غرش فضایی: راز بلندترین صدای جهان چیست؟

در فضا هیچ‌کس نمی‌تواند صدای جیغ شما را بشنود؛ اما با تجهیزات مناسب می‌توان غرشی فضایی را شناسایی کرد. دانشمندان این غرش را در سال ۲۰۰۶ هنگام جست‌وجوی سیگنال‌های دوردست جهان کشف کردند. آن‌ها برای این جست‌وجو از ابزار پیچیده‌ای روی بالونی عظیم استفاده کردند و آن را به فضا فرستادند. این ابزار می‌توانست امواج رادیویی ناشی از گرمای ستاره‌های دوردست را برداشت کند؛ اما یافته‌ای که پژوهشگرها در آن سال کشف کردند، دست‌کمی از شگفتی نداشت.

وقتی ابزار یادشده از ارتفاع ۳۷ کیلومتری در حال شنیدن بود، به سیگنالی برخورد که شش مرتبه بلندتر از حد تصور کیهان‌شناسان بود. صدای این غرش به‌قدری بلند بود که نمی‌توانست از ستاره‌های آغازین باشد و نیز بزرگ‌تر از پیش‌بینی‌های مربوط به سیگنال‌های رادیویی کهکشان‌های دوردست بود؛ ازاین‌رو، دانشمندان را بسیار گیج کرد. بااین‌حال، حتی تا امروز هیچ‌کس به دلیل این غرش پی نبرده است. ناگفته نماند این سیگنال می‌توانست تلاش‌های جست‌وجوی سیگنال ستاره‌هایی را مختل کند که پس از بیگ‌بنگ شکل گرفتند.

ابزاری که سیگنال اسرارآمیز غرش را شناسایی کرد، پرتوسنج مطلق کیهان‌شناسی، اخترفیزیک و سیگنال‌های پخشی، اخترفیزیکی و کیهان‌شناسی یا به‌اختصار ARCADE خوانده می‌شود. ناسا این ابزار را برای بررسی طیف تابش زمینه کیهانی در فرکانس‌های پایین‌تر ساخت.

اهداف علمی مأموریت ARCADE که بالای جوّ زمین و در فضایی بدون تداخل قرار دارد، جست‌وجوی حرارت نسل اول ستاره‌ها و جست‌وجوی آثار فیزیک ذرات بیگ‌بنگ و رصد شکل‌گیری اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها بودند. این ابزار با اسکن ۷ درصد از آسمان شب و جست‌وجوی سیگنال‌های رادیویی به این اهداف رسید؛ زیرا نور دوردست با ازدست‌دادن انرژی حین طی‌کردن مسافت به امواج رادیویی تبدیل می‌شود.

غرش فضایی صدای فضا را ۶ مرتبه بلندتر از حد انتظار می‌کند.

سیگنالی به‌شدت قوی

ARCADE سطح صفر کالیبره مطلق را می‌توانست اندازه‌گیری کند. این مفهوم به‌معنی اندازه‌گیری درخشش واقعی جسمی در شرایط فیزیکی واقعی است نه شرایط نسبی. این شیوه با روش تلسکوپ‌های رادیویی عادی متفاوت است که معمولاً دو نقطه از آسمان را رصد و مقایسه می‌کند. ARCADE با نگاه‌کردن به نور و مقایسه آن با منبع جسم سیاه، توانست ترکیبی از منابع کم‌نور متعدد را ببیند. سپس، طی چند ماه شدت یک سیگنال خاص واضح شد. دیل جی. فیکسن، دانشمند ناسا، دراین‌باره می‌گوید:

شاید دیدن تعجب ما در لحظه‌ای که نورسنج به مقداری شش مرتبه فراتر از پیش‌بینی‌ها رسید، دیدنی باشد؛ اما سال‌ها زمان صرف کردیم تا برای پرواز بالون و یک شب شلوغ دریافت داده‌ها آماده شویم. درادامه، ماه‌‌ها تحلیل داده‌ای لازم بود تا اولین آثار ابراز را از سیگنال و سپس پرتوهای کیهانی را از سیگنال جدا کنیم. درنتیجه، این شگفتی طی چند ماه حاصل شده است.

از آن زمان دانشمندان در جست‌وجوی محل پرتوها بودند و درعین‌حال ویژگی‌ها و خصوصیات سیگنال را بررسی می‌کردند. ال کوگوت، سرپرست تیم ARCADE در مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا می‌گوید:

سیگنال یادشده از نوع پخشی بود که از تمام جهات منتشر می‌شد و منبع مشخصی نداشت. این سیگنال طیف یا رنگ مشابهی با سیگنال‌های رادیویی راه شیری داشت.

دانشمندان سیگنال یادشده را «پس‌زمینه سینکروترونی رادیویی» نامیدند. پس‌زمینه به پرتوهای منتشر‌شده از منابع متعدد گفته می‌شود که در تابش پخشی با یکدیگر ادغام می‌شوند؛ اما ازآن‌‌جاکه «غرش فضایی» به‌دلیل تابش سینکروترونی یا نوعی تابش ناشی از ذرات باردار پرانرژی در میدان‌های مغناطیسی به‌وجود می‌آید و به این دلیل که تمام منابع طیف یکسانی با تابش دارند، تعیین منشأ این سیگنال شدید، بسیار دشوار است. کوگوت عقیده دارد:

از اواخر دهه ۱۹۶۰، مشخص شد که پرتوی رادیویی ترکیبی کهکشان‌های دوردست می‌تواند پس‌زمینه رادیویی پخشی را تشکیل دهد که از تمام جهات سرچشمه می‌گیرد. غرش فضایی هم مشابه چنین سیگنالی است؛ اما به‌نظر می‌رسد کهکشان‌های دوردست برای شکل‌گیری این سیگنال قوی کافی نباشند و همین رویکرد نشان‌دهنده منبعی جدید و هیجان‌انگیز است.

بالون مأموریت پرتوسنج مطلق کیهان‌شناسی و اخترفیزیکی و پرتوی پخشی (ARCADE) در حال آماده‌سازی برای برخاستن از زمین

آیا غرش فضایی از داخل راه شیری سرچشمه می‌گیرد؟

اینکه منبع غرش فضایی داخل یا خارج از راه شیری است، هنوز جای بحث دارد. کوگوت می‌گوید:

دلایل متقنی نشان می‌دهند که منبع غرش فضایی نمی‌تواند از داخل راه شیری باشد و شواهدی دیگر نشان می‌دهند چرا منبع غرش فضایی نمی‌تواند از خارج کهکشان ما سرچشمه گرفته باشد.

یکی از دلایلی که منبع غرش نمی‌تواند داخل کهکشان باشد، این است که به‌نظر نمی‌رسد غرش فضایی تابع توزیع فضایی سیگنال‌های رادیویی راه شیری باشد؛ اما کسی به‌طورقطع نمی‌گوید این سیگنال از منبعی نزدیک به خانه ما سرچشمه نمی‌گیرد. جک سینگال، استادیار فیزیک دانشگاه ریچموند ویرجینیا، نیز می‌گوید:

نمی‌توانم قطعاً بگویم که دانشمندان احتمال منشأ داخلی پس‌زمینه سینکروترون رادیویی را حذف کرده‌اند. بااین‌حال، می‌توان گفت این توضیح کمتر محتمل است. دلیل اصلی این است که کهکشان ما برخلاف کهکشان‌های مارپیچی مشابه، هاله رادیویی بیضی‌شکل و غول‌آسایی ندارد که تا آن‌سوی قرص کهکشانی امتداد یافته باشد. دلایل دیگری هم وجود دارند که نشان‌دهنده نیاز به بازنگری کامل در مدل‌های موجود از میدان‌های مغناطیسی کهکشانی هستند.

فیکسن کاملاً با دیگاه مذکور موافق است. او می‌گوید:

در کهکشان‌های مارپیچی دیگر، حتی در بخش‌های کوچک، رابطه نزدیکی بین پرتوهای رادیویی و فروسرخ وجود دارد. درنتیجه، اگر غرش فضایی از هاله اطراف کهکشان ما سرچشمه گرفته باشد، راه شیری را به کهکشانی عجیب تبدیل می‌کند؛ درحالی‌که در شرایط دیگر مانند کهکشان مارپیچی عادی به‌نظر می‌رسد.

منشأ فراکهکشانی

به‌عقیده کارشناسان، سیگنال یادشده منشأ فراکهکشانی دارد. سینگال می‌گوید:

سیگنال به جذاب‌ترین پس‌زمینه فوتونی آسمان تبدیل شده است؛ زیرا تراکم منبع کاملاً ناشناس است.

ازآن‌‌جاکه جهان بسیار وسیع است، نمی‌توان با دقت زیاد این مسئله را بررسی کرد؛ به‌همین‌دلیل، دانشمندان سخت در تلاش هستند تا نظریه‌های متعددی را برای منشأ سیگنال ارائه کنند. فیزیک‌دانی آمریکایی به نام دیوید براون می‌گوید غرشی فضایی می‌تواند اولین موفقیت تجربی نظریه M باشد؛ چهارچوب ریاضی وسیعی که نظریه ریسمان را دربرمی‌گیرد. براون در وبلاگ انجمن FQXI می‌نویسد:

ممکن است ماشین فردکلین ولفرام در دامنه‌های مختلف جهان‌های متفاوت توزیع شده باشد و زمان فیزیکی بازگشتی با بی‌نهایت تکرار رویدادهای فیزیکی احتمالی را به‌وجود آورده باشد.

این فرایند نشان می‌دهد که جهان آغازین امروزه از اهمیت بیشتری برخوردار است و می‌تواند به یافتن این سیگنال رادیویی قدرتمند کمک کند؛ اما اگر این نظریه هم دور از واقعیت باشد، نظریه‌های جایگزین دیگری وجود دارند. فیکسن می‌گوید: «ستاره‌شناسان رادیویی با بررسی آسمان چند نوع منبع سینکروترونی را شناسایی کردند.»

تولید پرتوهای سینکروترونی آسان است. برای این کار تنها به ذرات پرانرژی و میدان مغناطیسی نیاز دارید. ذرات پرانرژی را می‌توان همه‌جا از ابرنواخترها، بادهای ستاره‌‌‌ای تا سیاه چاله‌ها و حتی ستاره‌های OB پیدا کرد که ستاره‌های داغ و بسیار سنگین از نوع طیفی O یا نوع اولیه B هستند. فیکسن می‌افزاید:

به‌نظر می‌رسد فضای میان‌کهکشانی پر از گازهای داغ است؛ بنابراین، اگر میدان‌های مغناطیسی میان‌کهکشانی به‌اندازه کافی قوی بودند (قوی‌تر از پیش‌بینی‌ها)، می‌توانستند پرتوهای سینکروترونی یکنواختی را ایجاد کنند.

همچنین، پرتوهای سینکروترونی با تولد ستاره‌ها در ارتباط هستند. به‌باور فیکسن، این فرایند هم به آزادشدن پرتوهای فروسرخ منجر می‌شود؛ درنتیجه، همبستگی نزدیکی وجود دارد؛ اما شاید اولین ستاره‌ها پیش از تولید عناصر فلزی پرتوهای سینکروترونی را تولید می‌کردند و پرتوی فروسرخ زیادی را از خود منتشر نمی‌کردند یا شاید فرایند دیگری پشت این قضایا وجود دارد که از دلیل آن ناآگاهیم.

حال، تمام این فرضیه‌ها چه نتیجه‌ای را منعکس می‌کنند؟ منابع احتمالی می‌توانند مکانیزم‌های پخشی در مقیاس عظیم مثل ادغام خوشه‌های کهکشانی متلاطم یا دسته جدیدی از منابع عظیم و ناشناخته پرتوهای رادیویی در جهان باشند. سینگال می‌گوید:

هرچیزی در این رابطه فعلاً به‌شدت شک‌برانگیز است و برخی فرضیه‌ها ماده تاریک در حال نابودی، ابرنواختر‌های اولین نسل ستاره‌ها و… را دربر می‌گیرند.

برخی دانشمندان نشان دادند گازهای موجود در خوشه‌های کهکشانی بزرگ می‌توانند منبع غرش فضایی باشند؛ گرچه بعید است ابزارهای ARCADE بتوانند پرتوهای آن‌ها را کشف کنند. به‌طورمشابه این احتمال وجود دارد که سیگنال غرش فضایی از اولین ستاره‌ها یا ناشی از تعداد زیادی کهکشان رادیویی کم‌نور باشد؛ اما اگر این فرضیه حقیقت داشته باشد، منابع غرش باید به‌شدت به‌هم نزدیک باشند؛ به‌گونه‌ای که هیچ فاصله‌ای بین آن‌ها نباشد؛ بنابراین، این احتمال هم بعید است.

آیا گازهای خوشه‌های کهکشانی بزرگ می‌توانند منبع غرش فضایی باشند؟

چگونه می‌توان رازی ۱۳ ساله را حل کرد؟

این احتمال وجود دارد که خطاهای هم‌زمانی بین ابزارهای آرکید و دیگر ابزارهای اندازه‌گیری به‌وجود آمده باشند که به اندازه‌گیری اشتباه در پس‌زمینه سینکروترونی رادیویی بینجامند. البته به‌عقیده سینگال، این فرضیه با‌‌توجه‌‌به ابزارهای بسیار متفاوتی که پهناهای فرکانسی مختلف را اندازه‌گیری می‌کنند، بعید است.

صرف‌نظر از اینکه سیگنال چه باشد، می‌تواند هنگام کشف دیگر اجرام فضایی مشکل‌ساز شود. براساس گفته‌های ناسا در گذشته، ستاره‌های آغازین پشت غرش فضایی مخفی شده‌اند؛ به‌همین‌دلیل، آشکارسازی آن‌ها دشوار می‌شود؛ مانند این است که جهان چیزی را با یک دست می‌دهد و با دست دیگر پس می‌گیرد؛ اما درهرصورت افشای پدیده‌ای عجیب می‌تواند بسیار هیجان‌انگیز باشد.

وقتی منشأ ستاره‌های آغازین و دیگر منابع رادیویی مثل گازهای موجود در هاله خارجی کهکشان راه شیری را حذف کنید، پدیده غرش فضایی به رازی تبدیل می‌شود که هر دانشمندی به‌دنبال حل آن است. دانشمندان برای حل این معمای ۱۳ ساله، به پژوهش‌ها و شواهد بیشتری نیاز دارند. گفتنی است پروژه‌های جدیدی هم می‌توانند به‌کمک آرکید بیایند. کوگوت می‌گوید:

یکی از پروژه‌ها تلسکوپ رادیویی ۹۱ متری در گرین بانک واقع در ویرجینیای غربی است که به نقشه‌برداری از آسمان رادیویی با دقتی بیشتر اختصاص خواهد داشت.

سینگال هم به آینده تلسکوپ امیدوار است. او در حال کار با پروژه تلسکوپ گرین بانک است و از تلسکوپ رادیویی با بزرگ‌ترین گشودگی دیافراگم برای اندازه‌گیری سطح پس‌زمینه به‌عنوان هدف اولیه یا حتی هدف فرعی استفاده خواهد کرد. این کار با استفاده از اندازه‌گیری سطح صفر کالیبره مطلق در فرکانس‌های مگاهرتزی (MHz) انجام می‌شود که در آن‌ها آسمان رادیویی در درخشان‌ترین حالت خود قرار دارد (یک مگاهرتز برابر است با یک میلیون هرتز). سینگال می‌افزاید:

سطح مطلقی وجود ندارد؛ بلکه تفاوت‌های کوچکی بین نقاط مختلف آسمان دیده می‌شود. من در تلاش هستم از آرایه کم‌فرکانس (LOFAR) در هلند استفاده کنم. هر دو ابزار می‌توانند نشان دهند پس‌زمینه سینکروترونی رادیویی منشأ فراکهکشانی دارد یا کهکشانی. فراتر از آن به فرضیه‌ای درخشان و جدید نیاز داریم که هیچ‌کس تاکنون به آن فکر نکرده است.