آسمان شب چه دستاوردی برای «جیمز وب» داشت؟

در این گزارش به شرح این مساله می‌پردازیم که تلسکوپ فضایی «جیمز وب» از زمان پرتاب تاکنون چگونه مدل‌های تکامل کیهانی ما را تغییر داده و همچنان به بینش ما درباره جهان هستی عمق می‌بخشد. ابزار‌های با وضوح بالای آن، اجرامی را نشان می‌دهند که برای گذشته بسیار دور هستند و امکان مطالعه ستارگان اولیه، کهکشان‌ها و سیارات فراخورشیدی بالقوه قابل سکونت را فراهم می‌کنند

کد خبر: ۵۹۶۳۱

تاریخ انتشار: ۱۱ فروردين ۱۴۰۴ - ۱۳:۵۸

مخاطب۲۴- روز ۲۵ دسامبر ۲۰۲۱ بود که پس از سال‌ها تاخیر، آزمایش و هزینه‌های چشمگیر، سرانجام تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) به فضا پرتاب شد، اما نشان داد که این انتظار، ارزش صبر اخترشناسان، اخترفیزیکدانان، کیهان‌شناسان، مهندسان و علاقه‌مندان به فضا را داشت.

این تلسکوپ فضایی نسل جدید، بزرگترین و پیچیده‌ترین رصدخانه فضایی است که تاکنون به فضا پرتاب شده است و حساس‌ترین رصدخانه فروسرخ است که تاکنون ساخته شده است.

هر آنچه «جیمز وب» از زمان آغاز عملیات علمی خود در ژوئیه ۲۰۲۲ فاش کرده است، دیدنی و خیره‌کننده بوده است.

{$sepehr_key_11933}

«جیمز وب» به عنوان یک ماموریت جانشین برای تلسکوپ‌های فضایی هابل و اسپیتزر، مجهز به تصویرگر‌ها و طیف‌سنج‌هایی با وضوح بالاست که به آن اجازه می‌دهد اجرامی را مشاهده کند که برای مأموریت‌های قبلی، بسیار دور یا کم‌نور هستند.

این تلسکوپ، امکان بررسی در بسیاری از زمینه‌های ستاره‌شناسی و کیهان‌شناسی را از جمله مشاهده اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها در کیهان، منظومه‌های ستاره‌ای جوان و سیاراتی که هنوز در حال شکل‌گیری هستند و همچنین توصیف سیارات فراخورشیدی بالقوه قابل سکونت فراهم می‌کند.

بسیاری از این یافته‌ها به همان اندازه که فاش کننده و دیدنی بودند، غیرمنتظره نیز بودند.

اهداف اصلی «جیمز وب» شامل حل برخی از عمیق‌ترین اسرار کیهان‌شناسی، مانند سرعت انبساط جهان و چگونگی شکل‌گیری اولین کهکشان‌ها بود. با این حال، مشاهدات آن به جای حل این اسرار، آنها را عمیق‌تر کرده است.

پس از بیش از دو سال مشاهدات و انتشار داده‌ها توسط «جیمز وب»، اکنون زمان ارزیابی آنچه که به ما نشان داده است، فرا رسیده است.

کنار زدن حجاب جهان

یکی از اهداف اولیه «جیمز وب»، مشاهده تشکیل اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها بود که تقریباً ۳۸۰ هزار سال پس از مه‌بانگ آغاز شد. این مصادف است با چیزی که کیهان‌شناسان به عنوان «عصر تاریک» کیهانی می‌شناسند که تا یک میلیارد سال پس از مه‌بانگ ادامه داشت.

قبل از این دوره، اولین ذرات زیر اتمی در کیهان، متشکل از الکترون‌ها و پروتون‌ها تشکیل شدند که با هم ترکیب شدند و اولین اتم‌های هیدروژن و هلیوم را ایجاد کردند. در نتیجه، کیهان توسط ابر‌های هیدروژن خنثی در سراسر این دوره نفوذ کرد.

تنها منابع نور (فوتون‌ها) از این عصر کیهان‌شناسی که امروزه برای ستاره‌شناسان قابل مشاهده است، تابش باقی‌مانده‌ای است که اکنون به عنوان تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) و فوتون‌هایی که گه‌گاه توسط اتم‌های هیدروژن خنثی آزاد می‌شوند، قابل مشاهده است. این فرآیند از اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها به وجود آمد که بیشتر هیدروژن خنثی در جهان را دوباره یونیزه کرد.

با توجه به فواصل کیهانی درگیر، منبع نور دوم «تغییر طیف سرخ» است، تا جایی که فقط در قسمت‌هایی از طیف فروسرخ قابل مشاهده است که مشاهده آنها بسیار دشوار است.

به طور خلاصه، دوره‌ای که اولین ستارگان و کهکشان‌ها شکل گرفتند و شروع به تکامل کردند، قبلاً برای ستاره‌شناسان «تاریک» بودند و از همین رو نام آن را «عصر تاریک» گذاشته بودند.

طی چند صد میلیون سال بعد، ابر‌های هیدروژنی با هم ادغام شدند و اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها را تشکیل دادند؛ دوره‌ای که کیهان‌شناسان آن را «سپیده‌دم کیهانی» می‌نامند. این ستارگان بسیار پرجرم، داغ و با عمر کوتاه بودند و فقط چند ده میلیون سال دوام آوردند و مقادیر شدیدی از اشعه فرابنفش ساطع کردند. این تابش منجر به «عصر بازیونیزه‌شدن» شد؛ جایی که هیدروژن خنثی به پلاسما، الکترون‌های آزاد و پروتون‌ها تقسیم شد.

این فرآیند تا یک میلیارد سال پس از مه‌بانگ، منجر به «شفاف» شدن جهان برای ابزار‌های مدرن شد. برای دهه‌ها، دانشمندان امیدوار بودند که این کهکشان‌های اولیه را در حالی که هنوز در حال شکل‌گیری بوده‌اند، مشاهده کنند تا به سؤالاتی در مورد چگونگی شروع تکامل جهان به آنچه امروز می‌بینیم، پاسخ دهد.

به لطف وضوح پیشرفته «جیمز وب» و ابزار‌های پیشرفته فروسرخ آن، اولین کهکشان‌هایی که در طول «سپیده‌دم کیهانی» وجود داشتند، اکنون قابل مشاهده شده‌اند.

با این حال، برخی از شگفتی‌ها در انتظار اخترشناسان بود، زیرا «جیمز وب» این حجاب را کنار زد. اول اینکه کمتر از یک میلیارد سال پس از مه‌بانگ، کهکشان‌های بسیار بیشتری نسبت به آنچه که مدل‌های کیهانی تثبیت شده پیش‌بینی می‌کنند، وجود داشته است. دوم اینکه خود کهکشان‌ها بسیار بزرگتر و درخشان‌تر از آنچه انتظار می‌رفت، به نظر می‌رسیدند.

همانطور که ایتان سیگل (Ethan Seigel)، اخترفیزیکدان نظری و نویسنده علم که در کیهان‌شناسی مه‌بانگ تخصص دارد، می‌گوید: ما انتظار داشتیم که کهکشان‌های اولیه از نظر تعداد و درخشندگی کمتر از آنچه ما واقعاً می‌بینیم، به نظر برسند. اما مهمتر از همه، «جیمز وب» یک رصدخانه جدید بود و مدل‌های نظری ما به ما می‌گفت که بر اساس دانش قبل از «جیمز وب» چه انتظاری داشته باشیم.

خوشبختانه ستاره‌شناسان در حال ابداع نظریه‌هایی در مورد این هستند که چرا کهکشان‌های مشاهده شده انتظارات قبلی را نادیده می‌گیرند. بر اساس مطالعه اخیر اخترشناسان بر پایه نظرسنجی بین‌المللی تکامل کیهانی (CEERS)، روشنایی مشاهده شده ممکن است یک توهم نوری بوده باشد.

از لحاظ نظری، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در مرکز این کهکشان‌های اولیه به سرعت گاز مصرف می‌کردند و باعث اصطکاک می‌شدند که باعث تولید نور و گرما توسط گاز می‌شد.

این مشابه چیزی است که اخترشناسان امروزه با اختروش‌ها مشاهده کرده‌اند؛ مناطق مرکزی درخشان کهکشان‌ها با ابرسیاه‌چاله‌هایی که به طور موقت از بقیه کهکشان بیشتر می‌درخشند. اگر چنین بود، نور ساطع شده از گاز، توهم ستارگان بسیار بیشتری را نسبت به مشاهدات «جیمز وب» ایجاد می‌کرد.

تحقیقات مشابه حاکی از آن است که کیهان در این دوره بسیار متراکم‌تر بوده است و از بیرون راندن گاز توسط ستاره‌های اولیه در طول شکل‌گیری جلوگیری می‌کرده است. این بدان معناست که اولین ستارگان در کیهان با سرعت بیشتری شکل گرفته‌اند و به بسیاری از کهکشان‌ها اجازه داده زودتر از حد انتظار به وجود بیایند.

با این حال، همانطور که سیگل توضیح داد، اینها تنها دو مورد از تعداد انگشت شماری از احتمالات هستند.

به گفته وی، چیزی که در مورد یافتن تعداد زیادی از کهکشان‌های ظاهراً درخشان در اوایل تاریخ کیهان جذاب است، این است که باعث می‌شود نه تنها مفروضات زیربنایی خود را دوباره بررسی کنیم، بلکه ما را وادار می‌کند تا برای حل معما تلاش کنیم. به نظر می‌رسد که چهار عامل کمک‌کننده وجود دارد که منجر به این تعداد زیاد از کهکشان‌های درخشان اولیه می‌شود.

وی افزود: اولین مورد این است که «جیمز وب» در مقایسه با آنچه که برای آن طراحی شده بود، عملکرد بیش از انتظاری داشته است. سطوح نوری آن دقیق‌تر و حتی تمیزتر از حد انتظار است، به این معنی که نه تنها کهکشان‌های اولیه، بلکه هر جرمی که مشاهده می‌کند، درخشان‌تر و تیزتر از آنچه انتظار داشتیم، به نظر می‌رسد.

سیگل ادامه داد: دوم اینکه شبیه‌سازی‌های اولیه با جزئیات کافی مدل‌سازی نمی‌کردند که چه اتفاقی برای چگال‌ترین مناطق اولیه در اوایل تاریخ کیهان افتاده است. این مناطق، همانطور که شناخته شده‌اند، احتمالاً دو سوم از اولین کهکشان‌های درخشان را تشکیل می‌دهند، اما دو عامل اخیر، مشاهده‌ای هستند و به ما نشان می‌دهند که مدل‌های پیش از «جیمز وب» ما برای چگونگی تبدیل روشنایی به جرم بیش از حد ساده شده‌اند. ما به سادگی فکر می‌کردیم که نور، جرم را ردیابی می‌کند و نور ستاره‌ای که می‌بینید به شما امکان می‌دهد تا اینکه چه مقدار جرم به شکل ستاره‌ها وجود دارد را بازسازی کنید.

به گفته سیگل، با این حال این تنها در صورتی درست است که فرض کنیم ستارگان مسئول ۱۰۰ درصد نوری هستند که می‌بینیم و همچنین ستاره‌ها با سرعتی پیوسته تشکیل می‌شوند، اما هیچ کدام از این موارد درست نیست. ستارگان به طور پیوسته با سرعت یکسانی شکل نمی‌گیرند، بلکه در طول زمان به صورت انفجاری شکل می‌گیرند، جایی که طی یک انفجار، کهکشان نسبت به جرم خود بسیار درخشان به نظر می‌رسد.

همچنین بسیاری از کهکشان‌های اولیه دارای ابرسیاه‌چاله‌های فعال هستند که می‌توانند به طور موقت به دلیل فعالیت غیرستاره‌ای، درخشش این کهکشان‌ها را افزایش دهند.

تنها با در نظر گرفتن هر چهار عامل فوق می‌توانیم ببینیم که مدل پایه ما از کیهان‌شناسی نقض نشده است و تعداد فراوان کهکشان‌های درخشان و اولیه مشاهده شده توسط «جیمز وب» آن را نقض نکرده است، بلکه «جیمز وب» ما را مجبور کرده عمیق‌تر نگاه کنیم تا بفهمیم دقیقاً چه چیز‌هایی را به چه علتی می‌بینیم؛ بنابراین اگرچه نتایج غیرمنتظره بودند، اما لزوماً به این معنی نیستند که مدل‌های کیهانی ما باید کنار گذاشته شوند. باید کمی در آنها تجدید نظر کرد، اما نه اینکه آنها را کنار گذاشت.

تنش هابل

یکی دیگر از اهداف اصلی ماموریت «جیمز وب»، حل تناقضات اندازه‌گیری فواصل کیهانی بود که از دهه ۱۹۹۰ گریبان اخترشناسان را گرفته است.

وقتی صحبت از اندازه‌گیری فواصل کیهانی می‌شود، اخترشناسان به چندین روش متکی هستند که در مجموع به عنوان «نردبان فاصله کیهانی» شناخته می‌شوند. دانشمندان با این اندازه‌گیری‌ها می‌توانند سرعت انبساط کیهان (معروف به ثابت هابل-لومتر) را در طول زمان تعیین کنند.

اخترشناسان برای فواصل محلی حدود ۱۰ هزار تا ۱۰۰ هزار سال نوری به اندازه‌گیری اختلاف منظر ستارگان «متغیر دلتا قیفاووسی» متکی هستند. اندازه‌گیری اختلاف منظر از دوران باستان برای تعیین فاصله سیارات استفاده شده است.

در نجوم مدرن، این روش، ستارگانی را مشاهده می‌کند که در طول زمان از نظر روشنایی تغییر می‌کنند. از همین رو به آن «متغیر» می‌گویند. این روش به دانشمندان اجازه می‌دهد تا بر اساس میزان نوری که به رصدخانه‌های ما می‌رسد، تعیین کنند که چقدر باید از ما فاصله داشته باشند.

ستاره‌شناسان برای فواصل ۱۰۰ هزار تا ۱۰۰ میلیون سال نوری به متغیر‌های «دلتا قیفاووسی» (Cepheids) و «آرآر شلیاقی» (RR Lyraes) متکی هستند.

پله بعدی این نردبان به اجرام بسیار درخشان‌تری نیاز دارد. ابرنواختر‌های نوع ۱ a که به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد تا اندازه‌گیری‌های انتقال به سرخ کهکشان‌هایی را تا فاصله ۱۰ میلیارد سال نوری از ما انجام دهند. برای فراتر از این نیز اخترشناسان برای تعیین فواصل باید به اندازه‌گیری‌های «انتقال به سرخ» تکیه کنند.

«انتقال به سرخ» توضیح می‌دهد که چگونه نور از منابع کیهانی دور به سمت انتهای سرخ طیف منتقل می‌شود. این نتیجه انبساط کیهان (معروف به قانون هابل) است؛ جایی که فاصله فزاینده بین زمین و اجرام آسمانی باعث می‌شود طول موج این نور طولانی‌تر شود و سرخ‌تر به نظر برسد. قبل از دهه ۱۹۹۰، مشاهدات نجومی و اندازه‌گیری‌های انتقال به سرخ، به اجرام در فاصله چهار میلیارد سال نوری از زمین محدود می‌شد.

اخترشناسان به لطف مشاهدات انجام شده توسط تلسکوپ فضایی هابل در دهه‌های ۱۹۹۰ و ۲۰۰۰ توانستند جابه‌جایی برخی از دوردست‌ترین اجرام کیهان را مشاهده و اندازه‌گیری کنند؛ یعنی کهکشان‌هایی که از «عصر تاریک» در حدود ۱۳ میلیارد سال پیش ظاهر شدند.

این مشاهدات شامل مشاهدات میدان عمیق هابل (HDF) در سال ۱۹۹۵ و میدان عمیق هابل جنوبی (HDF-۲) در سال ۱۹۹۶ بود. پس از آن میدان فوق عمیق هابل (HUDF) در سال ۲۰۰۲ انجام شد.

این با اندازه‌گیری تابش پس‌زمینه کیهانی توسط ماموریت‌هایی مانند کاوشگر پس‌زمینه کیهانی ناسا (COBE) و ماموریت پلانک آژانس فضایی اروپا (ESA) همراه بود. این مأموریت‌ها به اخترشناسان اجازه می‌داد تا اندازه‌گیری‌های انتقال به سرخ اولیه‌ترین نور در کیهان را انجام دهند. متأسفانه نتایج به درستی اندازه‌گیری نشد و ستاره‌شناسان مقادیر متفاوتی را بین اندازه‌گیری‌های محلی و اندازه‌گیری‌های دوردست‌ترین کهکشان‌ها به دست آوردند.

اندازه‌گیری‌های انجام شده از تابش پس‌زمینه کیهانی نشان داد که ثابت هابل حدود ۶۸ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک (Mpc) است. این بدان معناست که به ازای هر میلیون پارسک (حدود ۳.۲۶ میلیون سال نوری)، سرعت انبساط کیهان در هر ثانیه ۶۸ کیلومتر افزایش می‌یابد. با این حال، اندازه‌گیری‌های محلی مقدار ۷۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک را نشان داد. این نتایج در «تنش» با یکدیگر بودند، از این رو اصطلاح «تنش هابل» برای آن بکار برده می‌شود.

سیگل می‌گوید: کاری که «جیمز وب» در انجام آن فوق‌العاده بود، حل یکی از بزرگترین عدم قطعیت‌های باقی‌مانده در اندازه‌گیری «دلتا قیفاووسی» در نردبان فواصل کیهانی، یعنی ازدحام میدانی ستاره‌های متغیر قیفاووسی در کهکشان‌هایی فراتر از کهکشان ما بود. ما اکنون با وضوحی که «جیمز وب» ارائه می‌دهد، می‌توانیم ببینیم که داده‌های هابل واقعاً به درستی تفسیر شده است و این، اهمیت «تنش هابل» را بیشتر می‌کند.

تلاش‌هایی برای توضیح این موضوع صورت گرفته است، از جمله این احتمال که «انرژی تاریک اولیه» (EDE) در این دوره در حال کار بوده است. بر اساس این نظریه، حضور EDE منجر به انفجاری از انبساط اضافی و غیرمنتظره در جهان جوان می‌شود. EDE حدود ۱۰ درصد از کل چگالی انرژی کیهان را تشکیل می‌داده، سپس سریع‌تر از سایر اشکال تشعشع فروپاشی کرده و تکامل اواخر جهان را بدون تغییر باقی گذاشته است.

سیگل می‌گوید: توضیحات بالقوه‌ای وجود دارد که انرژی تاریک اولیه یکی از آنهاست و همه آنها از بسیاری جهات ناراضی کننده هستند. این یک معمای آسان نیست، بلکه بخشی از چیزی است که آن را بسیار جالب می‌کند.

اینها تنها بخشی از اسراری هستند که «جیمز وب» تاکنون بررسی کرده است و آنچه یافته است، بسیاری از تصورات قبلی درباره جهان را به چالش کشیده است. این یافته‌ها و تلاش‌های دانشمندان برای حل آنها مستلزم آن است که مدل‌های فعلی ما دستخوش تغییرات و تعدیل‌های جزئی شوند. با این حال، «جیمز وب» منجر به نظریه‌های بهبود یافته و دقیق‌تر در مورد چگونگی شکل‌گیری و تکامل جهان از زمان مه‌بانگ می‌شود.

تغییر مدل‌های تکامل کیهانی با یافته‌های «جیمز وب»

قبل از «جیمز وب»، ایده اصلی این بود که سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای به تدریج به سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم یا ابرسیاه‌چاله‌ها تبدیل شده‌اند.

تاکنون بررسی کردیم که «جیمز وب» چگونه به قرون تاریک کیهانی نفوذ کرده و اولین کهکشان‌های جهان را به تصویر کشیده است. این مشاهدات همچنین به اخترشناسان اجازه می‌دهد تا تخمین‌های خود را در مورد انبساط کیهانی (معروف به ثابت هابل) به‌روزرسانی کنند؛ کاری که آنها برای دهه‌ها تلاش کرده‌اند انجام دهند.

با این حال، این مشاهدات برخی از یافته‌های واقعاً غیرمنتظره را نشان داد. مشاهدات «جیمز وب» بیش از پیش‌بینی‌های مدل‌های کیهانی ما در کیهان اولیه، کهکشان‌های بیشتری را نشان داد. علاوه بر این، کهکشان‌ها بسیار درخشان‌تر از حد انتظار بودند که نشان می‌دهد ستارگان سریع‌تر از آنچه این مدل‌ها پیش‌بینی می‌کردند، شکل گرفته‌اند.

علاوه بر همه اینها، این مشاهدات نشان داد که در واقع تضاد بین اندازه‌گیری‌های فاصله محلی و اندازه‌گیری‌های کیهان اولیه (معروف به تنش هابل) وجود دارد.

ستاره‌شناسان و کیهان‌شناسان برای توضیح این مکاشفات غیرمنتظره سخت کار کرده‌اند و نظریه‌های جالبی نیز ارائه شده است که شامل انرژی تاریک اولیه (EDE) است که در دوران اولیه کیهان فشار بیشتری را وارد کرده و جست‌و‌جو برای توضیحات بیشتر آن ادامه دارد.

در این میان، «جیمز وب» اکتشافات شگفت‌انگیز دیگری را رقم زده است که شامل مشاهدات سیارات فراخورشیدی، اولین ابرسیاه‌چاله‌ها (SMBH) در کیهان و حتی برخی جزئیات شگفت انگیز در مورد سیارات منظومه شمسی است.

خصوصیات سیاره‌های فراخورشیدی

تلسکوپ فضایی «جیمز وب»، مطالعه سیارات فراخورشیدی را با انتقال میدان دید از کشف به تعیین مشخصات دقیق آنها متحول کرده است.

تاکنون ستاره‌شناسان وجود ۵۷۸۷ سیاره فراخورشیدی را در ۴۳۲۵ منظومه سیاره‌ای تایید کرده‌اند و هزاران سیاره دیگر نیز در انتظار تایید هستند.

دانشمندان با ابزار‌ها و طیف‌سنج‌های پیچیده فروسرخ «جیمز وب» می‌توانند اتمسفر این سیارات را برای شناسایی نشانه‌های شیمیایی مانند بخار آب، اکسیژن یا متان که ممکن است به قابلیت سکونت یا حتی حیات در یک سیاره فراخورشیدی اشاره کند، تجزیه و تحلیل کنند.

یکی از سیاره‌های فراخورشیدی که «جیمز وب» مشاهده کرده، «WASP-۹۶ b» نام دارد که یک «مشتری داغ» است که به دور ستاره خورشیدمانند خود در فاصله ۱۱۵۰ سال نوری از ما می‌گردد که فاصله بسیار نزدیکی است. به لطف «جیمز وب»، دانشمندان در ژوئیه ۲۰۲۲ وجود آب و شواهدی از ابر و مه را در جو این سیاره کشف کردند.

تجزیه و تحلیل‌های بعدی، وجود کربن دی اکسید و سایر فراوانی‌های شیمیایی را در این سیاره تأیید کرد. این بسیار غیرمنتظره بود، زیرا اعتقاد بر این بود که این سیاره برای تشکیل ابر‌ها در جو خود بیش از حد گرم است.

«جیمز وب» همچنین چیز‌های جالبی در مورد سیاره فراخورشیدی «K ۲-۱۸ b»، یک سیاره سنگی که چندین برابر اندازه و جرم زمین است، فاش کرد. این سیاره به دور یک ستاره کوتوله سرخ در فاصله ۱۲۰ سال نوری از زمین می‌چرخد ​​و در ابتدا در سال ۲۰۱۵ مشاهده شد.

مشاهدات قبلی با تلسکوپ هابل نشان داد که «K ۲-۱۸ b» می‌تواند یک «دنیای هایشن (Hycean)»، به معنی سیاره‌ای با جوی غنی از هیدروژن و پوشیده از اقیانوس‌ها باشد. با این حال «جیمز وب» در سپتامبر ۲۰۲۳، متان و کربن دی اکسید را در جو این سیاره شناسایی کرد. در حالی که اینها شواهدی از خود حیات نیستند، اما نشانه‌های زیستی واضحی هستند که می‌توانند حضور حیات را نشان دهند.

ابرسیاه‌چاله‌ها

یکی دیگر از دستاورد‌های مهم «جیمز وب» مشاهده سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم یا ابرسیاه‌چاله‌ها در کیهان اولیه بود. ستاره‌شناسان با مشاهده بذر‌های اولیه این سیاه‌چاله‌ها در کهکشان‌هایی که کمتر از یک میلیارد سال پس از مه‌بانگ وجود داشته‌اند، می‌توانند نحوه تکامل این اجرام عظیم را بهتر درک کنند.

ستاره‌شناسان چندین دهه بود که می‌دانستند ابرسیاه‌چاله‌ها در مرکز عظیم‌ترین کهکشان‌های جهان قرار دارند. وجود این غول‌ها باعث می‌شود که گاز، غبار و ستارگان اطراف در اطراف آنها فرو بپاشند و دیسک‌های برافزایشی درخشان را تشکیل دهند.

این امر منجر به چیزی می‌شود که به عنوان هسته‌های فعال کهکشانی (AGN) یا اختروش‌ها شناخته می‌شود؛ جایی که مرکز کهکشان به شکل دوره‌ای، درخشان‌تر از همه ستاره‌های ترکیبی در دیسک برافزایشی می‌درخشد.

«جیمز وب» در سال ۲۰۲۳ کهکشان‌ها را در زمانی که کیهان کمتر از یک میلیارد سال سن داشت، مشاهده کرد. زمانی که اخترشناسان کهکشان «EGSY ۸ p ۷» را که فقط ۵۷۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ به وجود آمده، مورد مطالعه قرار دادند، یک یافته جالب رخ داد.

با این حال، آنها تا حدودی از دیدن یک ابرسیاه‌چاله در مرکز این کهکشان جوان با جرم تقریباً ۹ میلیون برابر خورشید شگفت‌زده شدند.

البته این یافته دقیقاً یک افشاگری پیشگامانه نبود. اتان سیگل به عنوان اخترفیزیکدان نظری و نویسنده حوزه علم می‌گوید: ما برای سال‌های متمادی، ابرسیاه‌چاله‌های عظیم با جرم صد میلیون خورشید را در کهکشان‌هایی مشاهده کرده‌ایم که تقریباً به همان اندازه جوان بودند و ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ به وجود آمده‌اند. ما با ظهور «جیمز وب» توانستیم فواصل دورتر را نگاه کنیم و حتی کهکشان‌های قدیمی‌تر را پیدا کنیم. آنها هنوز ابرسیاه‌چاله داشتند.

وی افزود: ابرسیاه‌چاله «CEERS ۱۰۱۹» رکوردی را برای اولین ابرسیاه‌چاله ثبت کرد، اما چندان بزرگ نبود و فقط کمی زودتر از ابرسیاه‌چاله‌های قبلی به وجود آمده بود. همچنین در یک کهکشان بزرگ و پرجرم قرار داشت که بسیار بسیار سنگین‌تر (از نظر محتوای ستاره‌ای آن) از جرم ابرسیاه‌چاله درون آن بود.

شگفتی واقعی زمانی رخ داد که ستاره‌شناسان با استفاده از «جیمز وب» و رصدخانه پرتو ایکس چاندرا رصد‌های دوگانه را برای مطالعه کهکشان UHZ ۱ انجام دادند. این کهکشان زمانی وجود داشته که کیهان حدود ۴۷۰ میلیون سال سن داشته است. در مرکز آن ابرسیاهچاله «CEERS ۱۰۱۹» را مشاهده کردند که جرم آن ۴۰ میلیون برابر خورشید ماست. این کشف دانشمندان را شگفت‌زده کرد و به طور قابل توجهی بر درک ما از تکامل کیهانی تأثیر گذاشت.

سیگل می‌گوید: تفکر اصلی قبل از «جیمز وب» این بود که سیاهچاله‌ها از ستارگان تشکیل شده‌اند و سیاهچاله‌های ستاره‌ای به نحوی به ابرسیاه‌چاله‌هایی تبدیل شده‌اند که در زمان‌های بعدی ظاهر می‌شوند. این را تا زمانی می‌توان توضیح داد که جرم این کهکشان‌های اولیه در ستاره‌ها از جرم ابرسیاه‌چاله مرکزی بیشتر باشد. برای ابرسیاه‌چاله «CEERS ۱۰۱۹» این هنوز هم صادق است. تا زمانی که کهکشان UHZ ۱ را پیدا کردیم و با چاندرا آن را دوگانه مشاهده کردیم، در واقع آن ابرسیاهچاله را پیدا کردیم و فهمیدیم که این داستان فرق می‌کند.

این کشف باعث شد ستاره‌شناسان پیشنهاد کنند که بذر‌های اولین ابرسیاه‌چاله‌ها احتمالاً سیاهچاله‌هایی با فروپاشی مستقیم بوده‌اند که از فروپاشی ستارگان پرجرم در اوایل کیهان به وجود آمده‌اند.

اخترشناسان از این ستارگان به عنوان ستارگان «جمعیت ۳» یاد می‌کنند که به نظر می‌رسد بسیار داغ، عظیم و کوتاه‌عمر بوده‌اند. همانطور که در قسمت قبلی ذکر شد، اعتقاد بر این است که این ستارگان به عصر یونیزه شدن منجر شده‌اند که حدود ۱۳ میلیارد سال پیش منجر به شفاف شدن جهان شده است، به این معنی که برای ستاره‌شناسان امروزی قابل مشاهده شده است.

منظومه شمسی

«جیمز وب» در فاصله نزدیکتر به خانه ما یعنی زمین، تصاویر خیره‌کننده‌ای از سیارات و اجرام در منظومه شمسی خودمان گرفته است. این تصاویر و طیف‌های به دست آمده منجر به چندین یافته و افشاگری غیرمنتظره شده است.

برای مثال، ابزار فروسرخ «جیمز وب»، تصاویر جدید و نفس‌گیری از غول‌های گازی و یخی منظومه شمسی مانند مشتری، زحل، اورانوس و نپتون ارائه کرده است. وضوح و پیچیدگی بالای این ابزارها، جزئیات جالبی را نشان می‌دهد که شامل تصاویر خیره کننده از قمر‌های مشتری، جو سیاره‌ها و قمرها، حلقه‌های زحل و برخی دیگر از یافته‌های غیرمنتظره بود.

به عنوان نمونه، یک کمپین رصدی که در ژوئیه ۲۰۲۲ با استفاده از ابزار «جیمز وب» موسوم به NIRSpec انجام شد، ساختار‌های پیچیده و غیرمنتظره‌ای را در جو مشتری، از جمله کمان‌های تاریک و نقاط روشن نشان داد.

این ساختار‌ها بر فراز نقطه قرمز بزرگ معروف سیاره مشتری مشاهده شدند که منطقه پرفشار پایداری است که منجر به بزرگترین طوفان در منظومه شمسی می‌شود.

به گفته تیم تحقیقاتی که آنها را مشاهده کردند، این ساختار‌ها نشان می‌دهند که امواج گرانشی به طور قابل توجهی جو فوقانی مشتری را شکل می‌دهند. این مشاهدات همچنین نشان داد که دمای بالای لکه قرمز بزرگ مشتری کمتر از حد انتظار است.

ضمن اینکه «جیمز وب» شواهدی از یک جریان فواره‌ای که قبلاً دیده نشده بود، در جو مشتری با عرض بیش از ۴۸۰۰ کیلومتر و حرکت با سرعت حدود ۵۱۵ کیلومتر در ساعت یافت.

همچنین دانشمندان در فوریه ۲۰۲۳ یک سیارک کوچک ناشناخته را در کمربند اصلی سیارکی مشاهده کردند. این سیارک ۱۰۰ تا ۲۰۰ متر قطر دارد که آن را به کوچکترین جرم کشف شده توسط «جیمز وب» تبدیل می‌کند. از آنجایی که تشخیص اجرام با این اندازه با استفاده از تلسکوپ‌های معمولی بسیار دشوار است، این کشف، سودمندی «جیمز وب» را در تشخیص اجرام در محله نجومی خودمان به نمایش گذاشت.

این اکتشافات تنها تعدادی از چیز‌هایی است که «جیمز وب» تاکنون در مورد جهان ما فاش کرده است. آنها همچنین بینش وسوسه انگیزی از آنچه در آینده در راه است، ارائه می‌دهند.

آنچه درباره اولین کهکشان‌های کیهان، انبساط کیهانی، سیارات فراخورشیدی و اجرام در منظومه شمسی فاش خواهد شد، تحقیقات نجومی را برای چند دهه آینده تقویت خواهد کرد. بسیاری از آنچه که «جیمز وب» تاکنون فاش کرده است، با رصد‌های بعدی توسط تلسکوپ‌های نسل بعدی تکمیل خواهد شد.

نسل بعدی تلسکوپ‌ها شامل تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس ناسا (RST)، تلسکوپ «طیف فتومتر برای تاریخچه کیهان»، تلسکوپ «عصر بازیونیزه شدن و کاوشگر یخ‌ها» (SPHEREx) و تلسکوپ «گذر‌های سیاره‌ای و نوسانات ستاره‌ها» (PLATO) و تلسکوپ آریل (ARIEL) خواهد بود.

آنها الهام‌بخش بررسی‌های آینده توسط رصدخانه پیشنهادی جهان‌های قابل سکونت (HWO) ناسا خواهند بود.