اخترشناسان می‌گویند نخستین ستارگان جهان را رصد کرده‌اند

گروهی از اخترشناسان که داده‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب را به‌دقت بررسی می‌کنند، نور هلیوم یونیزه‌شده را در کهکشانی دوردست مشاهده کرده‌اند. این تابش ممکن است نشانگر وجود نخستین نسل از ستارگان جهان باشد که با نام گمراه‌کننده‌ی «جمعیت ۳» خطاب می‌شوند.

ستارگان نسل اول که اخترشناسان از مدت‌ها پیش در جستجویشان بوده‌اند، توپ‌های عظیمی از هیدروژن و هلیوم هستند که از گاز اولیه‌ی جهان تشکیل شده‌اند. دانشمندان در دهه‌ی ۱۹۷۰ نظریه‌پردازی درباره‌ی این گوی‌های آتشین را شروع و این فرضیه را مطرح کردند که آن‌ها پس از عمر کوتاهشان، به‌صورت ابرنواختر منفجر شدند، عناصر سنگین‌تری را شکل دادند و به درون کیهان پرتاب کردند. این مواد ستاره‌ای بعدا ستارگان جمعیت ۲ با عناصر سنگین بیشتر، سپس ستارگان غنی‌ترِ جمعیت ۱ مانند خورشید ما و همچنین سیاره‌ها، سیارک‌ها، دنباله‌دارها و درنهایت خود حیات را پدید آوردند.

ربکا بولر، اخترشناس از دانشگاه منچستر در بریتانیا می‌گوید: «ما وجود داریم، درنتیجه می‌دانیم که باید ستارگان نسل اول [نیز] باید وجود داشته باشند.»

اکنون به‌گزارش کوانتا مگزین، شین وانگ، اخترشناس از آکادمی علوم چین در پکن و همکارانش فکر می‌کنند این ستارگان اولیه را یافته‌اند. این کشف که به‌گفته‌ی وانگ، اتفاقی فراواقعی است، هنوز به تایید نیاز دارد. مقاله‌ی پژوهشگران که ۸ دسامبر در پایگاه داده‌ی آرکایو منتشر شد، در انتظار داوری همتا در نشریه نیچر است.

حتی اگر پژوهشگران اشتباه کرده باشند، تشخیص قانع‌کننده‌تر نخستین ستارگان جهان احتمالا چندان دور از دسترس نخواهد بود. تلسکوپ فضایی جیمز وب که درحال ایجاد دگرگونی در بخش‌های گسترده‌ای از نجوم است، می‌تواند اعماق فضا و زمان را ببیند و ستارگان جمعیت ۳ را شناسایی کند.

درحال‌حاضر، این تلسکوپ غول‌پیکر شناور در فضا، کهکشان‌های دوردستی را شناسایی کرده که روشنایی غیرعادیشان ممکن است نشانگر وجود ستارگان جمعیت ۳ در آن‌ها باشد. گروه‌های پژوهشی دیگر نیز برای کشف این ستارگان با جیمز وب، درحال رقابت هستند و داده‌های خودشان را تجزیه‌وتحلیل می‌کنند. مایک نورمن، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو که ستارگان را در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مطالعه می‌کند، ستارگان نسل اول را یکی از موضوعات بسیار داغ می‌داند.

کشف قطعی ستارگان جمعیت ۳ به اخترشناسان امکان می‌دهد تا بررسی اندازه و ظاهر ستارگان، زمان وجود آن‌ها و چگونگی روشن‌شدن ناگهانیشان در تاریکی اولیه‌ی جهان را آغاز کنند. به باور بولر، ظهور این ستارگان یکی از بنیادین‌ترین تغییرات در تاریخ جهان محسوب می‌شود.

تقریبا ۴۰۰ هزار سال پس از بیگ‌بنگ، الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها برای تبدیل‌شدن به هیدروژن و هلیوم، به اندازه‌ی کافی گرد هم جمع شدند. با کاهش دما، ماده تاریک به‌تدریج انباشته شد و اتم‌ها را به‌طرف خود کشید. درون توده‌های ماده تاریک، هیدروژن و هلیوم دراثر گرانش درهم‌کوبیده شدند و گلوله‌های گازی غظیم را به‌وجود آوردند. وقتی توپ‌ها به‌قدر کافی متراکم شدند، ناگهان همجوشی هسته‌ای در مرکز آن‌ها شروع شد و نخستین ستارگان پدید آمدند.

شین وانگ، اخترشناس در آکادمی علوم چین در پکن، هلیوم ۲ را در جهان اولیه شناسایی کرده است؛ یافته‌ای که می‌تواند نشانگر وجود ستارگان جمعیت ۳ باشد.

والتر باده، اخترشناس آلمانی در سال ۱۹۴۴ ستارگان کهکشان ما را به انواع ۱ و ۲ دسته‌بندی کرد. ستارگان جمعیت ۱ شامل خورشید ما و دیگر ستارگان غنی از فلز است و جمعیت ۲ به ستارگان قدیمی‌تر ساخته‌شده از عناصر سبک‌تر اشاره دارد. ایده‌ی ستارگان جمعیت ۳ چندین دهه بعد بر سر زبان‌ها افتاد. برنارد کار، اخترفیزیکدان بریتانیایی در مقاله‌ای در سال ۱۹۸۴، نقش حیاتی و احتمالی این نوع ستارگان را در جهان اولیه توصیف کرد. کار و همکارانش می‌نویسند: «گرما یا انفجار آن‌ها می‌توانست جهان را دوباره یونیزه کند... و عناصر سنگین برآمده از آن‌ها می‌توانست انفجاری از غنی‌سازی پیش‌کهکشانی به‌وجود آورد» و موجب پیدایش ستاره‌های بعدیِ غنی‌تر از عناصر سنگین‌تر شود.

کار و همکارانش برآورد کردند که ستارگان جمعیت ۳ به‌دلیل حجم زیاد گاز هیدروژن و هلیوم موجود در جهان اولیه، می‌توانستند آن‌قدر رشد کنند تا اندازه‌شان به بین صد تا ۱۰۰ هزار برابر خورشید ما برسد.

ستارگان واقع در انتهای سنگین‌تر طیف یا ستارگان به اصطلاح کلان‌جرم، نسبتا سرد، قرمز و پف‌کرده و آن‌قدر بزرگ بودند که می‌توانستند تقریبا کل منظومه شمسی ما را دربربگیرند. گونه‌های متراکم‌تر و با اندازه‌ی متوسط ستارگان جمعیت ۳، به رنگ آبی گرم می‌درخشیدند و درمقایسه با خورشید ما که فقط ۵۵۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد حرارت دارد، با دمای سطحی تقریبا ۵۰ هزار درجه‌ی سانتی‌گراد بسیار داغ‌تر بودند.

در سال ۲۰۰۱، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری به رهبری نورمن، توضیح داد که چگونه چنین ستارگان بزرگی می‌توانند شکل بگیرند. در جهان امروزی، ابرهای گازی به تعداد زیادی ستاره‌ی کوچک تقسیم می‌شوند؛ اما شبیه‌سازی‌ها نشان داد که ابرهای گازی در جهان اولیه که بسیار داغ‌تر از نمونه‌های کنونی بودند، نمی‌توانستند به‌راحتی متراکم شوند و درنتیجه کارایی کمتری در شکل‌دادن به ستارگان داشتند. درعوض، کل ابر یک ستاره‌ی غول‌پیکر را پدید می‌آورد.

اندازه‌ی بسیار بزرگ این ستارگان اولیه بدان معنا بود که عمر کوتاهی داشتند و حداکثر چند صد میلیون سال دوام می‌آوردند. (ستارگان پرجرم‌تر ازطریق سوخت موجود در خود سریع‌تر می‌سوزند.) بدین ترتیب، ستارگان جمعیت ۳ با عمر احتمالا فقط چند صد میلیون سال، در تاریخ کیهان دوام چندانی نداشتند و با پراکنده‌شدن واپسین مخزن‌های گاز اولیه، برای همیشه ناپدید شدند.

بااین‌حال، عدم قطعیت‌های فراوانی وجود دارد. این ستارگان واقعا چقدر بزرگ شدند؟ تا چه زمانی وجود داشتند؟ و در اوایل عمر جهان چقدر فراوان بودند؟ بولر می‌گوید: «آن‌ها ستارگانی کاملا متفاوت با ستاره‌های کهکشان خودمان هستند.»

از آنجا که ستارگان جمعیت ۳ بسیار دور هستند و عمر بسیار کوتاهی داشتند، یافتن شواهد از آن‌ها چالش‌برانگیز بوده است. بااین‌حال در سال ۱۹۹۹، اخترشناسان دانشگاه کلرادو بولدر، پیش‌بینی کردند که این ستارگان باید امضایی واضح تولید کرده باشند: فرکانس‌های خاصی از نور ساطع‌شده به‌وسیله‌ی هلیوم ۲ یا اتم‌های هلیومی که هنگام جابه‌جایی هر الکترون باقی‌مانده‌ی اتم بین سطوح انرژی، این ذره را از دست می‌دهند. جیمز تراسلر، اخترشناس دانشگاه منچستر در توضیح می‌گوید: «انتشار هلیوم درواقع از درون خود ستارگان سرچشمه نمی‌گیرد، بلکه زمانی به‌وجود می‌آمد که فوتون‌های پرانرژی از سطوح داغ ستارگان به گاز اطراف ستاره برخورد می‌کردند.»

دنیل شرر از دانشگاه ژنو که بعدا ایده‌ی یادشده را در سال ۲۰۰۲ گسترش داد، می‌گوید: «این پیش‌بینی نسبتا ساده‌ای است.» جستجو ادامه داشت.

در سال ۲۰۱۵، شرر و همکارانش فکر کردند که احتمالا کشفی جدید انجام داده‌اند. آن‌ها نشانه‌ای از هلیوم ۲ را در کهکشانی دوردست و اولیه که ممکن است به گروهی از ستارگان جمعیت ۳ مرتبط باشد، شناسایی کردند. این کهکشان ۸۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ ظاهر شد و به‌نظر می‌آمد که ممکن است نخستین شواهد از ستارگان اولیه‌ی جهان را در خود داشته باشد.

تلاش بعدی به رهبری بولر، یافته‌های پیشین را به چالش کشید. او می‌گوید: «ما شواهدی برای انتشار اکسیژن از منبع پیدا کردیم و این یافته، سناریوی ستارگان جمعیت ۳ خالص را رد کرد. سپس گروهی مستقل نتوانست مسیر هلیوم ۲ را که به‌وسیله‌ی تیم اولیه مشاهده شده بود، شناسایی کند. هلیوم ۲ آنجا نبود.» بااین وضعیت، آیا دیگر پژوهشگران می‌توانند امیدی داشته باشد؟

اخترشناسان به تلسکوپ فضایی جیمز وب که در دی ماه ۱۴۰۰ پرتاب شد، امید بسته بودند. این تلسکوپ با آینه‌ی عظیم و حساسیت بی‌سابقه‌اش به نور فروسرخ، می‌تواند راحت‌تر از هر تلسکوپ پیشین، به جهان اولیه نگاه کند. این تلسکوپ همچنین قادر به انجام طیف‌سنجی یا تجزیه‌ی نور به طول موج‌های تشکیل‌دهنده‌اش است و بدین وسیله می‌تواند به دنبال هلیوم ۲ به‌عنوان نشانه‌ی ستارگان جمعیت ۳ بگردد.

تیم وانگ داده‌های طیف‌سنجی بیش از دو هزار هدف جیمز وب را تجزیه‌وتحلیل کرد. یکی از اهداف، کهکشانی دوردست است که درست ۶۲۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ ظاهر شد. به‌گفته‌ی پژوهشگران، این کهکشان به دو قسمت تقسیم شده است. تجزیه‌وتحلیل آن‌ها نشان داد که ظاهرا نیمی از کهکشان دارای نشانه‌ی مهم هلیوم ۲ در ترکیب با نور سایر عناصر است؛ یافته‌ای که به‌طور بالقوه به وجود جمعیتی ترکیبی از هزاران ستاره‌ی جمعیت ۳ و ستارگان انواع دیگر اشاره دارد. طیف‌سنجی نیمه‌ی دوم کهکشان هنوز انجام نشده است؛ اما روشنایی آن از وجود محیطی غنی‌تر از جمعیت ستارگان نسل اول حکایت می‌کند.

وانگ می‌گوید: «در تلاش هستیم تا برای پوشش‌دادن کل کهکشان، در چرخه‌ی بعدی فعالیت جیمز وب زمان رصد به‌دست آوریم.» به‌گفته‌ی نورمن، کهکشان مورد بحث «گیج‌کننده» است. اگر نتایج هلیوم ۲ تایید شود، احتمالا با خوشه‌ای از ستارگان جمعیت ۳ مواجه هستیم. بااین‌حال نورمن مطمئن نیست که آیا ستارگان جمعیت ۳ و ستارگان بعدی می‌توانستند به راحتی با یکدیگر ترکیب شوند یا نه.

دنیل والن، اخترفیزیکدان دانشگاه پورتسموث نیز به همین ‌نحو تردید دارد. او می‌گوید یافته‌ی جدید قطعا می‌تواند شواهدی از ترکیبی از ستارگان جمعیت ۳ و جمعیت ۲ در یک کهکشان باشد. بااین‌حال، هرچند این نخستین مدرک مستقیم از نخستین ستارگان جهان خواهد بود، مدرک روشنی نیست. سایر اجرام داغ کیهانی، ازجمله قرص‌های سوزان موادی که در اطراف سیاه‌چاله‌ها می‌چرخند، می‌توانند هلیوم ۲ را به‌طرز مشابه تولید کنند.

وانگ باور دارد که تیم او می‌تواند منشاء سیاه‌چاله را رد کند؛ زیرا آن‌ها نشانه‌های خاص اکسیژن، نیتروژن یا کربن یونیزه‌شده‌ای را که در آن مورد انتظار می‌رود، شناسایی نکرده‌اند. بااین‌حال، مقاله‌ی پژوهشگران هنوز در انتظار داوری همتا است و حتی در آن زمان، مشاهدات بعدی باید یافته‌های بالقوه‌ی آن‌ها را تایید کنند.

گروه‌های دیگری که از جیمز وب استفاده می‌کنند نیز به‌دنبال نخستین ستاره‌ها هستند. راجیر ویندهورست، اخترشناس از دانشگاه ایالتی آریزونا و همکارانش علاوه‌بر جستجوی هلیوم ۲، روش جستجوی دیگری را با استفاده از گرانش خوشه‌های کهکشانی غول‌پیکر برای دیدن ستارگان منفرد در جهان اولیه پیشنهاد داده‌اند. بهره‌گیری از جرمی عظیم مانند خوشه‌ی کهکشانی برای بزرگنمایی اجرام دورتر (تکنیک لنز گرانشی)، روش رایجی است که اخترشناسان با استفاده از آن، قادر به رصد کهکشان‌های دور می‌شوند. ویندهورست باور دارد که حتی ستارگان منفرد جمعیت ۳ که به لبه‌ی خوشه‌ای سنگین نزدیک می‌شوند، می‌توانند تقریبا تا بی‌نهایت بزرگنمایی شوند و درمعرض دید قرار گیرند.

ویندهورست یک برنامه‌ی رصد با جیمز وب را هدایت می‌کند که درتلاش برای به‌کارگیری تکنیک لنز گرانشی است. او می‌گوید: «کاملا مطمئن هستم که در یک یا دو سال آینده، شاهد برخی از این ستارگان اولیه خواهیم بود. ما از قبل چند کاندیدا داریم.» اروس وانزلا، اخترشناس موسسه ملی اخترفیزیک در ایتالیا نیز هدایت برنامه‌ای مشابه را برعهده دارد که در جریان آن، مجموعه‌ای از ۱۰ یا ۲۰ ستاره‌ی کاندیدای جمعیت ۳ با استفاده از لنز گرانشی مطالعه می‌شوند.

این احتمال وسوسه‌انگیز باقی می‌ماند که برخی از کهکشان‌های درخشان غیرمنتظره که پیش‌تر به‌وسیله‌ی جیمز وب در جهان اولیه دیده شده بودند، روشنایی خود را مدیون ستارگان عظیم جمعیت ۳ باشند. وانزلا می‌گوید: «این دقیقا همان دوره‌هایی است که انتظار داریم نخستین ستارگان درحال شکل‌گیری باشند. امیدوارم در هفته‌ها یا ماه‌های آینده، نخستین ستارگان [جمعیت ۳] شناسایی شوند.»