در حدود ۱۳ میلیارد سال پیش، کهکشان‌هایی در جهان وجود داشتند که هنوز از نظر ساختار به کهکشان راه شیری شباهت پیدا نکرده‌بودند. اما چگونه می‌توان از راز این کهکشانهای باستانی پرده برداشت؟ سرعت شکلگیری ستارگان در این کهکشان‌ها تا چه اندازه بوده‌است و چه مسیر تکاملی‌ای را طی کرده‌اند؟
نور این کهکشان‌ها، پس از سفری طولانی و بی‌نظیر به ما رسیده‌است. در این مسیر، غبار کیهانی۱، متشکل از ذرات بسیار ریز کربن و سیلیکات، نور را پراکنده۲ می‌کند و باعث کاهش شدت آن می‌شود. این موضوعی‌ست که مطالعه‌ی کهکشانهای اولیه را دشوارتر می‌کند. غبار کیهانی علاوه بر جذب کردن نور آن را تغییر هم می‌دهد. برای مثال، نور فرابنفش۳، بیش‌تر از طول‌موج‌های بلندتر پراکنده می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که کهکشان‌ها قرمزتر و کم‌نورتر از چیزی که هستند به نظر برسند. تصویری جدید از ستون‌های آفرینش۴، توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب، این تغییرات را به وضوح نشان می‌دهد (شکل ۱).
شکل ۱: تلسکوپ فضایی هابل ستون‌های آفرینش را در سال ۱۹۹۵ رصد کرد. در سال ۲۰۱۴، هابل این صحنه را دوباره بازبینی کرد و تصویری واضح‌تر و گسترده‌تر در نور مرئی ارائه داد (سمت چپ). همان تصویر از دید تلسکوپ فضایی جیمز وب (سمت راست).
برای درک بهتر این تغییرات و اصلاح این اعوجاجات نوری، اخترشناسان از ابزارهایی به نام منحنی‌های جذبی غبار۵ استفاده می‌کنند. این منحنی‌ها تاثیر غبار بر روی نور در طول‌موج‌های مختلف را نشان می‌دهد؛ یعنی چه مقدار از نور در هر طول‌موج پراکنده یا جذب می‌شود. برای مثال، منحنی غبار کهکشان راه شیری دارای برآمدگی خاصی در طول موج ۲۱۷۵ آنگستروم است که ناشی از ذرات ریز کربنی در غبار است. از سوی دیگر، این برآمدگی در منحنی غبار ابر ماژلانی کوچک ۶ وجود ندارد و در طول موج فرابنفش، شیب بیش‌تری نشان می‌دهد. این تفاوت‌ها، تصادفی نیستند و اطلاعات ارزشمندی درباره ترکیب و توزیع ذرات غبار در کهکشانهای مختلف به ما می‌دهند.
اما نکته‌ی مهم این است که بیش‌تر منحنی‌های غباری که در اختیار داریم، برای کهکشانهای نزدیک‌تر مانند راه شیری یا ابر ماژلانی کوچک طراحی شده‌اند. آیا همین منطق و منحنی‌های جذبی برای کهکشان‌هایی که میلیاردها سال پیش وجود داشته‌اند نیز صادق است؟
این پرسش رایان سندرز و تیم او را بر آن داشت که کهکشان GOODSN-17940 را مورد مطالعه قراردهند، کهکشانی ستاره‌فشان۷ که در انتقال به سرخ ۴/۴۱ قرار دارد. این کهکشان که تنها ۱/۳۶ میلیارد سال پس از مهبانگ ۸ وجود داشته، فرصتی بی‌نظیر برای مطالعه‌ی رفتار غبار در گذشته‌ی دور را فراهم می‌کند.
این تیم با استفاده از ابزار طیف‌سنجی فروسرخ نزدیک تلسکوپ فضایی جیمز وب، ۱۱ خط نشری هیدروژن ۹ از Hα تا H12 را بررسی کردند. این خطوط مانند فانوس‌های دریایی عمل می‌کنند؛ شدت نور آن‌ها نشان می‌دهد که چه مقدار نور در هر طول موج توسط غبار جذب شده‌است. با مقایسه‌ی روشنایی مشاهده‌شده از این خطوط، آن‌ها توانستند منحنی جذبی دقیقی برای کهکشان GOODSN-17940 ترسیم کنند.
شکل ۲: طیف کهکشان GOODSN-17940 ، که خطوط بالمر هیدروژن را نشان می‌دهد. این خطوط طیفی به برآورد شرایط غبار و یونش کهکشان کمک می‌کنند.
منحنی جذبی رصد شده از GOODSN-17940 متفاوت از آن‌چه انتظار می‌رفت ظاهر شده‌است. در ناحیه‌ی فروسرخ۱۱، این منحنی شیب بسیار بیش‌تری نسبت به منحنی‌های راه شیری یا ابر ماژلانی کوچک دارد. این موضوع احتمالاً به دلیل کوچک‌تر بودن یا توزیع متفاوت ذرات غبار در این کهکشان است. اما در قسمت فرابنفش طیف، این منحنی مسطح‌تر است و جذب کم‌تری نسبت به مدل‌های کلاسیک نشان می‌دهد. همچنین هیچ‌گونه برآمدگی در ۲۱۷۵ آنگستروم دیده نمی‌شود. این یافته‌ها نشان می‌دهد که غبار این کهکشان به دلیل سن بسیار کم جمعیت ستاره‌ای و محیط فعال ستاره‌زا در آن، ویژگی‌های منحصر به فردی دارد. شکل ۳ این نتایج را نشان می‌دهد. محور عمودی بیانگر این است که نور در هر طول‌موج، چند برابر بیش‌تر از مقدار آن در طول‌موج ۹۵۵۰ آنگستروم توسط غبار جذب یا پراکنده می‌شود. به عنوان مثال، مقدار عددی ۲ در این نمودار به این معنی است که نور در آن طول موج دو برابر بیش‌تر از نور در طول‌موج ۹۵۵۰ آنگستروم تضعیف شده‌است.
اما اهمیت این منحنی جذبی جدید در چیست؟ این منحنی در تخمین پارامترهای مهمی چون نرخ شکلگیری ستارگان۱۲، نقش کلیدی دارد. به طور مثال اگر از منحنی غبار کهکشان راه شیری برای کهکشانی مانند GOODSN-17940 استفاده کنید، نرخ شکلگیری ستارگان را تا ۵۰٪ کم‌تر برآورد خواهید کرد! این اشتباه، می‌تواند درک ما از ساختار و تحول کهکشان‌ها را به طور کلی تغییر دهد.
تلسکوپ فضایی جیمز وب، با قابلیت‌های خود، به تیم سندرز این امکان را داد که این کهکشان دوردست را مطالعه کرده و بتوانند پیچیدگی غبار را در زمانی حدود ۱۰٪ از عمر کنونی جهان، بررسی کنند. این یافته‌ها به ما کمک می‌کند تا جهان اولیه را با دقتی بی‌سابقه مطالعه کنیم و به درک بهتری از تکامل کهکشان‌ها برسیم.
شکل ۳: منحنی جذبی غبار کهکشان GOODSN-17940 (خط قرمز پیوسته) در انتقال به سرخ (z=4.41)، که در این مطالعه به دست آمده‌است. این منحنی با منحنی‌های شناخته‌شده‌ای چون منحنی جذبی غبار کهکشان راه شیری ( خط سبز خط‌چین)، ابر ماژلانی کوچک ( خط آبی کمرنگ نقطه‌چین)، و یا مدل‌های Calzetti (خط آبی نقطه-خط) و Reddy در انتقال به سرخ حدود ۲ (z∼۲: خط بنفش پیوسته) مقایسه شده است. منحنی این کهکشان در ناحیه‌ی فروسرخ نزدیک دارای شیب بیش‌تر و در ناحیه‌ی فرابنفش مسطح‌تر از سایر نمودارها است، که این نشان‌دهنده‌ی ویژگی منحصربه‌فرد غبار در این کهکشان است.
۱. Cosmic Dust
۲. Scattered
۳. Ultra-Violet
۴. Pillars of Creation
۵. Dust Attenuation Curve
۶. Small Magellanic Cloud
۷. Starburst Galaxy، کهکشان‌هایی هستند که ستاره‌زایی بسیار زیادی دارند.
۸. Big Bang
۹. Hydrogen Emission Lines
۱۰. Post-Starburst Galaxies
۱۱. Near Infrared
۱۲. Star Formation Rate
شکل بالای صفحه: دو تصویر از ستون‌های آفرینش، ناحیه‌ای ستاره‌زا، مقایسه‌ی تصاویر تلسکوپ‌های هابل و جیمز وب. منبع: ناسا و آژانس فضایی اروپا (ایسا).
عنوان اصلی مقاله: The AURORA Survey: The Nebular Attenuation Curve of a Galaxy at z=4.41 from Ultraviolet to Near-Infrared Wavelengths
نویسندگان: .Ryan L. Sanders et al
لینک اصلی مقاله: https://arxiv.org/pdf/2408.05273
گردآوری: نیلوفر شرعی
