تصاویر جدید تلسکوپ جیمز وب از شکل‌گیری یک خوشه‌ کهکشانی پرده برداشتند

گروهی از پژوهشگرها مقاله‌ای را براساس تصاویر جدید تلسکوپ فضایی جیمز وب منتشر کردند. این تصاویر تراکم زیادی از مواد را در جهان آغازین نمایش می‌دهند که احتمالاً نشان‌دهنده‌ی مراحل اولیه‌ی شکل‌گیری یک خوشه‌ی کهکشانی است. تلسکوپ جیمز وب به‌لطف فناوری طیف‌سنجی، کهکشان‌های متعدد این خوشه را تأیید کرد که پیش‌‌‌‌‌‌از‌‌این با تلسکوپ فضایی هابل عکس‌برداری شده‌ بودند. این تلسکوپ حتی جریان گاز خروجی از بزرگ‌ترین کهکشان موجود را ردیابی کرد.

طیف‌نگاری

سخت‌افزار اصلی این پروژه NIRSpec، طیف‌سنج فروسرخ نزدیک بود که بخشی از مجموعه ابزارهای تلسکوپ فضایی جیمز وب است. این ابزار با وجود پیچیدگی بسیار زیاد، برپایه‌ی همان اصولی کار می‌کند که دوربین‌های معمولی تلفن‌همراه به آن‌ها متکی هستند. در این دوربین‌های مصرفی، حسگرها سه ناحیه‌ی مختلف از طیف مرئی را ثبت می‌کنند: قرمز و سبز و آبی. تصاویری که به‌دست می‌آیند، با ترکیب این اطلاعات ساخته می‌شوند و نواحی مختلف تصویر شدت متفاوتی از هر رنگ را در برمی‌گیرند.

طیف‌سنج هم با ردیابی شدت نور در ناحیه‌ای محدود از طیف عمل می‌کند. تفاوت اصلی طیف‌سنج با دوربین‌های رایج این است که بُرش‌های طیف عکس‌برداری‌شده بسیار کوچک‌تر از یک طیف کامل رنگی مثل آبی هستند. در این صورت، این بُرش‌ها بخشی از رنگ‌ها نیستند؛ بلکه تمام طول‌موج‌ها در ناحیه‌ی فروسرخ طیف قرار دارند. بااین‌حال، درست مانند تصاویر RGB که با دوربین تولید می‌شوند، هر بخش از طیف را می‌توان به‌صورت مستقل آنالیز یا آن‌ها را به یک تصویر رنگی کامل تبدیل کرد که بخش گسترده‌ای از طیف را پوشش می‌دهد.

با جداسازی طول موج‌های مختلف می‌توان حرکت مواد به داخل و خارج از زمین را ردیابی کرد.

حال چرا طیف‌سنج برای رصد اجرام دوردست مفید است؟ دو راه برای بررسی این اجرام وجود دارد. براساس اولین روش، نور جهان آغازین به‌‌‌دلیل انبساط جهان حین حرکت به‌سمت زمین، دچار اثر انتقال به سرخ می‌شود؛ درنتیجه فوتون‌های پرانرژی در طول موج‌هایی مثل فرابنفش به‌تدریج کشیده می‌شوند تا اینکه با رسیدن به تلسکوپ جیمز وب به فوتون‌های فروسرخ تبدیل می‌شوند. با بررسی چگونگی کشیده‌شدن این فوتون‌ها می‌توان به فاصله‌ی اجرام پی برد و برای این کار به طول‌موج فعلی آن‌ها نیاز داریم. ابزاری مثل طیف‌سنج می‌توانند چنین اطلاعاتی را در اختیارمان بگذارند.

دومین قابلیت کلیدی طیف‌سنج ردیابی مواد متحرک است. تمام عناصر مجموعه‌ای از طول‌موج‌های مشخص دارند که در آن‌ها نور منتشر می‌کنند؛ اما اگر درمقایسه‌با ناظر در حرکت باشند، طول‌موج آن‌ها به‌دلیل اثر داپلر می‌تواند دچار انتقال به سرخی یا آبی شود و کمی تغییر کند؛ بنابراین، با شناسایی پرتوهای مشخصی از عناصر و چگونگی انتقال آن‌ها، می‌توان حرکت اتم‌ها را حتی در فواصل دوردست ردیابی کرد.

کهکشان فعال در خوشه‌ای متراکم

تلسکوپ جیمز وب برای پژوهش جدید به‌سمت جرمی موسوم به اختروش یا هسته‌ی کهکشانی فعال قرار گرفت. این اجرام به‌دلیل نور مواد چرخان اطراف سیاه‌چاله‌های کلان جرم مرکز کهکشان بسیار درخشان هستند. در این نمونه، اختروشی به نام J1652 با رنگ بسیار سرخ شناسایی شد. این شواهد نشان می‌دهند نور این اختروش به‌شدت دچار انتقال به سرخ شده و مربوط به جهان آغازین است.

تصویربرداری تلسکوپ جیمز وب تأیید می‌کند که رنگ قرمز J1652 به‌‌‌دلیل انتقال به سرخ فراوان به‌وجود آمده است. انتقال به سرخ مقدار تقریبی z≈3 دارد؛ یعنی تصویری که از این کهکشان می‌بینیم، مربوط به ۱۱ میلیارد سال پیش است. این زمان در تکامل کهکشانی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا انرژی‌های عظیم آزادشده از سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم، مواد تشکیل‌دهنده‌ی ستاره‌ها را از کهکشان خارج و شکل‌گیری‌ ستاره‌های داخل کهکشان را محدود کردند.

براساس نتیجه‌ی جالب‌ دیگر از داده‌های طیف‌سنجی، حداقل سه شیء دیگر که در ناحیه‌ی یکسانی از تصاویر هابل کشف شده بودند، انتقال به سرخ یکسان دارند؛ بنابراین، این کهکشان‌ها در فاصله‌ی نزدیکی از J1652 قرار دارند. با‌‌‌‌‌توجه‌‌‌‌‌به اینکه کل ناحیه‌ی تصویربرداری‌شده ۸۵ هزار سال نوری وسعت دارد، تراکم کهکشان‌ها در این منطقه بسیار زیاد است. در مقام مقایسه، کهکشان راه شیری بیش از ۱۰۰ هزار سال نوری قطر دارد؛ گرچه به‌طرز درخورتوجهی از کهکشان‌های آغازین یادشده بزرگ‌تر است.

داده‌های جیمز وب علاوه‌بر تأیید فاصله‌ها، به پژوهشگرها اجازه دادند اتم‌های اکسیژن یونیزه‌ای را ردیابی کنند که در یک طول‌‌موج نزدیک منتشر می‌شوند. انتقال به سرخ و انتقال به آبی موجود در این داده‌ها نشان می‌دهند که اختروش هم در جهت زمین و هم در خلاف جهت آن مواد را منتشر کرده است. این داده‌ها منطبق با دو فواره‌ای است که اغلب از سیاه‌چاله‌ها منتشر می‌شود. بخش زیادی از مواد دفع‌شده هم با این ایده سازگار هستند که شکل‌گیری اختروش با دور‌‌کردن مواد خام مانع از شکل‌گیری ستاره‌های بیشتر می‌شود.

بااین‌همه، به‌نظر می‌رسد پژوهشگرها بیشتر به چگالی بسیار زیاد کهکشان‌های یادشده در یک ناحیه علاقه‌مند‌‌‌‌ند. آنان براساس ماده‌ی موجود، مقدار ماده‌ی تاریک را محاسبه می‌کنند و به این نتیجه می‌رسند که این مقدار هم به‌اندازه‌ی بخشی که عکس‌برداری کرده‌اند، چگال است. این ناحیه می‌تواند حاصل ادغام دو هاله‌ی متفاوت ماده‌ی تاریک باشد.

مقاله‌ی این پژوهش در پایگاه آنلاین arXiv بارگذاری شده و قرار است در مجله‌ی Astorphyicial منتشر شود.