راز سپیده کیهانی

گزارش ویژه مجله New Scientist

آن‌ها با مطالعات خود به بررسی چگونگی شکل‌گیری اولین ستاره‌ها و تأثیر ماده تاریک کیهانی در شکل‌گیری آن‌ها پرداخته‌اند. مجله New Scientist در جدیدترین شماره خود به این موضوع پرداخته است.

در هوای خشک و غبارآلود غرب استرالیا تا مایل‌ها چیزی جز آلودگی قرمزرنگ هوا به چشم نمی‌خورد و تنها می‌توان شاهد جاده‌های متروکه‌ و عبور گهگاه کانگوروها در آن منطقه بود. سفری به این چشم‌انداز ناشناخته، آموزه‌ای در دل تنهایی است- شما و جاده و حس ماجراجویی‌ای که در شما ایجاد می‌کند. آنچه دانشمندان با کمک تلسکوپی به‌اندازه یک میز پینگ‌پنگ در این گوشه از کره زمین کشف کرده‌اند، نمایی از جهان نخستین را به تصویر می‌کشد.

این بدان معناست که نظریات ما درباره ماده سیاه و چسب مرموزی که جهان هستی را متصل به هم نگه‌داشته، همگی غلط هستند. این چسب درواقع، جاذبه‌ است؛ نیرویی که مشخص می‌کند کیهان چگونه تکامل می‌یابد. یا شاید، سیاه‌چاله‌ها مدت‌ها پیش ازآنچه دانشمندان آن‌ها را کشف کنند وجود داشته‌اند.

دانشمندان دانشگاه ایالتی آریزونا در سال 2009 این منطقه دورافتاده را موردمطالعه قراردادند و در آنجا به دنبال روشنایی نورهایی به نشانه جهان اولیه بودند. بعد از واقعه انفجار بزرگ، کیهان مملو از اتم‌های هیدروژن شد و جهان در تاریکی مطلق فرورفت. بعد از میلیون‌ها سال، ابرهای گاز هیدروژن به یکدیگر پیوستند و خوشه‌های حجیمی را ایجاد کردند. زمانی که چگالی آن‌ها به نقطه‌ای حساس رسید، انرژی سوخت هسته‌ای در آن‌ها باعث ساطع شدن نور شد که نشانه تولد نخستین ستاره‌ها در لحظه‌ای موسوم به «سپیده کیهانی» است.

اخترشناسان طی 20 سال گذشته، سیگنالی را از این لحظه شکار کرده‌اند: نقطه عطف زمانی بود که چراغ‌ها در تاریکی روشن می‌شدند و در آن لحظه، هستی متولد می‌شد. آنگاه‌که نور شدید ساطع‌شده از نخستین ستاره‌ها گازهای هیدروژن اطراف را برانگیخت، باعث شد تا نور، بخشی از میکروامواج کهکشانی را جذب کند. این امواج، انرژی به‌جامانده از انفجار بزرگ در فرکانس‌های خاص بودند. دانشمندان انگلیسی در این تحقیقات پیشتاز بودند. بیشتر اخترشناسان از آرایه‌های بزرگ شامل چند بشقاب‌ ماهواره‌ای استفاده می‌کردند که به یکدیگر متصل شده بودند.

محققان در فوریه 2018 اعلام کردند که برای اولین بار جذب سیگنال را تشخیص دادند. درحالی‌که هیدروژن خنثی، به‌طورمعمول تشعشعاتی را با طول‌موج 21 سانتی‌متر جذب می‌کند، گسترش جهان هستی طی میلیون‌ها سال، این طول‌موج را به 385 سانتی‌متر گسترش داده است. این بدان معناست که درخشش نخستین ستاره‌ها 180 میلیون سال بعد از انفجار بزرگ و زودتر از حد انتظار اخترشناسان آغاز شده بود.

یکی دیگر از دانشمندان با سفر به این منطقه، مطالعاتی را انجام داد و درنهایت به این نتیجه رسید که جذب اضافی به دلیل وجود گازهای هیدروژنی بود که در اطراف اولین ستاره‌ها قرار داشت و خنک‌تر از حد انتظار بود و امکان جذب بیشتر از تابش زمینه کیهانی را ایجاد می‌کرد. این محقق بر این باور بود که تنها یک مورد باعث سرد شدن این گاز می‌شود و آن ماده تاریک است.

ماده تاریک نقش عجیبی در جهان هستی ایفا می‌کند. این ماده نامرئی، بیشترین حجم مواد کیهانی را تشکیل می‌دهد و به‌نوعی حدود 16 درصد از تمام چیزهایی که به چشم دیده می‌شوند مانند ستارگان، گوسفند و گاو از ماده تاریک تشکیل شده‌ است. شکار این ماده معمول بسیار آسان است. اما ماده تاریک بیشتر با مبهم بودن تعریف می‌شود به طوری که شناسایی آن غیرممکن است. تاکنون، تنها نشانه‌ها از حضور آن، نیروی گرانشی بوده است به طوری که کهکشان‌هایی که حول محورهایشان و حول فضایی نامرئی می‌چرخند.

درواقع، ماده تاریک از آغاز در جهان هستی وجود داشته است و اولین بار در دهه 1930 از برابر رادار دانشمندان عبور کرد. و اخترشناسان دریافتند که کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی سریع‌تر ازآنچه انتظار می‌رفت، حرکت می‌کنند. از آن زمان، نشانه‌های مشابهی از آزمایش‌ها به دست آمده که نشان می‌دهد نور چگونه توسط خوشه‌های عظیم کهکشانی می‌شکند.

مدارک غیرمستقیمی نیز شامل جاذبه وجود دارد که باعث شده دانشمندان به این نتیجه برسند که جاذبه ممکن است در نقاط مختلف جهان هستی متفاوت باشد به‌طوری‌که ماده تاریک، توهمی فراتر از حد تصور ماست. محققان شواهدی به دست آورده‌اند که نشان می‌دهد ماده تاریک به جاذبه وابسته نیست. اخترشناسان در اواخر دهه 1980 تلاش کردند تا از موضوع ماده تاریک برای کمک به فیزیک‌دانان ذره استفاده کنند.

آن‌ها بسته به اطلاعات موجود درباره این ماده، اعلام کردند که ماده تاریک می‌تواند نوعی از ذرات سنگین باشد که با دیگر مواد بسیار ضعیف تقابل می‌کنند تا به‌طور مستقیم مشاهده شوند. محققان در سال‌های اخیر و مدت‌زمان طولانی به دنبال آن بودند که یکی از آن‌ها را به دام بیندازند. آن‌ها آزمایش‌های خود را در عمق یخ‌های قطب جنوب، در معادن متروکه انجام دادند. کهکشان راه شیری سیگنال‌های مشابهی حدود 10 هزار بار قوی‌تر تولید می‌کند.

محققان بر این باورند که اگر ماده تاریک کاملاً از ذراتی سبک‌تر از ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف باشند، آنگاه آن‌ها نیز در زمان انتشار زمینه کیهانی، با مواد طبیعی تقابل می‌کنند. در عوض ذرات جدید، چیزی بین یک‌سوم یک درصد و 2 درصد کل ترکیب ماده تاریک را در برمی‌گیرد.

محققان حدود دو دهه روی جایگزین‌های ماده تاریک فعالیت می‌کنند. آن‌ها به‌طور ویژه روی ایده‌ای کار می‌کنند که بیانگر آن است که قانون جاذبه در تمام جهان هستی به یک اندازه نیست. با وجود ماده تاریک، می‌توان انتظار داشت که جهان هستی با سرعت کمی گسترش یابد. بدون ماده تاریک، هستی با سرعت بالاتری توسعه یافته و فضای بیشتری را بین زمینه کیهانی و ستارگان نخستین ایجاد می‌کند. این بدان معناست که گاز بیشتری بین این دو ایجاد می‌شود و در نتیجه، مقدار جذب آن بیشتر از حد انتظار خواهد شد.

دانشمندان حدود یک دهه پیش در آزمایشی متوجه وجود امواج رادیویی زیادی در آسمان شدند. حتی امروز هم این حد بالای امواج رادیویی هیچ‌گونه تعریفی ندارد. طبق نظر محققان، چنانچه تنها یک یا 2 درصد این مقدار بسیار بالا با درخشش ستاره‌های نخستین وجود داشت، قدرت این سیگنال‌ها را می‌توانست تفسیر کرد.

همچنین برای دانستن این که این امواج از کجا نشئت می‌گیرند، به تحقیقات گسترده‌تری نیاز است. یکی از این احتمالات، سیاه‌چاله‌های اولیه است که مدت‌زمان طولانی به دور جهان هستی می‌چرخیدند.

مترجم: ندا اظهری