ستاره شناسان با استفاده از تلسکوپ جیمز وب شواهدی از مولکولهای آلی پیچیده را در کهکشانی در فاصله بیش از 12 میلیارد سال نوری از ما کشف کردند. در این تصویری که Webb گرفته، کهکشان پیش زمینه با رنگ کاذب، به رنگ آبی نشان داده شده است، در حالی که کهکشان پس زمینه قرمز است. مولکولهای آلی با رنگ نارنجی برجسته شده‌اند.
زمانی که ستاره‌شناسان از JWST برای رصد کهکشانی در فاصله بیش از 12 میلیارد سال نوری استفاده کردند، به گذشته نیز نگاه می‌کردند. و هنگامی که مولکولهای آلی را در آن کهکشان دوردست یافتند، مولکولهای آلی در اوایل جهان راکشف کردند.
مولکولهای آلی معمولاً در جایی یافت می‌شوند که ستارگان در حال شکل‌گیری هستند، اما در این مورد، اینطور نیست.
به گزارش اورانوس و به نقل از یونیورس تودی، مولکولهای آلی هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAH) هستند که دانشمندان فکر می‌کنند بلوک‌های سازنده زندگی هستند. آنها به طور طبیعی در اینجا روی زمین به عنوان محصولات جانبی احتراق بوجود می‌آیند. آنها همچنین در محیط بین‌ستاره‌ای (ISM)، در ماده و تشعشعات بین ستارگان رایج هستند. آنها مناطقی از گاز سرد را نشان می‌دهند که از این گاز ستاره‌ها تشکیل می‌شوند.
یافتن PAH ها در کهکشانی دوردست و باستانی نیازمند فناوری پیشرفته، مهارت و شانس تصادفی بود. تلسکوپ فضایی جیمز وب این فناوری را با قابلیت رصد مادون قرمز دقیق خود و کهکشانی در پیش‌زمینه که 3 میلیارد سال نوری با کهکشان دوردست فاصله دارد و در یک خط هستند، این شانس را فراهم کرد. این وضعیت در یک خط قرار گرفتن باعث شده که کهکشان به عنوان عدسی گرانشی عمل کرده و نور کهکشان دور را تقویت می‌کند.
اکتشافاتی مانند این دقیقاً همان چیزی است که وب برای انجام آن ساخته شده است: درک اولیه ترین مراحل جهان به روش های جدید و هیجان انگیز.
Kedar Phadke، دانشگاه ایلینویز
کهکشان دوردست، SPT0418-47 نام دارد. نه تنها 12 میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد، بلکه نوری را که ستاره‌شناسان می‌بینند زمانی ساطع شده که عالم تنها 10 درصد از سن کنونی خود را داشته است، یعنی حدود 1.5 میلیارد سال پس از مهبانگ.
نور باستانی کهکشان SPT0418-47 حلقه‌ای را در اطراف کهکشان پیش زمینه به نام حلقه انیشتین تشکیل می‌دهد. اینشتین این حلقه‌ها را در نظریه نسبیت عام خود پیش‌بینی کرد. با تقویت نور، JWST قدرتمند آن را با ابزار مادون قرمز میانی خود (MIRI) بررسی کرد.
کهکشانی که توسط وب رصد شده حلقه انیشتین را نشان می‌دهد که ناشی از پدیده‌ای به نام عدسی گرانشی است که زمانی اتفاق می‌افتد که دو کهکشان از منظر ما تقریباً کاملاً در یک راستا قرار گیرند. گرانش کهکشان پیش‌زمینه باعث می‌شود که نور کهکشان پس‌زمینه دچار بزرگنمایی شود، مانند نگاه کردن به عدسی. به خاطر بزرگنمایی بزرگنمایی ایجاد شده، عدسی‌های گرانشی به اخترشناسان اجازه می‌دهد که کهکشان‌های بسیار دور را با جزئیات بیشتری نسبت به موارد دیگر مطالعه کنند.
محققانی که PAH را پیدا کردند از موسسات مختلف در آمریکای شمالی و جنوبی و اروپا آمده‌اند. آنها یافته‌های خود را در مقاله‌ای در نیچر با عنوان « تغییرات فضایی در انتشار هیدروکربن‌های معطر در کهکشانی غنی از غبار» ارائه کردند. نویسنده اصلی، جاستین اسپیلکر از گروه فیزیک و نجوم در دانشگاه تگزاس A&M است.
اسپیلکر، نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: «با ترکیب قابلیت‌های شگفت‌انگیز وب با «ذره‌بین کیهانی» طبیعی، می‌توانیم جزئیات بیشتری از آنچه در غیر این صورت می‌توانستیم مشاهده کنیم. این سطح از بزرگنمایی در واقع همان چیزی است که ما را در وهله اول به تماشای این کهکشان با وب علاقه‌مند کرد، زیرا واقعاً امکان می‌دهد تمام جزئیات غنی سازنده‌ی کهکشانی از جهان اولیه را ببینیم که هرگز نمی توانستیم انجام دهیم.»
انواع مختلفی از PAH وجود دارد، اما بخش مشترک آنها اندازه است. حتی ساده‌ترین آنها، نفتالین ، دارای 10 اتم کربن و 8 اتم هیدروژن است. بزرگترها می‌توانند 50 اتم کربن داشته باشند.
اسپیلکر توضیح داد: «این مولکولهای بزرگ در واقع در فضا بسیار مرسوم هستند. ستاره‌شناسان قبلاً فکر می‌کردند که آنها نشانه خوبی از شکل‌گیری ستاره‌های جدید هستند. هر جا که این مولکول‌ها را دیدید، ستاره‌های در حال تولد نیز همانجا در حال شعله‌ور شدن بودند.»
PAH ها از دیرباز با تولد ستاره مرتبط بوده‌اند. ستاره‌شناسان آنها را در مناطقی از تولد ستاره‌های فعال در بخش‌های مختلف کهکشان راه شیری یافته‌اند. آنها همچنین مولکولهای بزرگ را در نزدیکی ستارگان جوان درخشان رصد کرده‌اند.
جبار نزدیک‌ترین منطقه ستاره‌ساز به زمین است و این تصویر ناحیه بارنارد 30 را در جبار نشان می‌دهد. ستارگان این منطقه جوان هستند و تنها حدود 2 تا 3 میلیون سال سن دارند. PAH ها فراوان هستند و در قسمت پایین سمت چپ و پایین مرکز به رنگ قرمز تیره دیده می شوند.
اما در این مورد، کهکشان باستانی حاوی PAHهای فراوان بدون تشکیل ستاره و تشکیل ستاره بدون PAH است.
اسپیلکر گفت: «به لطف تصاویر با وضوح بالا از وب، مناطق زیادی را با دود اما بدون تشکیل ستاره و مناطق دیگر با ستاره‌های جدید در حال شکل‌گیری اما بدون دود یافتیم.
چیزی در SPT0418-47 دور و باستانی در حال وقوع است که نیاز به بازنگری دارد. ارتباط بین PAH ها و تشکیل ستاره آنقدر قوی نیست که قبلا تصور می شد. یا حداقل نه در اوایل تولد عالم.
ستاره‌شناسان نمی‌توانند بر اساس رصدهای یک کهکشان به نتیجه برسند. عدم تطابق بین حضور PAH ها و تشکیل ستاره تنها با رصدهای بیشتر قابل درک است. ستاره‌شناسان می‌توانند برای یافته‌های بیشتر به JWST تکیه کنند.
Kedar Phadke، دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign، که توسعه فنی رصدهای وب این گروه را رهبری می‌کرد، گفت: «اکتشافاتی مانند این دقیقاً همان چیزی است که وب برای انجام آن ساخته شده است: درک اولیه‌ترین مراحل جهان به روش‌های جدید و هیجان انگیز. شگفت‌انگیز است که می‌توانیم مولکول‌هایی را در فاصله میلیاردها سال نوری از زمین که با آنها روی زمین آشنا هستیم، شناسایی کنیم. همچنین بیانیه‌ای قدرتمند در مورد قابلیت‌های شگفت‌انگیز وب است که قبلاً هرگز نداشته‌ایم.»
برای تمایز بین نور مادون قرمز ناشی از PAHs و دانه‌های غبار بزرگ‌تر، کمی کارآزمایی لازم بود. دانه‌های غبار حدود نیمی از تابش ستاره‌ها را در طول تاریخ عالم جذب می‌کنند و آن را به صورت نور مادون قرمز منتشر می‌کنند. تمام آن نور مادون قرمز از غبار ساده می‌تواند تصویر کهکشان‌های اولیه را کدر کند.
خواکین ویرا (Joaquin Vieira) استاد نجوم و فیزیک در دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign است و بخشی از گروه تحقیقاتی بود. ویرا گفت: «این پروژه زمانی شروع شد که من در مقطع کارشناسی ارشد مشغول مطالعه کهکشان‌های بسیار دور و غیرقابل تشخیص و پوشیده از گرد و غبار بودم. دانه‌های غبار تقریباً نیمی از تابش ستاره‌ای تولید شده در کیهان را جذب و دوباره منتشر می‌کنند و باعث می‌شود نور مادون قرمز از اجرام دور از طریق تلسکوپ‌های زمینی بسیار ضعیف یا غیرقابل تشخیص باشد.
قبل از پرتاب JWST، هیچ راهی برای رصد واقعی این کهکشان‌های باستانی وجود نداشت. در عوض، اخترشناسان به کهکشان‌های کوتوله فشرده درخشان (BCD) بسنده کردند. این کهکشان‌های کوچک شبیه کهکشان‌های کوچکی هستند که اخترشناسان تصور می‌کردند در اوایل کیهان رایج بودند. بسیاری از محققان فکر می کنند که کهکشان ما و سایرین مانند آن از طریق ادغام هایی که شامل BCD ها بود، بسیار بزرگ شده. برخی از BCD ها اجازه ایجاد PAH را می‌دادند، اما ستارگان جوانی که به شدت در نور UV می‌درخشند می‌توانند PAH ها را از بین ببرند.
BCD به عنوان پایه برای کهکشان‌های باستانی استفاده می‌شد، و در حالی که مشاهدات وسوسه انگیز بودند، همیشه سوالاتی وجود داشت. با این حال، آن کهکشان‌های اولیه دور از دسترس بودند.
تصور این هنرمند به طور نمادین نشان دهنده مولکولهای آلی پیچیده است که به عنوان هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه‌ای شناخته می‌شوند که در کیهان اولیه دیده می‌شدند. این مولکولهای بزرگ که از کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند، جزو اجزای سازنده حیات محسوب می‌شوند. تلسکوپ فضایی اسپیتزر ناسا این مولکول‌ها را در زمانی که جهان ما حدود 3.5 میلیارد سال سن داشت در کهکشان‌ها شناسایی کرد. اکنون JWST آنها را حتی در زمان دورتر پیدا کرده است
اما قدرت رصد مادون قرمز فوق العاده JWST این را تغییر داده است. هنگامی که با عدسی گرانشی ترکیب می‌شود، تصویر اجسام دور واضح‌تر می‌شود.
ویرا گفت: « انتظار این را نداشتیم. “تشخیص این مولکولهای آلی پیچیده در چنین فاصله عظیمی در مورد رصدهای آینده بازی را تغییر می‌دهد. این کار فقط اولین قدم است و اکنون در حال یادگیری نحوه استفاده از آن و یادگیری قابلیت‌های آن هستیم. بسیار هیجان زده هستیم که ببینیم این چگونه انجام می‌شود.”
از آنجایی که PAH ها حاوی کربن هستند، اخترشناسان فکر می‌کنند که تنها زمانی می‌توانند وجود داشته باشند که نسل‌هایی از ستارگان زندگی کرده و بمیرند. عناصر سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم در انفجار بزرگ ایجاد نشدند. فقط هسته‌های ستاره‌ای می‌توانند آنها را ایجاد کنند. پس از اینکه آنها در ستارگان ایجاد می‌شوند، هنگامی که ستاره “می‌میرد” در عالم پخش می‌شوند.
فادکه گفت: «آنچه که این تحقیق در حال حاضر به ما می‌گوید – و هنوز در حال یادگیری آن هستیم – این است که می‌توانیم تمام مناطقی را که این دانه‌های گرد و غبار کوچک‌تر در آن قرار دارند، ببینیم – مناطقی که هرگز نمی‌توانستیم قبل از JWST ببینیم.» “داده های طیف سنجی جدید به ما امکان می دهد ترکیب اتمی و مولکولی کهکشان را مشاهده کنیم و بینش‌های بسیار مهمی را در مورد شکل‌گیری کهکشان‌ها، چرخه زندگی آنها و نحوه تکامل آنها ارائه می‌دهیم.”
هنوز توضیحی در مورد اینکه چرا PAH ها در شکل‌گیری ستاره غایب هستند و بالعکس، وجود ندارد. اگر رصدهای دیگر کهکشان‌های باستانی هم همین موضوع را نشان دهند، ستاره‌شناسان در مسیر کشف جدید خواهند بود.
این رصدهای جدید جیمز وب از TEMPLATES، یک برنامه علمی زودرس به دست آمده است. TEMPLATES مخفف عبارت Targeting Extremely Magnified Panchromatic Lensed Arcs and their Extended Star formation است. گروه TEMPLATES نوشت : “بزرگنمایی عدسی گرانشی JWST را به بالاترین وضوح فضایی ممکن در این جابه‌جایی‌ها به سرخ می‌برد تا تشخیص‌های طیفی کلیدی شکل‌گیری ستاره و انقراض غبار را ترسیم کند: H-alpha، Pa-alpha، و 3.3um PAH در درون تک کهکشانی دوردست.”
TEMPLATES دارای رصدهای چهار کهکشان است که همگی از طریق عدسی گرانشی هستند. دو کهکشان از چهار کهکشان فوق‌العاده غبارآلود هستند و تلسکوپ‌هایی مانند هابل نمی‌توانند آنها را ببینند. اما JWST می‌تواند پرده غبارآلود را سوراخ کند و گرد و غبار را ترسیم کند. با انجام این کار، PAH ها و احتمالاً جنبه‌های جدیدی از شکل‌گیری ستارگان را یافت که در اوایل عالم رایج بودند.
اسپیلکر گفت: «این روزهای اولیه تلسکوپ وب است، بنابراین ستاره‌شناسان از دیدن همه چیزهای جدیدی که می‌تواند برای ما انجام دهد هیجان زده هستند. «آیا در اوایل تاریخ عالم دود را در کهکشان تشخیص می دهید؟ وب این کار را آسان می‌کند. اکنون که برای اولین بار نشان دادیم که این امکان پذیر است، مشتاقانه منتظریم تا بفهمیم که آیا واقعاً درست است که جایی که دود وجود دارد، آتش نیز وجود دارد یا خیر. شاید حتی بتوانیم کهکشان‌هایی پیدا کنیم که آنقدر جوان هستند که مولکولهای پیچیده‌ای مانند این‌ها هنوز زمان تشکیل در خلاء فضا را نداشته‌اند، بنابراین کهکشان‌ها همه آتش هستند و دود ندارند. تنها راه برای مطمئن شدن این است که به کهکشان‌های بیشتری نگاه کنیم، امیدوارم حتی دورتر از این کهکشان را ببینیم.
