این یک کشف آنچنان غنی از ایدههای شگفتانگیز است که گویی مستقیماً از داستانهای علمی تخیلی آمده است: با استفاده از بزرگترین رصدخانه خارج از زمین بشریت برای تمرکز بر یک کمان نور کوچک و بسیار دور که با ویژگی خاص فضا-زمان بزرگنمایی شده است، ستارهشناسان یک کهکشان کمنور را در ۱۳ میلیارد سال پیش، زمانی که پر از ماده تاریک بود، مشاهده کردهاند – و همچنین آنچه که ممکن است بقایای تازهای از اولین و عجیبترین ستارههای جهان باشد.
این کهکشان کوچک و دوردست LAP1-B نام دارد، رصدخانه، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ناسا است، و ستارههای عجیبوغریب چیزی بودند که ستارهشناسان آنها را ستارههای «نسل سوم» مینامند – خورشیدهای غولپیکری که در نزدیکی سپیدهدم زمان درخشیدند و جوان مردند.
چنین ستارههایی هدف اصلی JWST برای کشف بودند – اجرام ستارهای متشکل از گاز هیدروژن و هلیوم بکر و اولیه که توسط مهبانگ به وجود آمدند. این ستارهها دقیقاً آن چیزی نیستند که رؤیاهای بیشتر کیهانشناسان را تشکیل میدهد، بلکه منابعی برای اتمهایی هستند که خود کیهانشناسان را تشکیل دادهاند. اکسیژن موجود در ریههای شما، آهن موجود در خون شما، کلسیم موجود در استخوانهای شما، کربن موجود در سلولهای شما، و حتی سیلیکون موجود در تلفن هوشمند شما، همگی را میتوان به ستارههای نسل سوم ردیابی کرد که در هنگام مرگهای انفجاری خود، «کود کیهانی» فلزات سنگین (ستارهشناسان تمام عناصر سنگینتر از هلیوم را «فلز» مینامند) را به فضا پرتاب کردند. بقایای مرگ آنها با هم ترکیب شدند تا نسلهای بعدی ستارهای – ستارههای نسل دوم و اول – به علاوه سیارات و در نهایت انسانها را تشکیل دهند.
این داستان خلقت است که ستارهشناسان برای خود تعریف میکنند. مشکل اثبات تمام جزئیات آن این بوده است که این ستارههای اولیه در فضا و زمان آنقدر دور هستند که حتی JWST قدرتمند هنوز نتوانسته است آنها را مستقیماً و قطعی مشاهده کند. در عوض، نشانههای وجود آنها عمدتاً در مطالعات کهکشانهایی ظاهر میشود که به اندازه کافی بزرگ و درخشان هستند تا JWST بتواند آنها را در سراسر جهان ببیند. JWST تاکنون به جای جمعآوری نور ستارههای نسل سوم، تنها وجود آنها را در چنین مکانهایی از طریق مههای درخشانی که به طرز عجیبی از درون توسط تابش شدید ستارههای اولیه روشن میشوند، استنتاج کرده است.
LAP1-B متفاوت است. این تکهای از گاز درخشان است که در برکهای از ماده تاریک نامرئی قرار گرفته، یک «فسیل کیهانی» که تنها ۸۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ دیده میشود. با این حال، به خوشههای «کهکشانهای کوتوله فوقکمنور» (UFDs) که ستارهشناسان در نزدیکی کهکشان راه شیری ما پیدا میکنند، شباهت زیادی دارد. کیهانشناسان گمان میکنند که در جهان اولیه، چنین اجسامی مانند قطعات پازل بودند که به کهکشانهای بزرگتر مونتاژ میشدند؛ UFDهایی که امروز در اطراف خود میبینیم، بخشی از جمعیت بزرگتری از تکههای باقیماندهای هستند که در سراسر کیهان پراکنده شدهاند و هرگز خانهای بزرگتر پیدا نکردند. توانایی JWST برای دیدن LAP1-B تنها به دلیل قرار گرفتن خوششانس این کهکشان در پشت یک غول کیهانی به نام MACS J0416.1-2403 است، یک خوشه کهکشانی غولپیکر که جرم آن فضا-زمان را خم میکند تا یک «عدسی گرانشی» ایجاد کند که نور ضعیف LAP1-B را ۱۰۰ برابر افزایش میدهد.
از قضا، این افزایش آنقدر زیاد است که JWST، که به طور خاص برای یافتن چیزهایی مانند LAP1-B ساخته شده بود، برای کشف آن نیازی نبود. در عوض، این جرم اولین بار در سال ۲۰۲۰ از دادههای جمعآوری شده توسط یک مرکز زمینی، یعنی تلسکوپ بسیار بزرگ رصدخانه جنوبی اروپا در پارانال، شیلی، که پیگیر مطالعات قبلی تلسکوپ فضایی هابل بر روی MACS0416 بود، اعلام شد. مطالعات بعدی با JWST به تدریج اطلاعات بیشتری در مورد این جرم مرموز آشکار کردهاند. جدیدترین آنها، امروز در نشریه Nature منتشر شده، این فرضیه را تقویت میکند که LAP1-B یک قطعه پازل کیهانی اولیه است که مملو از مواد تازه ساخته شده توسط ستارههای نسل سوم در حال مرگ است.
کیمیهیکو ناکاجیما، ستارهشناس دانشگاه کانازاوا در ژاپن و نویسنده اصلی این مطالعه، میگوید: «LAP1-B «اولین نسل» تولید عناصر را به ما نشان میدهد. ما کهکشانی را میبینیم که تازه اولین دسته عناصر سنگین خود را از اولین ستارههایی که تاکنون درخشیدهاند، به ارث برده است. این به ما میگوید که این کهکشانهای کوچک و پر از ماده تاریک، بلوکهای سازنده اساسی جهان بودند و ما بالاخره لحظه پیدایش آنها را مشاهده کردیم.»
این بینشهای کلیدی از توانایی JWST برای انجام طیفسنجی بر روی LAP1-B ناشی میشود، که نور کهکشان کوچک را به طیفی رنگینکمانمانند از رنگها پخش میکند؛ ترکیب خاص رنگها میتواند ترکیب شیمیایی یک جسم را آشکار کند. با خواندن این «بارکد» شیمیایی، ناکاجیما و همکارانش دریافتند که گاز LAP1-B عمدتاً هیدروژن و هلیوم خالص از مهبانگ است، با مقادیر ناچیزی از اکسیژن که احتمالاً توسط اولین نسل از ستارهها پمپ شده است. دادهها همچنین غلظت کربنِ شگفتانگیزی را نشان میدهند – نشانهای، به گفته ناکاجیما، از پایان عمر ستارههای نسل سوم در یک ابرنواختر «ضعیف»، همانطور که برخی مدلهای نظری پیشبینی میکنند. این امر شامل پرتاب لایههای بیرونی غنی از کربن ستارهها میشود در حالی که لایههای درونی غنی از اکسیژن توسط یک سیاهچاله تازه تشکیل شده در مرکز آنها بلعیده میشوند.
دادهها همچنین نشان میدهند که گاز کهکشان از تابش پرانرژی میدرخشد، که با انتشارات پیشبینیشده ستارههای نسل سوم سازگار است. با این حال، ستارههای واقعی در ابزارهای JWST شناسایی نشدند، که به تیم اجازه میدهد یک حد بالا برای تعداد آنها تعیین کند: LAP1-B بیش از حدود ۳۳۰۰ جرم خورشیدی ستاره ندارد (راه شیری، برای مقایسه، حدود ۱۰۰ میلیارد جرم خورشیدی دارد). اگر بیش از این مقدار داشت، JWST باید درخشش ستارهها را میدید. در همین حال، گاز کهکشان کوچک آنقدر سریع میچرخد که اگر توسط گرانش یک ابر گسترده از ماده تاریک به هم نگه داشته نمیشد، از هم میپاشید.
ناکاجیما میگوید، همه اینها LAP1-B را «دقیقاً همان چیزی میکند که ما از اجداد کهکشانهای کوتوله فوقکمنور امروزی انتظار داریم. تا کنون، ما این فسیلها را فقط در حالت «نهایی» آنها – پیر و آرام – میدیدیم. LAP1-B یک «حلقه گمشده» نظری را به یک واقعیت فیزیکی تبدیل کرده است که اکنون میتوانیم آن را اندازهگیری و تحلیل کنیم.»
کارشناسان مستقل این نتیجه را با خوشبینی محتاطانه بررسی میکنند و به عدم قطعیتهای مرتبط با مطالعه طیفها از چنین جرم عجیبی در فواصل بسیار زیاد اشاره میکنند.
روبرتو مایولینو، ستارهشناس دانشگاه کمبریج که از JWST برای مطالعه کهکشانهای اولیه استفاده میکند، میگوید: «من فکر میکنم این یک جرم قانعکننده است. LAP1-B ممکن است واقعاً در حال ردیابی انتقال بین اولین جمعیتهای ستارهای بکر و رژیم کهکشانهای غنی شده شیمیایی باشد.»
ایوان کربی، ستارهشناس که در دانشگاه نوتردام در حال مطالعه شیمی کهکشانهای کوتوله است، موافق است. او میگوید: «این کهکشانی است که کارشناسان تکامل شیمیایی میخواستند JWST آن را پیدا کند.» با این حال، تفاسیر تیم از LAP1-B «به تأیید مشاهدات آینده و گروههای تحقیقاتی دیگر نیاز خواهد داشت.»
اروس وانزلا، ستارهشناس موسسه ملی اخترفیزیک در ایتالیا، که قبلاً LAP1-B را با JWST مطالعه کرده و تیمی را که برای اولین بار این کهکشان را کشف کردند، رهبری کرده بود، این نتایج اخیر را تأییدکننده و امیدوارکننده میداند.
او میگوید: «بسیار خوشحالم که اولین ادعای ما در مورد فلزینگی بسیار پایین [LAP1-B] با مشاهدات طیفسنجی عمیقتر تأیید میشود»، و اضافه میکند که تشخیص مستقیم نور ستاره کهکشان کوچک ممکن است هنوز از طریق مشاهدات عمیقتر با JWST امکانپذیر باشد. «داستان این منبع قابل توجه هنوز به پایان نرسیده است.»