کشف کوازارهای باستانی و اسرارآمیز توسط اخترشناسان

کوازارها: هسته‌های درخشان کهکشان‌ها

کوازارها هسته‌های فوق‌العاده درخشان کهکشان‌هایی هستند که در مرکز آن‌ها یک سیاه‌چاله فوق‌العاده بزرگ و فعال وجود دارد. هنگامی که این سیاه‌چاله گاز و گرد و غبار اطراف خود را به درون می‌کشد، مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند که باعث می‌شود کوازارها به یکی از درخشان‌ترین اشیاء در جهان تبدیل شوند. کوازارها به عنوان یکی از اولین اشیاء کیهانی که پس از بیگ بنگ مشاهده شده‌اند، در حدود چند صد میلیون سال بعد از این رویداد شناخته شده‌اند. این موضوع هنوز یک معما باقی مانده است که چگونه این اشیاء می‌توانند در زمان کوتاهی به این اندازه درخشان و بزرگ شوند.

دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند که اولین کوازارها از نواحی بسیار متراکم ماده اولیه شکل گرفته‌اند که همچنین به تولید کهکشان‌های کوچکتر در محیط کوازارها منجر شده است. اما در یک مطالعه جدید که به رهبری MIT انجام شده است، ستاره‌شناسان برخی از کوازارهای باستانی را مشاهده کردند که به طرز شگفت‌انگیزی در جهان اولیه تنها به نظر می‌رسند. این ستاره‌شناسان از تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا (JWST) برای نگاهی به گذشته، بیش از ۱۳ میلیارد سال، استفاده کردند تا محیط کیهانی پنج کوازار باستانی شناخته شده را بررسی کنند. آن‌ها تنوع شگفت‌انگیزی در همسایگی‌های آن‌ها، یا میدان‌های کوازاری، یافتند.

تنوع در همسایگی کوازارها

در حالی که برخی از کوازارها در میدان‌های بسیار شلوغی با بیش از ۵۰ کهکشان همسایه قرار دارند، همان‌طور که تمام مدل‌ها پیش‌بینی می‌کنند، کوازارهای باقی‌مانده به نظر می‌رسد که در خلأها شناور هستند و تنها چند کهکشان پراکنده در اطراف آن‌ها وجود دارد. این کوازارهای تنها درک فیزیکدانان را از چگونگی شکل‌گیری چنین اشیاء درخشانی در اوایل جهان به چالش می‌کشد، بدون اینکه منبع قابل توجهی از ماده اطراف برای تغذیه رشد سیاه‌چاله‌هایشان وجود داشته باشد. آنا-کریستینا آیلرز، استاد یار فیزیک در MIT می‌گوید: “برخلاف باورهای قبلی، ما به طور متوسط می‌یابیم که این کوازارها لزوماً در نواحی با چگالی بالا در اوایل جهان قرار ندارند. برخی از آن‌ها به نظر می‌رسد در وسط هیچ‌جا نشسته‌اند.” او ادامه می‌دهد: “توضیح اینکه چگونه این کوازارها می‌توانند به این اندازه بزرگ شده باشند، دشوار است اگر به نظر برسد که هیچ چیزی برای تغذیه ندارند.”

این احتمال وجود دارد که این کوازارها به اندازه‌ای که به نظر می‌رسند تنها نباشند، بلکه در واقع توسط کهکشان‌هایی که به شدت در گرد و غبار پنهان شده‌اند، احاطه شده باشند و بنابراین از دید پنهان مانده‌اند. آیلرز و همکارانش امیدوارند مشاهدات خود را تنظیم کنند تا بتوانند از میان این گرد و غبار کیهانی عبور کنند و بفهمند چگونه کوازارها به این اندازه بزرگ و سریع در اوایل جهان رشد کرده‌اند. آیلرز و همکارانش یافته‌های خود را در مقاله‌ای که امروز در مجله اخترشناسی منتشر شده است، گزارش می‌دهند. نویسندگان همکار MIT شامل پژوهشگران پسادکترا، روهان ناید و مینگهاو یو، رابرت سیمکو، استاد فیزیک و مدیر مؤسسه کافلی MIT برای اخترشناسی و تحقیقات فضایی، و همکارانی از مؤسسات مختلف از جمله دانشگاه لیدن، دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا، ETH زوریخ و دیگران هستند.

همسایگان کهکشانی

پنج کوازار تازه مشاهده شده از قدیمی‌ترین کوازارهایی هستند که تا به امروز مشاهده شده‌اند. این اشیاء بیش از ۱۳ میلیارد سال عمر دارند و تصور می‌شود که بین ۶۰۰ تا ۷۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ شکل گرفته‌اند. سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ که کوازارها را تغذیه می‌کنند، یک میلیارد بار بیشتر از خورشید جرم دارند و بیش از یک تریلیون بار درخشان‌تر هستند. به دلیل درخشندگی فوق‌العاده آن‌ها، نور هر کوازار قادر است از طول عمر جهان عبور کند و به اندازه‌ای دور برسد که به حسگرهای حساس JWST امروز برسد. آیلرز می‌گوید: “این واقعاً شگفت‌انگیز است که اکنون تلسکوپی داریم که می‌تواند نور را از ۱۳ میلیارد سال پیش با این جزئیات ضبط کند.”

نخستین نگاه به محیط کوزارها با تلسکوپ JWST

برای نخستین بار، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) این امکان را به ما داد که به محیط این کوزارها نگاه کنیم و بررسی کنیم که آنها چگونه رشد کرده‌اند و محله‌شان به چه شکلی بوده است.

تیم تحقیقاتی تصاویر پنج کوzar باستانی را که JWST بین اوت ۲۰۲۲ و ژوئن ۲۰۲۳ ثبت کرده بود، تحلیل کرد. مشاهدات هر کوzar شامل چندین تصویر «موزاییکی» یا نمای جزئی از میدان کوzar بود که تیم به‌طور مؤثری آنها را به هم متصل کرد تا یک تصویر کامل از محله اطراف هر کوzar به دست آورده و اندازه‌گیری‌هایی از نور در طول‌موج‌های مختلف در میدان هر کوzar انجام دهد. سپس تیم این داده‌ها را پردازش کرد تا مشخص کند آیا یک شیء خاص در میدان نوری از کهکشان همسایه است و فاصله کهکشان از کوzar مرکزی با درخشندگی بسیار بیشتر چقدر است.

ایلیرز می‌گوید: «ما متوجه شدیم که تنها تفاوت بین این پنج کوzar این است که محیط‌های آنها بسیار متفاوت به نظر می‌رسند. به‌عنوان مثال، یک کوzar تقریباً ۵۰ کهکشان در اطراف خود دارد، در حالی که دیگری تنها دو کهکشان دارد. و هر دو کوzar در اندازه، حجم، درخشندگی و زمان مشابهی از جهان قرار دارند. دیدن این موضوع واقعاً شگفت‌انگیز بود.»

رشد ناگهانی

این تفاوت در میدان‌های کوzar، چالشی برای تصویر استاندارد رشد سیاه‌چاله‌ها و تشکیل کهکشان‌ها ایجاد می‌کند. بر اساس بهترین درک فیزیکدانان از چگونگی ظهور نخستین اشیاء در جهان، یک شبکه کیهانی از ماده تاریک باید به تعیین مسیر کمک کرده باشد. ماده تاریک نوعی ماده ناشناخته است که هیچ تعامل دیگری با محیط خود به جز از طریق گرانش ندارد. به محض وقوع بیگ بنگ، تصور می‌شود که جهان اولیه رشته‌های ماده تاریک را شکل داده است که به نوعی جاده گرانشی عمل می‌کردند و گاز و گرد و غبار را به سمت خود جذب می‌کردند. در نواحی بسیار متراکم این شبکه، ماده جمع می‌شد تا اشیاء بزرگ‌تری تشکیل گیرد و درخشنده‌ترین و بزرگ‌ترین اشیاء اولیه، مانند کوzarها، در نواحی با چگالی بالای این شبکه شکل می‌گرفتند که همچنین تعداد بیشتری کهکشان کوچک‌تر را تولید می‌کردند.

الیاس پیزاتی، یکی از نویسندگان این تحقیق و دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دانشگاه لیدن، می‌گوید: «شبکه کیهانی ماده تاریک یک پیش‌بینی محکم از مدل کیهانی ما از جهان است و می‌توان آن را با استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی به تفصیل توصیف کرد. با مقایسه مشاهدات ما با این شبیه‌سازی‌ها، می‌توانیم تعیین کنیم که کوzarها در کجای شبکه کیهانی قرار دارند.»

دانشمندان تخمین می‌زنند که کوzarها باید به‌صورت مداوم با نرخ‌های بسیار بالا رشد کرده باشند تا به جرم و درخشندگی فوق‌العاده‌ای که در زمان‌های مشاهده‌شده توسط ستاره‌شناسان، کمتر از یک میلیارد سال پس از بیگ بنگ، رسیده‌اند، دست یابند. ایلیرز می‌گوید: «سؤال اصلی که ما در تلاش برای پاسخ به آن هستیم این است که چگونه این سیاه‌چاله‌های با جرم یک میلیارد خورشید در زمانی شکل می‌گیرند که جهان هنوز واقعاً جوان است و در مراحل ابتدایی خود قرار دارد.»

یافته‌های تیم ممکن است سؤالات بیشتری نسبت به پاسخ‌ها ایجاد کند. کوzarهای «تنها» به نظر می‌رسد در نواحی نسبتاً خالی از فضا زندگی می‌کنند. اگر مدل‌های کیهانی فیزیکدانان صحیح باشد، این نواحی بایر باید نشان‌دهنده مقدار بسیار کمی ماده تاریک یا مواد اولیه برای شکل‌گیری ستاره‌ها و کهکشان‌ها باشند. پس چگونه کوzarهای بسیار درخشان و بزرگ به وجود آمده‌اند؟ ایلیرز می‌گوید: «نتایج ما نشان می‌دهد که هنوز یک قطعه قابل توجه از پازل نحوه رشد این سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ گم شده است. اگر مواد کافی در اطراف وجود نداشته باشد تا برخی از کوzarها بتوانند به‌صورت مداوم رشد کنند، این بدان معناست که باید راه دیگری برای رشد آنها وجود داشته باشد که هنوز نتوانسته‌ایم آن را کشف کنیم.»

این تحقیق بخشی از حمایت‌های شورای تحقیقات اروپا بود.