علمی، پژوهشی و فناوری

کشف های جدید تلسکوپ جیمز وب: کهکشان های باستانی نظریه های کیهانی را به چالش می کشند

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : از زمان پرتاب، تلسکوپ فضایی جیمز وب، کهکشان‌های اولیه‌ای را شناسایی کرده است که به‌طور غیرمنتظره‌ای درخشان می‌درخشند، که نشان‌دهنده بلوغ سریع و چالش‌برانگیز بودن مدل‌های کیهانی کنونی است.

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ، بزرگترین و پیشرفته ترین تلسکوپ فضایی ساخته شده تاکنون، از زمان پرتابش در دسامبر 2021 تاکنون اکتشافات قابل توجهی انجام داده است. از جمله دستاوردهای آن، شناسایی اولیه ترین و دورترین کهکشان های شناخته شده است که فقط 300 کهکشان را تشکیل داده اند.

 میلیون سال پس از انفجار بزرگ وقتی اجسام دوردست را در فضا مشاهده می کنیم، به گذشته نیز نگاه می کنیم. دلیلش این است که نور این اجرام میلیاردها سال طول می کشد تا به تلسکوپ های ما برسد. از طریق JWST، اخترشناسان چندین تا از این کهکشان‌های باستانی را شناسایی کرده‌اند و نگاهی اجمالی به کیهان به‌عنوان زمانی که اندکی پس از پیدایش آن پدیدار شده است را در اختیار ما قرار می‌دهند.

درخشندگی شگفت انگیز کهکشان های اولیه

داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط JWST به خوبی با نظریه‌های کیهان‌شناسی موجود -مطالعه منشا و تکامل جهان- و شکل‌گیری کهکشان‌ها مطابقت دارد. با این حال، این مشاهدات باعث شگفتی هایی نیز شده است. شایان ذکر است، بسیاری از این کهکشان‌های اولیه بسیار درخشان‌تر از حد انتظار هستند و فرضیات قبلی در مورد روشنایی و فعالیت کهکشان‌ها کمی پس از انفجار بزرگ را به چالش می‌کشند.

تصور می‌شود که کهکشان‌های درخشان‌تر ستاره‌های بیشتری دارند و جرم بیشتری دارند. تصور می شد که زمان بسیار بیشتری برای انجام این سطح از شکل گیری ستاره مورد نیاز است. این کهکشان‌ها همچنین دارای سیاهچاله‌های در حال رشد فعال در مرکز خود هستند - نشانه‌ای از اینکه این اجرام به سرعت پس از انفجار بزرگ بالغ شدند. پس چگونه می توانیم این یافته های شگفت انگیز را توضیح دهیم؟ آیا آنها ایده های ما را در مورد کیهان شناسی می شکنند یا نیاز به تغییر در سن جهان دارند؟

رمز و راز انرژی تاریک و ماده تاریک

انرژی تاریک حدود 68 درصد از انرژی کل جهان امروزی را تشکیل می دهد.

علیرغم اینکه ماده تاریک به طور مستقیم با ابزارهای علمی قابل مشاهده نیست، تصور می شود که بیشتر ماده کیهان را تشکیل می دهد و حدود 27 درصد از کل جرم و انرژی کیهان را شامل می شود.

در حالی که ماده تاریک و انرژی تاریک مرموز باقی می مانند، مدل ΛCDM کیهان شناسی توسط طیف گسترده ای از مشاهدات دقیق پشتیبانی می شود. اینها شامل اندازه گیری انبساط کیهان، پس زمینه مایکروویو کیهانی یا CMB ("پس درخشش" بیگ بنگ) و توسعه کهکشان ها و توزیع در مقیاس بزرگ آنها - برای مثال، روشی که کهکشان ها با هم خوشه می شوند.

مدل ΛCDM زمینه را برای درک ما از چگونگی شکل گیری و تکامل کهکشان ها فراهم می کند. به عنوان مثال، CMB که حدود 380000 سال پس از انفجار بزرگ منتشر شد ، تصویری از نوسانات اولیه چگالی که در کیهان اولیه رخ داده است را ارائه می دهد. این نوسانات، به ویژه در ماده تاریک، در نهایت به ساختارهایی که امروزه مشاهده می کنیم، مانند کهکشان ها و ستارگان، تبدیل شدند.

نقش بازخورد ستاره ای در شکل گیری کهکشان

شکل‌گیری کهکشان شامل فرآیندهای پیچیده‌ای است که تحت تأثیر پدیده‌های مختلف فیزیکی متعددی قرار دارند. برخی از این مکانیسم‌ها به‌طور کامل شناخته نشده‌اند، مانند اینکه چه فرآیندهایی بر چگونگی سرد شدن و متراکم شدن گاز در کهکشان‌ها برای تشکیل ستاره‌ها نظارت می‌کنند.

اثرات ابرنواخترها، بادهای ستاره‌ای و سیاه‌چاله‌هایی که مقادیر قابل توجهی انرژی از خود ساطع می‌کنند (که گاهی اوقات هسته‌های فعال کهکشانی یا AGN نامیده می‌شوند ) همگی می‌توانند گاز را از کهکشان‌ها گرم یا بیرون کنند. این به نوبه خود می تواند تشکیل ستاره ها را تقویت یا کاهش دهد و بنابراین بر رشد کهکشان ها تأثیر بگذارد.

کارایی و مقیاس این "فرایندهای بازخورد"، و همچنین تأثیر تجمعی آنها در طول زمان، به خوبی درک نشده است. آنها منبع مهمی از عدم قطعیت در مدل‌های ریاضی یا شبیه‌سازی شکل‌گیری کهکشان‌ها هستند.

پیشرفت در شبیه سازی شکل گیری کهکشان

پیشرفت های قابل توجهی در شبیه سازی های عددی پیچیده شکل گیری کهکشان ها در ده سال گذشته انجام شده است. هنوز هم می‌توان از شبیه‌سازی‌ها و مدل‌های ساده‌تری که تشکیل ستاره‌ها را به تکامل هاله‌های ماده تاریک مرتبط می‌کند، بینش و نکاتی به دست آورد. این هاله‌ها ساختارهای عظیم و نامرئی هستند که از ماده تاریک ساخته شده‌اند که به طور موثر کهکشان‌ها را درون خود لنگر می‌اندازند.

یکی از مدل‌های ساده‌تر شکل‌گیری کهکشان‌ها فرض می‌کند که سرعت شکل‌گیری ستارگان در یک کهکشان مستقیماً با گازی که به آن کهکشان‌ها جریان می‌یابد مرتبط است. این مدل همچنین پیشنهاد می کند که سرعت تشکیل ستاره در یک کهکشان متناسب با سرعت رشد هاله های ماده تاریک است. بدون در نظر گرفتن زمان کیهانی، کارایی ثابتی در تبدیل گاز به ستاره در نظر می گیرد.

این مدل «بازده تشکیل ستاره ثابت» با افزایش چشمگیر تشکیل ستاره در اولین میلیارد سال پس از انفجار بزرگ سازگار است. رشد سریع هاله‌های ماده تاریک در این دوره، شرایط لازم را برای کهکشان‌ها فراهم می‌کرد تا ستاره‌ها را به طور موثر تشکیل دهند. علیرغم سادگی آن، این مدل طیف وسیعی از مشاهدات واقعی را با موفقیت پیش بینی کرده است، از جمله سرعت کلی تشکیل ستاره در طول زمان کیهانی.

اسرار اولین کهکشان ها
JWST عصر جدیدی از اکتشافات را آغاز کرده است. با ابزار پیشرفته خود، تلسکوپ فضایی می تواند هم تصاویر دقیق و هم طیف های با وضوح بالا را ثبت کند - نمودارهایی که شدت تابش الکترومغناطیسی ساطع یا جذب شده توسط اجرام در آسمان را نشان می دهد. برای JWST، این طیف ها در ناحیه مادون قرمز نزدیک طیف الکترومغناطیسی هستند. مطالعه این منطقه برای رصد کهکشان‌های اولیه که نور نوری آن‌ها با انبساط جهان به فروسرخ نزدیک (یا "انتقال به سرخ") تبدیل شده است، بسیار مهم است.

Redshift توضیح می‌دهد که چگونه طول موج‌های نور کهکشان‌ها در حین حرکت کشیده می‌شوند. هر چه فاصله یک کهکشان بیشتر باشد، انتقال به سرخ آن بیشتر است.

در طول دو سال گذشته، JWST کهکشان‌هایی را در جابه‌جایی‌های سرخ با مقادیر بین ده تا ۱۵ شناسایی و مشخص کرده است . کوادریلیون کیلومتر، عرض). هر کدام از حدود 100 میلیون ستاره تشکیل شده اند و ستاره های جدیدی را با سرعتی در حدود یک ستاره خورشید مانند در سال تشکیل می دهند.

در حالی که این خیلی چشمگیر به نظر نمی رسد، به این معنی است که این سیستم ها محتوای ستاره های خود را در عرض تنها 100 میلیون سال دو برابر می کنند. برای مقایسه، کهکشان راه شیری ما حدود 25 میلیارد سال طول می کشد تا جرم ستاره ای خود را دو برابر کند.

شکل گیری اولیه کهکشان

یافته‌های شگفت‌انگیز JWST از کهکشان‌های درخشان در جابه‌جایی‌های قرمز یا فواصل زیاد، می‌تواند نشان دهد که این کهکشان‌ها پس از انفجار بزرگ سریع‌تر از حد انتظار بالغ شدند. این مهم است زیرا مدل های موجود تشکیل کهکشان ها را به چالش می کشد. مدل ثابت بازده تشکیل ستاره که در بالا توضیح داده شد، اگرچه در توضیح بیشتر آنچه می‌بینیم مؤثر است، اما تلاش می‌کند تا تعداد زیادی کهکشان‌های درخشان و دور را که با یک انتقال به سرخ بیش از ده با انتقال به سرخ بیش از ده مشاهده شده است، توضیح دهد.

برای رفع این مشکل، دانشمندان در حال بررسی احتمالات مختلف هستند. اینها شامل تغییراتی در تئوری های آنها در مورد چگونگی تبدیل گاز به ستاره به ستاره در طول زمان است. آنها همچنین در حال بررسی اهمیت نسبی فرآیندهای بازخوردی هستند - اینکه چگونه پدیده هایی مانند ابرنواخترها و سیاهچاله ها نیز به تنظیم شکل گیری ستاره کمک می کنند.

برخی نظریه‌ها نشان می‌دهند که شکل‌گیری ستارگان در کیهان اولیه ممکن است شدیدتر یا «ترک‌زده‌تر» از آنچه قبلاً تصور می‌شد بوده باشد، که منجر به رشد سریع این کهکشان‌های اولیه و درخشندگی ظاهری آنها شده است.

دیگران پیشنهاد می‌کنند که عوامل مختلفی مانند مقادیر کمتر غبار کهکشانی، توزیع سنگین توده‌های ستاره‌ای، یا مشارکت پدیده‌هایی مانند سیاه‌چاله‌های فعال، می‌توانند عامل روشنایی غیرمنتظره این کهکشان‌های اولیه باشند.

تعدیل های نظری در کیهان شناسی

این توضیحات تغییراتی را در فیزیک تشکیل کهکشان ها به منظور توضیح یافته های JWST فرا می خوانند. اما دانشمندان همچنین تغییراتی را در نظریه های کیهان شناسی گسترده در نظر گرفته اند. به عنوان مثال، فراوانی کهکشان های اولیه و درخشان را می توان تا حدی با تغییر به چیزی به نام طیف قدرت ماده توضیح داد. این راهی برای توصیف تفاوت های چگالی در جهان است.

یکی از مکانیسم های ممکن برای دستیابی به این تغییر در طیف قدرت ماده، پدیده ای نظری به نام « انرژی تاریک اولیه » است. این ایده این است که یک منبع انرژی کیهانی جدید با شباهت به انرژی تاریک ممکن است در زمان های اولیه وجود داشته باشد، در یک انتقال به سرخ 3000. این قبل از انتشار CMB و فقط 380000 سال پس از انفجار بزرگ است.

این انرژی تاریک اولیه به سرعت پس از مرحله تکامل کیهان که به عنوان نوترکیبی شناخته می شود، از بین می رفت. جالب است که انرژی تاریک اولیه همچنین می‌تواند تنش هابل را کاهش دهد - یک اختلاف بین تخمین‌های مختلف از سن جهان.

یک مقاله منتشر شده در سال 2023 نشان می‌دهد که یافته‌های کهکشانی از JWST دانشمندان را ملزم می‌کند که عمر کیهان را چندین میلیارد سال افزایش دهند.

با این حال، پدیده‌های دیگری می‌توانند دلیل کهکشان‌های درخشان باشند. قبل از اینکه از مشاهدات JWST برای فراخوانی تغییرات در ایده های گسترده کیهان شناسی استفاده شود، درک دقیق تری از فرآیندهای فیزیکی در کهکشان ها ضروری است.

چالش های مشاهده ای و چشم اندازهای آینده
رکورددار کنونی دورترین کهکشان - که توسط JWST شناسایی شده است - JADES-GS-z14-0 نام دارد . داده‌های جمع‌آوری‌شده تاکنون نشان می‌دهد که این کهکشان‌ها دارای تنوع زیادی از خواص مختلف هستند.

برخی کهکشان‌ها نشانه‌هایی از میزبانی سیاه‌چاله‌هایی دارند که انرژی ساطع می‌کنند، در حالی که به نظر می‌رسد برخی دیگر با میزبانی از جمعیت‌های جوان و عاری از غبار ستاره‌ها سازگار هستند. از آنجایی که این کهکشان ها کم نور هستند و رصد آنها پرهزینه است (زمان نوردهی چندین ساعت طول می کشد)، تا به امروز تنها 20 کهکشان که انتقال به سرخ آنها بیش از 10 است با طیف سنجی مشاهده شده است و ساختن یک نمونه آماری سال ها طول می کشد.

یک زاویه حمله متفاوت می تواند مشاهدات کهکشان ها در زمان های کیهانی بعدی باشد، زمانی که جهان 1 تا 2 میلیارد سال سن داشت (تغییرهای قرمز بین 3 تا 9). قابلیت‌های JWST به محققان امکان دسترسی به شاخص‌های حیاتی از ستاره‌ها و گاز در این اجرام را می‌دهد که می‌توانند برای محدود کردن تاریخچه شکل‌گیری کهکشان‌ها مورد استفاده قرار گیرند.

شکستن کیهان؟

در سال اول فعالیت JWST، ادعا شد که برخی از کهکشان های اولیه دارای جرم ستاره ای بسیار بالایی هستند (توده ستارگان موجود در آنها) و تغییری در کیهان شناسی برای تطبیق کهکشان های درخشانی که در اوایل جهان وجود داشته اند، مورد نیاز است. آنها حتی کهکشان‌های «جهان‌شکن» نامیده شدند .

به زودی پس از آن، مشخص شد که این کهکشان ها جهان را نمی شکنند، اما خواص آنها را می توان با طیف وسیعی از پدیده های مختلف توضیح داد. داده های رصدی بهتر نشان داد که فاصله برخی از اجرام بیش از حد تخمین زده شده است (که منجر به تخمین بیش از حد جرم ستاره ای آنها شد).

تابش نور از این کهکشان ها می تواند توسط منابعی غیر از ستارگان، مانند برافزایش سیاهچاله ها تامین شود. مفروضات در مدل‌ها یا شبیه‌سازی‌ها نیز می‌تواند منجر به سوگیری در جرم کل ستارگان در این کهکشان‌ها شود.

همانطور که JWST به ماموریت خود ادامه می دهد، به دانشمندان کمک می کند تا مدل های خود را اصلاح کنند و به برخی از اساسی ترین سؤالات در مورد منشا کیهانی ما پاسخ دهند. این باید اسرار بیشتری در مورد اولین روزهای جهان، از جمله پازل این کهکشان های درخشان و دور را باز کند.