همگرایی گرانشی چیست و تلسکوپ جیمز وب چگونه از آن استفاده می‌کند؟

نخستین تصویر منتشرشده از جیمز وب، چشم‌انداز خیره‌کننده‌ای از خوشه کهکشانی SMACS 0723 بود. چیز‌های زیادی در این تصویر برای دیدن وجود دارد ولی اگر به اندازه کافی به آن نگاه کرده باشید، متوجه کشیدگی بعضی از کهکشان‌ها در تصویر شده‌اید. این کشیدگی حاصل ویژگی‌های تلسکوپ نیست و یک اعوجاج واقعی در بخشی از فضا است که هدف تصویربرداری قرار گرفته است.

گرانش رابطه مستقیمی با جرم دارد، هرچه جرم ماده بیشتر باشد، اثر گرانشی آن نیز قدرتمند‌تر خواهد بود. این همان نیرویی است که ما را روی زمین چسبانده و سیاره‌مان را در مدارش پیرامون خورشید نگه می‌دارد. ولی عملکرد این نیرو با آنچه بیشتر مردم تصور می‌کنند متفاوت است. گرانش تار و پود فضا-زمان را خم می‌کند.

تصویر زمینه ژرف وب.

دکتر تِمیا نانایاکارا، دانشمند ارشد مرکز داده استرالیایی جیمز وب می‌گوید: «مجموعه‌ای از کهکشان‌های پر جرم که در نزدیکی یکدیگر قرار دارند را تصور کنید؛ این یک خوشه‌ی کهکشانی است. به دلیل جرمِ بسیار زیاد در این منطقه، این خوشه فضای پیرامون خود را خم می‌کند، درست مانند زمانی که یک گوی سنگین را روی یک تُشک نرم بیاندازیم. زمانی که نور کهکشان‌های پس‌زمینه از میان این منطقه عبور می‌کند، مسیری که می‌پیماید، خمیده می‌شود. این امر کشیدگی تصویر کهکشان‌های پس‌زمینه را به‌دنبال دارد.» این پدیده، همگرایی گرانشی نام دارد و اثر آن به وضوح در تصویر جدید جیمز وب دیده می‌شود.

رابین کوک، ستاره‌شناس «مرکز بین‌المللی پژوهش‌های ستاره‌شناسی رادیویی» می‌گوید: «همه‌ی مواد از جمله من و شما، چنین اعواجی را در فضا ایجاد می‌کنند. ولی اثر همگرایی گرانشی فقط زمانی قابل توجه است که مقادیر عظیمی از ماده وجود داشته باشد تا مانند یک عدسی رفتار کند؛ همان‌طورکه یک خوشه‌ی کهکشانی در تصویر جدید جیمز وب این کار را انجام داده است. در این تصاویر نور کهکشان‌های بسیار دوردست را می‌بینیم که پیرامون خوشه‌ی کهکشانی در پیش‌زمینه خمیده شده و کمان‌های شگفت‌انگیزی را ایجاد کرده‌اند. ازآنجاکه خوشه‌های کهکشانی کاملاً کروی نیستند، این پدیده ممکن است نتایج عجیبی مانند تکرار تصویر یک کهشکان در چند جای تصویر را ایجاد کند.»

تصویری از صلیب اینشتین (QSO 2237+0305) که نور اختروشی دوردست پس از عبور از کنار یک کهکشان، چهار تصویر تشکیل داده است.

همان‌طورکه از نام این پدیده بر می‌آید، لنز گرانشی می‌تواند اجرام دوردست را چنان بزرگنمایی کند که بدون آن راه دیگری برای دیدنشان نداشتیم. این فرصتی برای ستاره‌شناسان است تا نگاهی گذرا به دورترین قلمروی فضا و زمان بیندازند.

پروفسور رِی نوریس از سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی همسود استرالیا می‌گوید: «ویژگی اصلی لنز‌های گرانشی این است که فقط نور را خم نمی کنند، بلکه مانند تلسکوپ تصاویر را بزرگنمایی می‌کنند. بنابراین اگر با استفاده از تلسکوپ جیمز وب به یک لنز گرانشی نگاه کنیم، انگار لنز جدیدی به جیمز وب اضافه کرده‌ایم که به ما اجازه می‌دهد کهکشان‌های دوردستی را ببینیم که بدون لنز گرانشی نمی‌توانستیم.»

جیمز وب برای سود بردن از این پدیده بسیار مناسب است. پروفسور متیو کولِس مدیر پژوهشکده ستاره‌شناسی و اخترفیزیک در دانشگاه ملی استرالیا در این باره می‌گوید: «عاملی که جیمز وب را برای بهره‌برداری از این پدیده مناسب می‌کند همان است که آن را برای بسیاری از پژوهش‌های دیگر مناسب کرده است: آینه‌ی بزرگی که در طول موج فروسرخ کار می‌کند. آینه‌ی بزرگ از دو طریق کمک‌کننده است. با آن نه‌تنها می‌توان نور بیشتری جمع آوری کرد (و اهداف کم نور تر را دید) بلکه تصاویر واضح‌تری نیز تشکیل می‌شود (و اهداف کوچک‌تری را می‌توان مشاهده کرد). فعالیت در طول موج فروسرخ نیز کمک‌کننده است. پدیده انتقال به سرخ باعث می‌شود نور اجرام بسیار دوردست در کیهان از طول موج مرئی به بخش فروسرخ طیف منتقل شود. ازآنجاکه اهداف تلسکوپ فضایی جیمز وب کم‌نور، کوچک و بسیار دور هستند، این تلسکوپ در رقابت با تلسکوپ‌هایی مانند هابل که در طول موج مرئی رصد می‌کنند، با فاصله پیروز می‌شود.»

موارد زیادی وجود دارند که می‌توانیم با استفاده از قدرت بی‌نظیر جیمز وب در همکاری با لنز‌های گرانشی بیاموزیم. این ابزار امکان بررسی جهان در سال‌های ابتدایی پس از مِهبانگ (بیگ بنگ) را برای ستاره‌شناسان فراهم می‌کند.

پروفسور کاترین تروت، عضو بخش آینده‌ی انجمن پژوهش استرالیا می‌گوید: «تلسکوپ فضایی جیمز وب همین حالا هم بعضی از کهکشان‌های نسل اول را که در کیهان شکل گرفته‌اند در تصویر خود ثبت کرده است. این تلسکوپ قابلیت ثبت طیف این کهکشان‌ها را دارد و پس از تجزیه به بازه‌های باریک‌تر طول موج‌، ستاره‌شناسان می‌توانند عناصر موجود در آن‌ها را شناسایی کنند. بررسی طیف دریافتی از کهکشان‌هایی که توسط SMACS 0723 بزرگنمایی شده‌اند نشان می‌دهد که کهکشان‌هایی که در چند صد میلیون سال ابتدایی جهان شکل گرفته‌اند، دارای عنصر اکسیژن هستند؛ عنصری که فقط درون ستارگان تولید می‌شود. این مشاهدات در کنار بررسی گاز هیدروژن اولیه با استفاده از تلسکوپ‌های رادیویی فرکانس پایین، مانند «آرایه‌ی میدان‌دید باز مارکیسون»، به ما از زمان شکل‌گیری نسل اول ستارگان در جهان و چگونگی تکامل کهکشان‌ها از کهکشان‌های کوچک و فشرده‌ی اولیه که توسط جیمز وب مشاهده شده‌اند، به کهکشان‌های امروزی که پیرامونمان می‌بینیم، خبر می‌دهند.

دکتر کولس می‌گوید: «ممکن است با اندازه‌گیری اختلاف زمان پیمایش نورِ رویداد‌های گذرا مانند انفجار‌های ستاره‌ای و اختروش‌های چشمک‌زن، پیرامون لنز‌های گرانشی، به اندازه‌های دقیق جدیدی از نرخ انبساط و سن کیهان دست‌یابیم. انتظار داریم ترکیب توان جیمز وب و همگرایی گرانشی، روشی فوق‌العاده قدرتمند برای کاوش دوردست‌های کیهان باشد.» تصاویر نفسگیر اولیه فقط پیش‌نمایشی از آنچه در راه است، محسوب می‌شود و ما بی‌صبرانه منتظر یافته‌هایی هستیم که تلسکوپ فضایی جیمز وب در سال‌های پیش‌رو به ارمغان خواهد آورد.