رشد شگفت‌انگیز کهکشان‌ها در ابتدای جهان کشف شد

رشد کهکشان‌ها در اوایل جهان با تلسکوپ فضایی جیمز وب

ستاره‌شناسان با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ناسا/آژانس فضایی اروپا، به مشاهده رشد «از درون به بیرون» یک کهکشان در اوایل جهان پرداخته‌اند که تنها ۷۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ رخ داده است. این کهکشان صد برابر کوچکتر از کهکشان راه شیری است، اما به طرز شگفت‌انگیزی در این مرحله زودهنگام از تاریخ جهان، بسیار بالغ به نظر می‌رسد.

مانند یک شهر بزرگ، این کهکشان دارای مجموعه‌ای متراکم از ستاره‌ها در هسته خود است، اما در «حومه‌های کهکشانی» تراکم کمتری دارد. همچنین، این کهکشان در حال گسترش است و سرعت تشکیل ستاره‌ها در حاشیه‌های آن افزایش یافته است. این اولین بار است که رشد کهکشان‌ها به صورت «از درون به بیرون» در این مقیاس زمانی شناسایی می‌شود. تا پیش از تلسکوپ وب، مطالعه رشد کهکشان‌ها در این مرحله زودهنگام از تاریخ جهان امکان‌پذیر نبود.

اگرچه تصاویری که با تلسکوپ وب به دست آمده‌اند، نمایی از یک لحظه در زمان را نشان می‌دهند، محققان به رهبری دانشگاه کمبریج می‌گویند که مطالعه کهکشان‌های مشابه می‌تواند به ما کمک کند تا بفهمیم چگونه این کهکشان‌ها از ابرهای گاز به ساختارهای پیچیده‌ای که امروز مشاهده می‌کنیم، تبدیل می‌شوند. نتایج این تحقیق در نشریه Nature Astronomy منتشر شده است.

تحولات کهکشان‌ها در طول زمان کیهانی

دکتر سندرو تاکچلا، نویسنده همکار از آزمایشگاه کاوندیش کمبریج، گفت: “سوال درباره اینکه کهکشان‌ها چگونه در طول زمان کیهانی تکامل می‌یابند، سوال مهمی در اخترفیزیک است.” او افزود: “ما برای ده میلیون سال گذشته داده‌های بسیار خوبی داشتیم و همچنین برای کهکشان‌ها در گوشه‌ای از جهان خود، اما اکنون با تلسکوپ وب، می‌توانیم داده‌های مشاهداتی از میلیاردها سال پیش به دست آوریم و به بررسی اولین میلیارد سال تاریخ کیهانی بپردازیم که سوالات جدیدی را به وجود می‌آورد.”

کهکشان‌هایی که امروز مشاهده می‌کنیم، از طریق دو مکانیزم اصلی رشد می‌کنند: یا گاز را جذب کرده و ستاره‌های جدیدی تشکیل می‌دهند، یا با کهکشان‌های کوچکتر ادغام می‌شوند. سوالی که ستاره‌شناسان امیدوارند با تلسکوپ وب به آن پاسخ دهند، این است که آیا مکانیزم‌های مختلفی در اوایل جهان فعال بودند یا خیر.

تاکچلا گفت: “شما انتظار دارید که کهکشان‌ها از ابرهای گاز کوچک شروع شوند که تحت گرانش خود فرو می‌ریزند و هسته‌های بسیار متراکم از ستاره‌ها و احتمالاً سیاه‌چاله‌ها تشکیل می‌دهند. با رشد کهکشان و افزایش تشکیل ستاره‌ها، این موضوع شبیه به یک اسکیت‌باز است: وقتی اسکیت‌باز دستانش را به سمت بدن خود می‌کشد، شتاب می‌گیرد و سریع‌تر و سریع‌تر می‌چرخد. کهکشان‌ها نیز به نوعی مشابه هستند، با جذب گاز از فواصل بزرگ‌تر که کهکشان را به چرخش در می‌آورد، به همین دلیل است که اغلب شکل‌های مارپیچی یا دیسکی تشکیل می‌دهند.”

رصد کهکشان جوان در کیهان اولیه

این کهکشان که به عنوان بخشی از همکاری JADES (پژوهش پیشرفته فراکهکشانی JWST) مشاهده شده، در حال شکل‌گیری ستاره‌ها در کیهان اولیه است. این کهکشان دارای هسته‌ای با چگالی بسیار بالا است که با وجود سن نسبتاً جوانش، چگالی مشابهی با کهکشان‌های بیضوی بزرگ امروزی دارد که ۱۰۰۰ برابر بیشتر از آن ستاره دارند. بیشتر فعالیت‌های شکل‌گیری ستاره در فاصله‌ای دورتر از هسته اتفاق می‌افتد و حتی یک توده ستاره‌زا در فاصله‌ای بیشتر قرار دارد. فعالیت شکل‌گیری ستاره به‌طور قابل توجهی به سمت حاشیه‌ها افزایش می‌یابد، زیرا شکل‌گیری ستاره گسترش می‌یابد و کهکشان در حال بزرگ شدن است. این نوع رشد با مدل‌های نظری پیش‌بینی شده بود، اما با تلسکوپ وب، اکنون امکان مشاهده آن فراهم شده است.

ویلیام بیکر، یکی از نویسندگان این تحقیق و دانشجوی دکتری در دانشگاه کاوندیش، می‌گوید: «یکی از دلایلی که وب برای ما به عنوان ستاره‌شناسان تحول‌آفرین است، این است که اکنون می‌توانیم آنچه را که قبلاً از طریق مدل‌سازی پیش‌بینی شده بود، مشاهده کنیم. این مانند این است که بتوانید تکالیف خود را بررسی کنید.»

با استفاده از تلسکوپ وب، محققان اطلاعاتی را از نوری که کهکشان در طول موج‌های مختلف ساطع می‌کند، استخراج کردند و سپس از آن برای برآورد تعداد ستاره‌های جوان در مقابل ستاره‌های پیر استفاده کردند. این اطلاعات به برآورد جرم ستاره‌ای و نرخ شکل‌گیری ستاره تبدیل شد. به دلیل فشردگی کهکشان، تصاویر فردی کهکشان به‌طور مدل‌سازی پیشرفته شده‌اند تا تأثیرات ابزاری را در نظر بگیرند. با استفاده از مدل‌سازی جمعیت ستاره‌ای که شامل دستورالعمل‌هایی برای انتشار گاز و جذب گرد و غبار است، محققان ستاره‌های پیر را در هسته پیدا کردند، در حالی که بخش دیسک اطراف در حال شکل‌گیری ستاره‌ای بسیار فعال است.

این کهکشان تقریباً هر ۱۰ میلیون سال یک‌بار جرم ستاره‌ای خود را در حاشیه‌ها دو برابر می‌کند که بسیار سریع است؛ در حالی که کهکشان راه شیری تنها هر ۱۰ میلیارد سال جرم خود را دو برابر می‌کند. چگالی هسته کهکشان و همچنین نرخ بالای شکل‌گیری ستاره نشان می‌دهد که این کهکشان جوان غنی از گاز مورد نیاز برای شکل‌گیری ستاره‌های جدید است که ممکن است شرایط متفاوتی را در کیهان اولیه منعکس کند.

تاکلا، یکی از محققان، می‌گوید: «البته، این تنها یک کهکشان است، بنابراین ما باید بدانیم که سایر کهکشان‌ها در آن زمان چه می‌کردند. آیا همه کهکشان‌ها مانند این یکی بودند؟ ما اکنون در حال تحلیل داده‌های مشابه از سایر کهکشان‌ها هستیم. با نگاه به کهکشان‌های مختلف در طول زمان کیهانی، ممکن است بتوانیم چرخه رشد را بازسازی کنیم و نشان دهیم که کهکشان‌ها چگونه به اندازه‌های فعلی خود رشد می‌کنند.»