کشف دور‌ترین کهکشان جهان: روزنه‌ای به عصر «مه‌گسست»

تیمی از اختر‌شناسان مؤسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک)، با بهره‌گیری از طیف‌سنج پیشرفته MOSFIRE، مستقر بر تلسکوپ شماره ۱ رصدخانه کک هاوایی (یکی از دو رکوردار عنوان بزرگ‌ترین تلسکوپ‌ جهان) موفق به کشف کهکشانی شده‌اند که ۲ / ۱۳ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد – و این در حالی‌ست که عمر جهان هستی، در حدود  ۸ / ۱۳  میلیارد سال نوری تخمین زده می‌شود.

این کشف از آنجایی حائز یک اهمیت اساسی است که امکان رصد هر کهکشانی در این برهه از عمر جهان، تاکنون منتفی فرض می‌شد.

طبق پذیرفته‌ترین مدل فعلی علم کیهان‌شناسی، جهان تا حدود ۳۸۰ هزار سال پس از مهبانگ، جهانی «مات» بود؛ که در آن فوتون‌ها به‌واسطه تبادل مستمر تکانه با الکترون‌ها و پروتون‌های آزاد، پیاپی از مسیر سرراست خود منحرف می‌شدند.

بدین‌وسیله جهان عملاً در وضعیتی شبیه به یک «مه» به سر می‌برد؛ تا اینکه روند انبساط فضا طول موج فوتون‌ها را به حدی کاهش داد که دیگر انرژی‌شان کفاف شکستن پیوند الکترون‌ها و پروتون‌ها، و لذا ممانعت از تشکیل نخستین اتم‌های هیدروژن خنثی در جهان را نمی‌داد. از این‌رو فوتون‌ها هم در مسیرشان به ذرات باردار کم و کمتری برمی‌خوردند و بدین‌وسیله غلظت آن «مه» هم به نحو فزاینده‌ای کاهش یافت.

حدفاصل این مقطع تعیین‌کننده در عمر جهان (موسوم به مقطع «بازترکیب» / recombination)، تا موقع تزریق مجدد فوتون‌های پرانرژی به جهان (از محل تشکیل نخستین کهکشان‌ها)، اصطلاحاً «عصر تاریکی» (dark ages) خوانده می‌شود؛ که می‌توانسته از ۵۰۰ میلیون تا ۱ میلیارد سال پس از مهبانگ را شامل شود. در این برهه طولانی‌ نیز فوتون‌ها، تحت تأثیر محیط پیرامون‌شان، امکان حرکت مستقیم‌الخط و آزادانه را نداشتند – هرچند این‌بار فوتون‌هایی با انرژی مشخص.

یک اتم هیدروژن خنثی (متشکل از یک الکترون و یک پروتون)، برای یونیزه شدن کافیست تا‌‌ همان یک الکترون خود را از دست بدهد.

این فرآیند، انرژی‌ای معادل ۲ / ۱۰ الکترون‌ولت می‌طلبد، که می‌تواند از طریق برخورد فوتونی با طول موج ۱۲۱۵ آنگستروم تأمین شود. این فوتون، امضای طیفی مشخصی موسوم به «خط طیفی لیمان آلفا» دارد.

از آنجاکه جهان در عصر تاریکی خود تحت سیطره یک توزیع همگن از گاز هیدوژن خنثی بود و همچنان زمان زیادی مانده بود تا غلظت این گاز در اطراف ناپایداری‌های گرانشی بیشتر شود (و بدین‌وسیله بذر نخستین ساختارهای کیهانی پا بگیرد)، نور حاصل از تشکیل نخستین ستاره‌های جهان (که تصور می‌رود حدود ۱۵۰ میلیون سال پس از مهبانگ ایجاد شده باشند)، بلافاصله جذب گاز هیدروژن خنثی می‌شد و آن را یونیزه می‌کرد. دلیل این امر آن بود که نور تابش‌شده از این نخستین ستاره‌ها (که عمدتاً از‌‌ همان گاز هیدروژن تشکیل شده بودند)، تقریباً بر‌‌ همان خط طیفی لیمان-آلفا منطبق بود؛ و لذا انتظار می‌رود که نخستین چشمه‌های نوری جهان، به‌واسطه همین مکانیسم ساده، برای همیشه از چشممان پنهان شده باشند.

اما با تغییر روبه‌رشد توزیع گاز هیدروژن خنثی و شروع فرآیند شکل‌گیری ساختارهای اولیه کیهان، غلظت هیدروژن خنثی هم رفته‌رفته در بخش اعظم فضای باقیمانده به حدی کاهش یافت که حباب‌های هیدروژن یونیزه در اطراف ستارگان اولیه رفته‌رفته به هم پیوستند و راه عبور بی‌دردسر باقی فوتون‌ها از این پیله کیهانی را هموار کردند. از این فرآیند نسبتاً طولانی، که واپسین سد کیهانی بر سر توزیع فوتون‌ها را از پیش رو برداشت، عموماً با نام «مه‌گسست» (reionization) یاد می‌شود.

اختر‌شناسان تاکنون گمان می‌بردند که دوران مه‌گسست تا قبل از یک‌میلیاردسالگی کیهان همچنان ادامه داشته است، و به همین‌واسطه هم رصد مستقیم کهکشان‌هایی با سن کمتر از حدود یک میلیارد سال (که اکثریت قریب به اتفاق فوتون‌های گسیلی از آن‌ها در محدود خط طیفی لیمان آلفا واقع شده) تقریباً غیرممکن است.

با این‌حال، کشف اخیر دور‌ترین کهکشان یافت‌شده تاکنون در فاصله ۲ / ۱۳ میلیارد سال نوری (آن‌هم از طریق رصد خط طیفی لیمان-آلفا)، حکایت از این دارد که اختر‌شناسان در برآوردهای سابقشان چندان دقیق نبوده‌اند.

البته این احتمال هم وجود دارد که فرآیند مه‌گسست از‌‌ همان ابتدا فرآیندی یکپارچه و همزمان نبوده، یا این‌که مکانیسم تشکیل برخی ستاره‌ها به تولد کهکشان‌هایی چنان درخشان (از جمله همین کهکشان) انجامیده که قلمرو یونیزاسیون پیرامونشان وسعتی غیرمتعارف داشته است.

اختر‌شناسان هم‌اینک در حال بررسی همین احتمالات‌، و همچنین سایر احتمالات مترتب بر راستی‌آزمایی مشاهدات‌ اخیرند، تا معلوم شود که آیا نهایتاً احتیاجی به بازنگری در مدل‌های اخترفیزیکی مرتبط به زمان‌بندی عصر مه‌گسست هست یا نه.