف خود تأثیر نهادند”.

این تیم پژوهشی، ابتدا ابزار خود را به نحوی تنظیم کردند تا بتوانند از طریق آن به جهان کیهانی بنگرند، اما در سال 2015 تصمیم گرفتند تا جستجوی خود را گسترش دهند.

راجز می‌گوید: "با اتخاذ این تصمیم، ما به‌سرعت سیستم خود را به برد کوتاه‌تری تغییر دادیم و چیزهایی را مشاهده کردیم که ممکن است یک نشانه واقعی از ستارگان ابتدایی باشد”.

وی در ادامه سخنانش بیان می‌دارد: "ما در 78 مگاهرتز توانستیم این موضوع را مشاهده کنیم و این فرکانس تقریباً منطبق با 180 میلیون سال پس از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) است و از نظر ردیابی مستقیم سیگنال به‌دست‌آمده از گاز هیدروژن، این باید اولین نشانه باشد. علاوه بر این، این مطالعه نشان داد که گاز موجود در کهکشان احتمالاً بسیار سردتر از حد انتظار است (کمتر از نصف دمای مورد انتظار). این امر نشان می‌دهد که تلاش‌های نظری متخصصین فیزیک نجومی، چیز مهمی را از قلم انداخته و یا می‌تواند اولین شواهد از فیزیک غیراستاندارد باشد. به‌طور خاص، بریون‌ها (ماده طبیعی) ممکن است با ماده تاریک ارتباط برقرار کرده و در آن جهان ابتدایی،  به‌سرعت انرژی خود را به ماده تاریک داده باشند”.

به گفته این محقق، "اگر این ایده تأیید شود، ما می‌توانیم چیزی جدید و اساسی در مورد ماده تاریک مرموز که 85 درصد از جهان را تشکیل می‌دهد، بیاموزیم که سبب ارائه اولین نگاه اجمالی فیزیکی فراتر از مدل استاندارد خواهد شد."

به گفته دانشمندان فوق، گام‌های بعدی در این تحقیق، استفاده از ابزار دیگری برای تأیید ردیابی‌های این تیم و بهبود عملکرد این ابزارهاست، به‌طوری‌که بتوان چیزهای بیشتری در مورد خواص ستاره‌های اولیه آموخت.