اخترشناسان سیگنالی مرموز از فضای ظاهراً خالی شناسایی کرده‌اند؛ هیچ‌کس نمی‌داند چیست

در صورت فلکی جنوبی کوره (Fornax) بخش کوچکی از آسمان وجود دارد که در نگاه اول تفاوتی با دیگر نقاط کیهان ندارد. ممکن است بارها چشمتان به این ناحیه افتاده باشد، بی‌آنکه توجه خاصی به آن نشان دهید.

با این حال، همین بخش ظاهراً معمولی از کیهان، یکی از دقیق‌ترین مناطق ثبت‌شده و بررسی‌شده در آسمان به شمار می‌رود. تلسکوپ فضایی هابل بیش از ۲۷۰ ساعت به رصد این ناحیه اختصاص داد تا تصویر مشهور میدان فراژرف هابل را تهیه کند؛ تصویری که نزدیک به ۱۰ هزار کهکشان را در بر می‌گیرد و اجرامی را در فاصله میلیاردها سال نوری از ما به نمایش می‌گذارد.

پس از پرتاب تلسکوپ فضایی جیمز وب، طبیعی بود که اخترشناسان این رصدخانه پیشرفته را نیز به سوی همان ناحیه هدایت کنند. آینه‌های طلایی جیمز وب و قابلیت‌های بسیار حساس‌تر آن در ثبت نور فروسرخ، این فرصت را فراهم می‌کردند تا اجرامی شناسایی شوند که احتمالاً از دید هابل پنهان مانده بودند.

اکنون مشاهدات جدید نشان می‌دهند منطقه‌ای از آسمان که اخترشناسان چندین دهه آن را بررسی کرده‌اند، همچنان می‌تواند شگفتی‌های تازه‌ای در خود داشته باشد.

در گوشه‌ای بسیار کوچک از این میدان دید محدود، تلسکوپ جیمز وب سیگنالی عجیب شناسایی کرد؛ سیگنالی که نه یک بار، بلکه در دو نوبت و با فاصله زمانی نزدیک به سه ماه ظاهر شد. اما مشکل اصلی اینجاست که در تمام مشاهدات قبلی این منطقه، چه با تلسکوپ جیمز وب و چه با تلسکوپ هابل، هیچ اثری از چنین جرمی دیده نشده بود.

البته این موضوع لزوماً به معنای خالی بودن آن ناحیه از فضا نیست. ممکن است جرمی بسیار کم‌نور در آنجا وجود داشته باشد که برای مدت کوتاهی فورانی قدرتمند ایجاد کرده و سپس دوباره از دید تلسکوپ‌ها پنهان شده باشد. با این حال، سیگنال ثبت‌شده همچنان معمایی بدون پاسخ قطعی باقی مانده است.

اخترشناسان چگونه سیگنال‌های کیهانی را بررسی می‌کنند؟

برای درک علت عجیب بودن این کشف، ابتدا باید با روش‌های مورد استفاده اخترشناسان برای مطالعه جهان آشنا شویم.

هنگامی که از یک تلسکوپ نوری به آسمان نگاه می‌کنیم، تصویری را می‌بینیم که از نور جمع‌آوری‌شده توسط آینه تلسکوپ تشکیل شده است. تصویر میدان فراژرف هابل نیز تقریباً به همین روش تهیه شده؛ تصویری ترکیبی از مشاهداتی که با فیلترهای مختلف انجام گرفته‌اند و هرکدام محدوده مشخصی از طول موج‌های نور را ثبت می‌کنند.

با این حال، برخی تلسکوپ‌ها قابلیت دیگری نیز دارند: آن‌ها می‌توانند نور را به طول موج‌های تشکیل‌دهنده‌اش تجزیه کنند. این فرایند را می‌توان به عملکرد منشوری تشبیه کرد که نور سفید را به رنگ‌های مختلف رنگین‌کمان تقسیم می‌کند، با این تفاوت که تفکیک نور در تلسکوپ‌ها با دقت بسیار بیشتری انجام می‌گیرد.

این روش ویژگی‌هایی از نور را آشکار می‌کند که تشخیص آن‌ها در تصاویر ترکیبی حاصل از چند طول موج دشوار است. برای نمونه، اگر تمام نور خورشید را یکجا مشاهده کنیم، خورشید سفید به نظر می‌رسد؛ اما با تجزیه نور آن به طیف‌های مختلف، خطوط تاریکی دیده می‌شوند که نشان می‌دهند اتم‌های موجود در جو خورشید برخی طول موج‌های مشخص را جذب کرده‌اند.

در مقابل، بعضی اجرام خطوط روشن‌تری تولید می‌کنند. این خطوط زمانی شکل می‌گیرند که اتم‌ها یا مولکول‌ها انرژی خود را به شکل نور در طول موج‌های مشخص آزاد کنند. اخترشناسان به این پدیده خطوط گسیل می‌گویند.

دانشمندان با استفاده از روشی به نام طیف‌سنجی، خطوط جذب و گسیل را شناسایی می‌کنند. این تکنیک امکان بررسی ترکیب شیمیایی و ویژگی‌های فیزیکی دیگر اجرام اخترفیزیکی را فراهم می‌سازد.

میسون هوبِرتی، اخترفیزیک‌دان دانشگاه مینه‌سوتا، و همکارانش تصمیم گرفتند رویکرد متفاوتی را امتحان کنند. آن‌ها به‌جای استفاده از طیف‌سنجی برای مطالعه اجرامی که از قبل شناسایی شده بودند، می‌خواستند دریابند آیا طیف‌نگار فروسرخ نزدیک تلسکوپ جیمز وب، موسوم به NIRSpec، می‌تواند برای کشف اجرام ناشناخته نیز به کار گرفته شود یا خیر.

در روش معمول، اخترشناسان ابتدا اهداف رصدی را بر اساس مشاهدات قبلی انتخاب می‌کنند و سپس دریچه‌های کوچک ابزار طیف‌نگار را به شکلی تنظیم می‌کنند که نور اجرام موردنظر وارد دستگاه شود. این روش کارآمد است، اما یک محدودیت اساسی دارد: پژوهشگران باید از قبل بدانند جرم موردنظر در کدام نقطه قرار گرفته است.

هوبِرتی و گروه پژوهشی او تقریباً مسیر معکوسی را در پیش گرفتند. آن‌ها تقریباً تمام دریچه‌های دستگاه را باز کردند و فقط دریچه‌هایی را بستند که اجرام شناخته‌شده پیش‌زمینه را پوشش می‌دادند. این اجرام در مشاهدات قبلی هابل شناسایی شده بودند و نورشان می‌توانست طیف‌های موردنظر پژوهشگران را تحت تأثیر قرار دهد. سپس نور جمع‌آوری‌شده را به طیف‌های مختلف تجزیه کردند و داده‌های حاصل را برای یافتن خطوط گسیل مورد بررسی قرار دادند.

این فرایند در دو بازه رصدی، یکی در ماه اوت و دیگری در ماه نوامبر سال ۲۰۲۳، با فاصله ۸۸ روز انجام گرفت. نکته مهم‌تر اینکه زاویه رصد در این دو نوبت متفاوت بود؛ اقدامی که به پژوهشگران کمک می‌کرد آثار کاذب تصویری و اختلالات احتمالی ابزار را از سیگنال‌های واقعی تشخیص دهند.

هدف این آزمایش، شناسایی اجرام کم‌نور و دوردستی بود که ممکن بود از دید روش‌های معمول رصدی پنهان بمانند. پژوهشگران برای این کار از روشی به نام طیف‌سنجی بدون شکاف با تاج‌نگاری چندجرمی یا MOCSS استفاده کردند.

میدان فراژرف هابل محیط مناسبی برای آزمایش این روش به شمار می‌رفت؛ زیرا حجم گسترده مشاهدات قبلی آن به محققان اجازه می‌داد نتایج تازه را با کهکشان‌های شناخته‌شده مقایسه کنند.

این آزمایش موفقیت‌آمیز بود. در پایان بررسی‌ها، پژوهشگران توانستند شش مورد از سیگنال‌های شناسایی‌شده را که معیارهای سخت‌گیرانه آن‌ها را برآورده می‌کردند، به کهکشان‌های دوردست موجود در میدان فراژرف هابل نسبت دهند. اما مشکل از کشف هفتم آغاز شد.

سیگنال هفتم؛ معمایی که با مشاهدات قبلی سازگار نیست

این سیگنال به شکل یک خط گسیل منفرد و درخشان ظاهر شد که در هر دو نوبت رصد فروسرخ نزدیک، در طول موج حدود ۱٫۶ میکرومتر ثبت شده بود. مشاهده چنین گسیلی به‌خودی‌خود چندان عجیب نیست، زیرا تابش فروسرخ در کیهان پدیده‌ای رایج به شمار می‌رود.

آنچه این کشف را غیرعادی می‌کرد، تنها بودن این خط بود. هیچ خط گسیل دیگری در کنار آن دیده نمی‌شد و در مشاهدات قبلی هابل و جیمز وب نیز هیچ جرم قابل‌شناسایی در همان بخش از آسمان وجود نداشت.

از سوی دیگر، نمی‌توان به‌سادگی این سیگنال را یک خطای دستگاهی دانست. سیگنال در هر چهار مجموعه از نوردهی‌های ترکیبی ثبت شد، در هر دو جهت رصدی وجود داشت و در دو نوبت با فاصله ۸۸ روز مشاهده شد. اندازه‌گیری‌ها نیز با یکدیگر سازگاری داشتند. نکته شگفت‌انگیزتر این است که شدت خط گسیل به‌اندازه‌ای بود که انتظار می‌رفت در تصاویر قبلی تلسکوپ جیمز وب نیز دیده شود.

اگر این سیگنال هنگام اجرای برنامه رصدی جیدز (JADES) در اکتبر ۲۰۲۲ وجود داشت، تلسکوپ به‌سختی می‌توانست آن را از دست بدهد. این مسئله احتمال دیگری را مطرح می‌کند: شاید سیگنال در آن زمان هنوز وجود نداشته و بعداً پدیدار شده باشد.

با این حال، شناسایی منشأ یک خط گسیل منفرد بسیار دشوار است، مگر اینکه فاصله جرم موردنظر مشخص باشد. با انبساط جهان، طول موج نور نیز کشیده می‌شود و به سمت طول موج‌های بلندتر و بخش سرخ‌تر طیف حرکت می‌کند.

به همین دلیل، یک فوتون فروسرخ ممکن است از نوری پرانرژی‌تر سرچشمه گرفته باشد که از فاصله‌ای بسیار دور به ما رسیده است، یا حاصل نوری کم‌انرژی‌تر از جرمی نزدیک‌تر باشد. برای تشخیص منشأ واقعی آن، دانستن طول موج به‌تنهایی کافی نیست و به اطلاعات بیشتری نیاز داریم.

چهار احتمال برای توضیح سیگنال مرموز

پژوهشگران چند منشأ احتمالی را برای خط گسیل شناسایی‌شده در نظر گرفتند، اما چهار گزینه اصلی هیچ‌کدام با تمام شواهد موجود مطابقت نداشتند.

نخستین احتمال، وجود کهکشانی در جهان اولیه است. این فرضیه با دو مشکل مهم روبه‌رو می‌شود: خط گسیل موردنظر برای عبور از هیدروژن خنثی فراوان موجود در جهان اولیه با دشواری مواجه خواهد شد و همچنین انتظار می‌رود چنین جرمی در مشاهدات برنامه جیدز نیز دیده شده باشد.

احتمال دوم، وجود کهکشانی متعلق به دوره‌ای جدیدتر از تاریخ کیهان است. با این حال، این فرضیه نیز با مشکل مشاهده نشدن جرم در داده‌های جیدز روبه‌روست. افزون بر آن، چنین کهکشانی باید خطوط گسیل دیگری نیز تولید کند، در حالی که پژوهشگران هیچ خط دیگری در کنار سیگنال مرموز پیدا نکردند.

گزینه سوم، یک ابرنواختر است؛ انفجاری ستاره‌ای که می‌تواند تابش قدرتمندی ایجاد کند. اما این توضیح نیز با یک مشکل اساسی روبه‌روست، زیرا انتظار می‌رود ابرنواختر خطوط گسیل دیگری هم داشته باشد که در داده‌های رصدی ثبت نشده‌اند.

چهارمین احتمال به سیاه‌چاله‌ای مربوط می‌شود که ستاره‌ای را از هم می‌درد. چنین رویدادی می‌تواند خط گسیل قدرتمندی ایجاد کند، حتی اگر نور قابل‌شناسایی دیگری از آن منتشر نشود. با این حال، شواهد موجود برای اثبات اینکه چنین اتفاقی رخ داده باشد، کافی نیست.

در نتیجه، پژوهشگران تنها یک راه پیش رو دارند: انجام مشاهدات بیشتر برای روشن شدن ماهیت این جرم ناشناخته.

محققان در مقاله خود نوشتند

این جرم بسیار غیرعادی است و شرایط فیزیکی حدی را بررسی می‌کند. انجام مشاهدات تکمیلی برای تأیید انتقال به سرخ و تعیین منشأ فیزیکی گسیل ضروری خواهد بود. طیف‌سنجی عمیق‌تر و حساس‌تر می‌تواند خطوط گسیل بیشتری را آشکار کند و ماهیت منبع و میزان انتقال به سرخ آن را به‌طور قطعی مشخص سازد.

نتایج این پژوهش در نشریه علمی The Astrophysical Journal منتشر شده است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.