کشف نخستین نشانه‌ها از دو کهکشان شبیه به راه شیری در عالم اولیه

برای چندین دهه است که ستاره‌شناسان کهکشان‌هایی کشف می‌کنند که در فاصله‌ی بسیار دوری از ما قرار گرفته‌اند. ستاره‌شناسان این کهکشان‌ها را به‌وسیله‌ی نوری اختروَش کشف می‌کنند که در پس‌زمینه‌ی کهکشان‌ها قرار گرفته است و توسط گازهای کهکشان‌ها جذب می‌شود. متأسفانه ستاره‌شناسان تا به امروز نتوانسته‌اند نور ساطع‌شده از این کهکشان‌های مشابه را مشاهده کنند. اکنون گروهی از ستاره‌شناسان به کمک آرایه میلی‌متری بزرگ آتاکاما (ALMA) در شیلی، موفق شده‌اند نخستین انتشارات نوری از این کهکشان‌ها را مشاهده کنند.

ستاره‌شناسان، پیش‌تر این دو کهکشان را به‌وسیله‌ی اختروَش‌هایی کشف کرده بودند که در فاصله‌های دورتر از آن‌ها قرار گرفته‌اند. این جفت کهکشانی، بسیار شبیه به راه شیری هستند و در عالم اولیه مشاهده شده‌اند؛ یعنی در زمانی که سن عالم تنها ۸ درصد سن کنونی‌اش بوده است. در اطراف این کهکشان‌ها که نیاکان کهکشان‌های مارپیچی امروزه به شمار می‌روند، هاله‌ای از گاز هیدروژن وجود دارد که تا صدها هزار سال نوری در اطراف آن‌ها گسترده شده است. این برای نخستین‌بار است که ستاره‌شناسان نشر گازی اطراف این کهکشان‌ها را مشاهده کرده‌اند و نتایج آن‌طوری نبوده است که این افراد انتظار داشته‌اند.

گاز نشر یافته‌ای که حاصل زایش ستاره در این کهکشان‌ها است و به اطراف گسترش یافته است، فاصله‌ی بسیار زیادی با گازهای متراکمی دارد که توسط اختروَش مشخص شده‌اند و همین نشان می‌دهد که این کهکشان‌ها در هاله‌ای رو به گسترش از گاز هیدروژن قرار گفته‌اند. همچنین مشخص می‌شود که نرخ تولید ستاره در این کهکشان‌ها به طرز شگفت‌انگیزی بالا است.

پروفسور خاویر پروچاسکا، ستاره‌شناس و اخترفیزیکدان از دانشگاه سانتا کروز، در خصوص این کهکشان‌ها می‌گوید:

ما انتظار داشتیم نشر این گازها را به‌صورت بسیار کم‌نور و در بالای اختروَش مشاهده کنیم؛ اما در عوض چیزی که ما مشاهده کردیم بسیار متفاوت بود. ما دو کهکشان بسیار پر نور را مشاهده کردیم که در فواصل بسیار زیادی از اختروَش قرار گرفته‌اند.

مارسل نیلِمَن، دانشجوی فوق دکترا در دانشگاه سانتا کروز، می‌گوید گاز هیدروژن خنثی که به‌واسطه‌ی جذب نور اختروَش مشاهده شده است، به احتمال زیاد بخشی از یک هاله‌ی بسیار بزرگ‌تر است که در اطراف کهکشان‌ها گسترش یافته است. وی در ادامه‌ی سخنان خود می‌گوید:

این گاز در نزدیکی زایشگاه ستاره‌ای قرار ندارد و مشاهده‌ی مقادیر عظیمی از گاز، آن‌هم در فاصله‌ی بسیار زیادی از ناحیه‌ی زایشگاه ستاره‌ای، تنها یک معنی دارد. این نشان می‌دهد که مقادیر زیادی از گاز هیدروژن خنثی در اطراف کهکشان قرار گرفته است.

خاویر پروچاسکا می‌گوید طیف نشری یکی از این دو کهکشان به وجود یک دیسکِ گردان اشاره می‌کند. وی بر این باور است که این دو کهکشان بسیار غبارآلود هستند و می‌توانند با سرعت بالایی ستاره تولید کنند و به همین دلیل در لایه‌هایی گسترش‌یافته از گاز غوطه‌ور هستند. این دو کهکشان دقیقاً گذشته‌ی کهکشان راه شیری را نشان می‌دهند و برای ما داستان روزهای نخستین کهکشان راه شیری را بیان می‌کنند. این کهکشان‌ها در فاصله‌ی بیش از ۱۳ میلیارد سال نوری از زمین قرار گرفته‌اند و دقیقاً وضعیت ۱۳ میلیارد سال پیش کهکشان راه شیری را نشان می‌دهند.

ما اکنون در سال ۲۰۱۷ هستیم؛ اما خاویر پروچاسکا، کار روی این پروژه را از سال ۲۰۰۳ با کمک استاد راهنمای خود آغاز کرد. پروفسور آرتور ولفی، ستاره‌شناس و استاد راهنمای خاویر پروچاسکا از دانشگاه سن دیگو، برای نخستین‌ بار از طیف نشری اختروَش‌ها برای مطالعه و بررسی گاز هیدروژن خنثی در عالم اولیه استفاده کرد. وی از نخستین افرادی بود که برای کشف ویژگی‌های گاز هیدروژنی که توسط جذب نور از اختروَش‌های پس‌زمینه مشخص می‌شوند، از سامانه‌های حساس به طیف خطی لیمن-آلفا (DLA) استفاده کرد. همچنین ولفی پیش از آن‌که رصدهای رادیویی ALMA در سال ۲۰۱۱ کامل شوند، توانایی این آرایه میلی‌متری را جهت تشخیص نشر گاز در عالم اولیه، پیش‌بینی کرده بود.

خاویر پروچاسکا در این خصوص می‌گوید:

ما ۱۴ سال است که به دنبال این نتیجه هستیم. خیلی برای ما سخت بود که بتوانیم از طریق طیف اختروَش، کهکشان‌هایی در عالم اولیه شناسایی کنیم که در آن‌ها گاز هیدروژن وجود دارد. دشواری و شانس انجام گرفتنِ این کار را می‌توانم با شانس یافتن جام مقدس مقایسه کنم. در واقع این کشف مهم به کمک توانایی‌های خارق‌العاده‌ی ALMA صورت گرفت و اگر ALMA وجود نداشت، شاید هرگز نمی‌توانستیم این کهکشان‌ها را مشاهده کنیم.

پژوهشگران پیش از این توانسته بودند این کهکشان‌ها را به‌وسیله‌ی درخشش شدید اختروَش‌‌هایی کشف کنند که در پس‌زمینه قرار گرفته‌اند؛ بنابراین آن‌ها از آرایه‌ی ALMA استفاده کردند و به جستجوی نشانه‌هایی از ساطع شدن پرتو مادون قرمز از این کهکشان‌ها پرداختند. کربن یونیزه، در طول موج مشخصی در مادون قرمز (۱۵۸ میکرون)، از خود یک طیف خطی روشن ساطع می‌کند و ستاره‌شناسان می‌توانند از آن به‌عنوان یک ردیاب برای کشف ساختار کهکشانی در عالم اولیه استفاده کنند. همچنین ستاره‌شناسان موفق شدند تابش‌هایی از غبار موجود در این کهکشان‌ها مشاهده کنند که همین موضوع نشان می‌دهد نرخ تولید ستاره در این کهکشان‌ها بسیار بالا است.

با استفاده از آرایه‌ی قابل تنظیم آنتن رادیویی ALMA، ستاره‌شناسان توانستند محدوده‌ی جستجوی خود برای تابش‌های ساطع‌شده از این کهکشان‌ها را تنها به نقاطی محدود کنند که دو لکه‌ی DLA قرار گرفته‌اند؛ یعنی فاصله‌ای برابر با ۱۳ میلیارد سال نوری. از آن فاصله، نوری که اکنون به تلسکوپ‌های ما می‌رسد، در واقع عالم اولیه را نشان می‌دهد (حدود ۱ میلیارد سال پس از مه‌بانگ) و به ستاره‌شناسان امکان می‌دهد که بتوانند مراحل اولیه شکل‌گیری کهکشان‌ها را مشاهده کنند. اکنون دانشمندان زمانی را مشاهده می‌کنند که یک کهکشان جوان، تازه شروع به تولید ستاره می‌کند.

مشاهدات انجام‌شده نشان دادند نرخ تولید ستاره در این کهکشان‌ها بسیار بالا است. یکی از این کهکشان‌ها می‌تواند ۱۰۰ جرم خورشیدی در سال تولید کند و دیگری توانایی تولید ۲۵ جرم خورشیدی در سال دارد. فاصله‌ی این دو کهکشان از اختروَشی که در پس زمینه‌ی آن‌ها قرار گرفته، به ترتیب ۱۳۷ هزار سال نوری (۴۲ کیلوپارسک) و ۵۹ هزار سال نوری (۱۸ کیلوپارسک) است.

شما در مورد کهکشان‌های موجود در عالم اولیه چه فکر می‌کنید؟