کشف نخستین ستاره‌های عالم

0 0 0 0

توسط بهنام درویش , 21 ژوئن 2015

تشکیل و نحوه‌ی تکامل عناصر از جنبه‌های بسیار مهم کیهان‌شناسی به شمار می‌‌آید. ماده‌ی مرئی در آغاز کیهان تنها از هیدروژن، هلیوم و مقادیر کمی‌ لیتیوم تشکیل شده است. عناصر سنگین‌تر بعدها یا در قلب ستاره‌ها به وجود آمده‌اند یا در نتیجه‌ی انفجارهای ابرنواختری در پایان مرگ ستاره‌های بسیار پرجرم تشکیل شده‌اند. بنابراین نخستین ستاره‌ها در کیهان تنها می‌توانستند از ماده‌ی اولیه موجود (بیشتر شامل هیدروژن وهلیوم) تشکیل شوند. مدل‌های نظری پیش‌بینی‌ می‌کنند که این گونه‌های اولیه ستارگان (معروف به جمعیت ستاره ای نوع سوم) باید بسیار پرجرم باشند (با جرمی در حدود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر جرم خورشید). هرچه جرم یک ستاره بیشتر باشد‌، قادر به تولید مقادیر بیشتری تابش پرانرژی خواهد بود اما عمر کوتاه‌تری هم خواهد داشت. بنابراین پیش‌بینی‌ می‌شود که (۱) نسل نخستین ستارگان تنها از مرتبه‌ی چندین میلیون سال عمر کنند و پس از مرگ باعث تولید نخستین عناصر سنگین شوند‌، (۲) مقدار بسیار زیادی تابش پرانرژی در ناحیه‌‌‌ی فرابنفش تولید کنند (فرآیندی که نقش بسیار مهمی‌ در بازیونش کیهان بازی می‌کند) و (۳) این تابش پر انرژی قادر به یونش و برانگیزش اتم‌های هیدروژن و هلیوم اولیه است.

شکل ۱: از طیف CR7 که تابش نشری لیمان-آلفا را نشان می‌ دهد. تحلیل تابش لیمان-آلفا نشان می‌ دهد که CR7 درخشان‌ترین کهکشان کشف شده در کیهان اولیه است.

با وجود اهمیت بسیار زیاد این جمعیت‌های نخستین ستارگان، تاکنون تنها جنبه‌‌ی نظری آن‌ها مورد مطالعه قرار گرفته وهیچ شاهد رصدی قوی برای اثبات وجودشان درکیهان نخستین ارائه نشده است. اما‌ به تازگی و برای نخستین بار، گروهی از همکاران ما موفق شده‌‌اند شواهد قوی رصدی بر وجود این ستاره‌های نخستین در یک کهکشان بسیار درخشان و دوردست ارائه دهند. این کهکشان‌ که CR7 نام‌گذاری شده است، نخست به کمک داده‌های تلسکوپ سوبارو‌ در هاوایی به عنوان کاندیدای مناسب یک کهکشان دوردست (با انتقال‌به‌سرخ تقریبا ۶.۶) که قادر به تولید خط نشری لیمان- آلفا^(۱) است‌ انتخاب شد. سپس مشاهدات دقیق طیف‌سنجی به کمک تلسکوپ کک وجود این کهکشان دوردست را تأیید کرد و نشان داد که CR7 در واقع درخشان‌ترین کهکشان کشف شده در کیهان نخستین است (شکل ۱). مشاهدات بعدی به کمک طیف‌سنج‌های رصدخانه‌ی جنوبی اروپا نشان داد که این کهکشان علاوه بر تابش لیمان- آلفا، تابش نشری با طول موج ۱۶۴۰ آنگستروم نیز تولید می‌کند که از عنصر هلیوم سرچشمه می‌گیرد (این تابش‌، از مشخصه‌های وجود جمعیت ستاره‌ای نوع سوم است) (شکل ۲). مقدار انرژی برای تولید این خط نشری هلیوم به قدری است که قادر به تولید خطوط نشری عناصر سنگین‌تری چون کربن و اکسیژن نیز هست، البته درصورتی‌ که این عناصر در محیط این کهکشان موجود باشند. اما هیچ نشانی ازعناصر سنگین‌تر از هلیوم در داده‌های طیف‌سنجی کک و رصدخانه جنوبی اروپا دیده نمی‌شود. به زبان دیگر‌، داده‌های طیف‌سنجی از وجود نسل اول ستارگان با ترکیب تنها هیدروژن و هلیوم در CR7 خبر می‌دهند.

شکل ۲: بخشی از طیف CR7 که تابش نشری ۱۶۴۰ آنگستروم هلیوم را نشان می‌دهد. این تابش‌ از مشخصه‌های وجود جمعیت ستاره‌ای نوع سوم (نسل اولیه‌ی ستارگان) است.

اما داده‌های موجود نورسنجی CR7 نشان می‌دهند که این کهکشان باید از دو جمعیت ستاره‌ای مختلف تشکیل شده باشد. یکی‌ از این جمعیت‌ها باید بسیار جوان با عمری از مرتبه‌ی چند میلیون سال باشد تا بتواند داده‌های نورسنجی در ناحیه‌‌ فرابنفش را توجیه کند. و دیگری جمعیتی پیرتر با عمری از مرتبه‌ی چند صد میلیون سال که تطبیق بیشتری با داده‌های نورسنجی در طول‌موج‌های بلندتر دارد. مشاهدات بعدی به کمک تلسکوپ فضائی هابل وجود دو جمعیت ستاره‌ای را در این کهکشان تایید می‌کنند. تصویر با کیفیت هابل نشان می‌دهد که CR7 از سه توده‌ی مختلف تشکیل شده است. توده‌ی A، منشأ اصلی تابش لیمان- آلفا و هلیوم است و داده‌‌های نورسنجی‌اش نشان از یک جمعیت ستاره‌ای بسیار جوان دارد. داده‌های نورسنجی توده‌ی B و C هم با یک جمعیت ستاره‌ای پیرتر سازگاری دارند (شکل ۳). هم‌چنین، نحوه‌ی تشکیل توده‌ای و جمعیت‌های ستاره‌ای CR7 نیز با مدل‌های نظری در مورد تشکیل نسل اولیه‌ی ستارگان، سازگاری دارند.

شکل ۳: تصویر ترکیبی‌ از فیلتر لیمان-آلفا‌ی تلسکوپ سوبارو و دوتا از فیلترهای تلسکوپ هابل. سه توده در این تصویر دیده می‌‌شوند. بیشتر تابش لیمان-آلفا و هلیوم از ناحیه‌‌ی A سرچشمه می‌ گیرد و نورسنجی این ناحیه‌‌ با یک جمعیت ستاره‌ای بسیار جوان سازگاری دارد. داده‌های نورسنجی توده‌های B و C با یک جمعیت ستاره‌ای پیرتر توافق دارند. نحوه توزیع توده‌های A، B، و C و داده‌های پیرامونشان نیز با مدل‌های نظری در مورد تشکیل ستاره‌های اولیه در کیهان سازگاری دارند.

آیا مدل‌های جایگزین دیگری برای توجیه داده‌‌های CR7 وجود دارند؟
خط نشری ۱۶۴۰ آنگستروم هلیوم می‌تواند توسط ستاره‌های معروف به وولف-رایت و هسته‌های کهکشانی فعال نیز تولید شود اما خطوط نشری حاصل از این منابع‌ معمولا بسیار پهن هستند. اما داده‌های طیف‌سنجی CR7 نشان از خطوط باریک هلیوم و لیمان- آلفا دارند. به علاوه CR7 تابش پرتو‌ ایکس ندارد که یکی‌ از مشخصه‌های هسته‌های کهکشانی فعال است. هم‌چنین، ستاره‌های وولف-رایت خطوط نشری با شکلی ویژه تولید می کنند که چنین ویژگی‌ در خطوط تابشی‌ CR7 دیده نمی‌شود. برخی‌ جنبه‌های رصدی CR7، با پیش‌بینی‌های مدل‌های نظری پیرامون رمبش توده‌ی عظیمی از گاز هیدروژن و هلیوم در یک سیاهچاله‌ی پرجرم اولیه (سیاهچاله‌ی رمبش مستقیم) سازگاری دارند. اما این سیاهچاله‌ها نیز قادر به تولید خطوط نشری پهن و تابش پرتو‌ایکس هستند که درمورد CR7‌، مشاهده نشده‌اند. بنابراین‌ با درنظر گرفتن همه‌ی مشخصه‌های رصدی موجود، وجود جمعیت ستاره‌ای نوع سوم بیشترین سازگاری را با داده‌های رصدی CR7 دارند. رصدهای بیشتر به کمک تلسکوپ هابل، آلما و تلسکوپ فضایی درحال ساخت جیمز وب (JWST) درآینده‌ی نزدیک، می‌توانند اطلاعات دقیق‌تری پیرامون CR7 و کهکشان‌های مشابه ارائه کنند.