تلسکوپ جیمز وب ممکن است اولین ستارگان کیهان را یافته باشد؛ مطالعه‌ای جدید ادعا می‌کند

الیزابت هوول

تصویری از ستارگان و کهکشان‌های رنگارنگ در فضای بیرونی — نمای ترکیبی از خوشهٔ کهکشانی MACS J0416 که با تلسکوپ‌های فضایی جیمز وب و هابل ثبت شده است. در اعماق این خوشه، احتمالاً برخی از اولین ستارگان کیهان مخفیند؛ مشاهدات جدید JWST به این نکته اشاره می‌کند. | اعتبار: NASA، ESA، CSA، STScI، خوزه دیگو (IFCA)، جردن دی‌سیلوا (UWA)، آنتون کوکمور (STScI)، جیک سامرز (ASU)، روجیر ویندهورست (ASU)، هاوژینگ یان (دانشگاه میسوری)

ستاره‌شناسان با بهره‌گیری از تلسکوپ جیمز وب ممکن است برخی از اولین ستارگان کیهان را کشف کرده باشند و این کشف می‌تواند سرنخ‌هایی دربارهٔ چگونگی شکل‌گیری کهکشان‌ها ارائه دهد. با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و پدیده‌ای که نخستین بار توسط آلبرت اینشتین پیش‌بینی شد، پژوهشگران ستارگان اولیه را که به عنوان ستارگان جمعیت سوم شناخته می‌شوند، در خوشه‌ای دوردست به نام LAP1‑B که در فاصلهٔ ۱۳ میلیارد سال نوری از زمین قرار دارد، شناسایی کردند. نتایج خود را در تاریخ ۲۷ اکتبر در مجله Letters از The Astrophysical Journal منتشر کردند.

ستارگان جمعیت سوم که گاهی به نام «ستارگان تاریک» شناخته می‌شوند، بر اساس نظریه‌ها، برخی از اولین ستارگانی هستند که پس از انفجار بزرگ حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش شکل گرفتند. طبق این نظریه، هیدروژن و هلیوم با مادهٔ تاریک ترکیب شدند و ستارگانی عظیم به وجود آمدند که یک‌میلیون برابر جرم خورشید و یک‌میلیارد برابر تابش خورشید را دارا بودند.

دلایل متعددی وجود دارد که تیم پژوهشی گمان می‌کند ستارگانی که JWST شناسایی کرده‌اند، از نوع جمعیت سوم باشند، به گفتهٔ ایلی ویسبال، نویسندهٔ اصلی مطالعه و استادیار فیزیک‌ستاره‌شناسی در دانشگاه تولیدو، اوهایو، که در ایمیلی با Live Science گفت.

به‌عنوان مثال، طیف‌های ستارگان که ترکیب شیمیایی آن‌ها را بر پایهٔ نوری که جذب یا انتشار می‌دهند نشان می‌دهد، خطوط انتشار نشان‌دهندهٔ وجود تعداد زیادی فوتون با انرژی بالا داشتند که با پیش‌بینی‌های جمعیت سوم سازگار است. این طیف‌ها همچنین نشان می‌دادند که ستارگان بسیار بزرگ هستند — هر یک حدود ۱۰۰ جرم خورشیدی — و جرم آن‌ها با برخی محاسبات نظری منطبق بود.

«اگر واقعاً Pop III، این نخستین شناسایی این ستارگان اولیه است»، ویسبال به Live Science گفت.

با این حال، تیم در مطالعه خود اشاره کرد که پیش از این احتمالاً JWST ستارگان جمعیت سوم را شناسایی کرده است. برای مثال، تحقیق مرور‌شده‌ای در مارس ۲۰۲۴ نشان داد که این تلسکوپ در کهکشانی به اسم GN‑z11، که تنها ۴۳۰ میلیون سال پس از آغاز جهان شکل گرفته بود، برخی از این ستارگان را شناسایی کرده است.

مطالعهٔ جدید بر این باور است که شناسایی LAP1‑B تنها موردی است که سه شرط نظری برای ستارگان جمعیت سوم را برآورده می‌کند: این ستارگان در محیطی با کمبود فلزات (هیدروژن و هلیوم) و دمایی مناسب برای تشکیل ستارگان شکل گرفته‌اند؛ ستارگان در خوشه‌های کم‌جرمی شکل گرفته‌اند که فقط تعداد کمی ستارگان بسیار بزرگ در آن‌ها حضور دارند؛ و خوشه شرایط ریاضی تابع توزیع اولیهٔ جرم (initial mass function) را برآورده می‌کند، به این معنی که توزیع جرم‌های ستارگان در جمعیت هنگام شکل‌گیری چگونه بوده است.

تصویری از ستارگان و کهکشان‌های متعدد در فضای بیرونی — نمای دیگری از MACS J0416 که با تلسکوپ هابل ثبت شده است. خطوط طولانی نور رنگارنگ اثر عدسۀ گرانشی را نشان می‌دهند — به این صورت که گرانش عظیم خوشهٔ پیش‌زمینه، نور اشیای دوردست پشت سر آن را خمیده و بزرگ‌نمایی می‌کند. | اعتبار: NASA، ESA، و ل. اینفانته (دانشگاه کاتولیک پانتیکیک شیلی)

JWST برای این مشاهدات حیاتی بود؛ با داشتن آینه‌ای به قطر ۶٫۵ متر (۲۱ فوت) توانست اشیای کم‌نور و دوردست را به‌دقت شکار کند، ویسبال گفت. اما آنچه باعث شد LAP1‑B به‌ظاهر بیاید، پدیده‌ای به نام عدسۀ گرانشی بود که زمانی رخ می‌دهد که جسمی بسیار جرم‌دار، مانند یک کهکشانی، فضا‑زمان اطراف خود را خم می‌کند و شیء پس‌زمینه در مکان مناسب قرار می‌گیرد. وقتی نور شیء پس‌زمینهٔ دوردست از «خم» ایجاد شده توسط جسم پیش‌زمینه عبور می‌کند، نور پس‌زمینه به شکل حلقه‌ها یا کمان‌ها مخدوش می‌شود. این پدیده گاهی «حلقهٔ اینشتین» نامیده می‌شود، چرا که تأیید می‌کند آن‌چه اینشتین بیش از یک قرن پیش پیش‌بینی کرد، رخ می‌دهد.

در این مورد، LAP1‑B زمانی قابل مشاهده شد که خوشهٔ کهکشانی نزدیک‌تری به نام MACS J0416 در جلوی آن قرار گرفت و نور LAP1‑B را «عدسی» کرد.

JWST همچنین امکان مشاهدهٔ خطوط انتشار ستارگان را فراهم کرد؛ این خطوط که در ابتدا در طول موج فرابنفش منتشر می‌شدند، به‌دلیل گسترش جهان به طول موج‌های مادون‌قرمز کشیده شدند، ویسبال گفت. JWST برای مشاهدات مادون‌قرمز تنظیم شده است که این امکان را می‌دهد تا این ستارگان قابل رؤیت باشند.

علاوه بر تازگی این کشف ستاره‌ای، LAP1‑B به ما نشان می‌دهد که کهکشان‌ها چگونه تکامل یافته‌اند، ویسبال گفت. چون انتظار می‌رود ستارگان جمعیت سوم در ساختارهای کوچک مادهٔ تاریک شکل بگیرند که به عنوان بلوک‌های سازندهٔ کهکشان‌های بزرگ‌تر نیز عمل می‌کردند، این ستارگان به ما دربارهٔ مراحل اولیهٔ شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها می‌فهمانند — برای مثال، چگونگی آلوده شدن گازهای اولیهٔ هیدروژن و هلیوم به فلزات.