کشف کهکشان حلقه‌ای نادر GS18660 در کیهان اولیه توسط تلسکوپ جیمز وب

تصویری از کیهان در نوجوانی

تلسکوپ فضایی جیمز وب (James Webb Space Telescope) بار دیگر مرزهای دید ما به گذشته کیهان را جابه‌جا کرده است. گروهی از اخترشناسان موفق شده‌اند کهکشانی را با حلقه‌ای درخشان از ستارگان تازه‌متولدشده شناسایی کنند که نور آن ۲.۱ میلیارد سال پس از مه‌بانگ (Big Bang) به ما رسیده است. این کهکشان که GS18660 نامیده می‌شود، دورترین کهکشان حلقه‌ای شناخته‌شده تاکنون است و جزئیات ساختار آن در مقاله‌ای در نشریه Astronomy & Astrophysics منتشر شده است.

اهمیت این کشف تنها در رکورد فاصله نیست. ساختار حلقه‌ای در کهکشان‌ها پدیده‌ای کم‌یاب است و به فرایندهای خاصی نیاز دارد. اگر تفسیر پژوهشگران درست باشد، ما شاهد لحظه‌ای نادر از برخورد و ادغام دو کهکشان در دورانی هستیم که کیهان هنوز بسیار جوان بود.

کهکشان حلقه‌ای چگونه ساخته می‌شود

برای درک این پدیده، تصور کنید سنگی را در آبگیر آرامی می‌اندازید. سنگ در نقطه‌ای فرود می‌آید و موجی دایره‌ای شکل می‌گیرد که به بیرون گسترش می‌یابد. در مقیاس کیهانی، همین اتفاق می‌تواند رخ دهد؛ با این تفاوت که به جای آب، گاز میان‌ستاره‌ای (interstellar gas) و به جای سنگ، یک کهکشان کوچک است.

وقتی کهکشانی کوچک تقریباً از مرکز قرص (disk) یک کهکشان بزرگ‌تر عبور می‌کند، این برخورد موجی از گاز فشرده را به سمت بیرون می‌راند. گاز در طول این موج انباشته می‌شود و چگالی آن به اندازه‌ای می‌رسد که فروپاشی گرانشی (gravitational collapse) رخ دهد و ستاره‌های جدید متولد شوند. نتیجه، حلقه‌ای درخشان از ستاره‌های جوان در فاصله‌ای مشخص از مرکز کهکشان است.

این خانواده از کهکشان‌ها را کهکشان حلقه‌ای برخوردی (collisional ring galaxy) می‌نامند. در کیهان نزدیک و امروزی، چنین اجرامی کم‌یاب هستند؛ تنها حدود یکی از هر ۱۰٬۰۰۰ کهکشان از این نوع است. در کیهان دوردست نیز چند نامزد شناسایی شده بود، اما تأیید آنها دشوار بود.

کشفی که پیش‌بینی نشده بود

نکته جالب آن است که تیم پژوهشی GS18660 را به‌طور خاص برای یافتن حلقه انتخاب نکرده بود. در تصاویر پیشین تلسکوپ فضایی هابل (Hubble Space Telescope)، این کهکشان کشیده و نامتعارف به نظر می‌رسید، بنابراین در فهرست هدف‌های رصدی قرار گرفت. اما هنگامی که ابزار فروسرخ نزدیک (Near-Infrared Spectrograph) جیمز وب به آن نگاه کرد، داده‌های بسیار دقیق‌تر ساختار حلقه‌ای برجسته را آشکار کرد و امکان بررسی سه‌بعدی کهکشان فراهم شد.

میشله پرنا، پژوهشگر پسادکترا در مرکز اخترزیست‌شناسی اسپانیا و نویسنده نخست مقاله، توضیح می‌دهد که مشاهدات جدید نه‌تنها شکل کهکشان را نشان داد، بلکه حرکت گاز داغ آن، ویژگی‌های شیمیایی گاز و تاریخچه ستاره‌زایی آن را نیز قابل اندازه‌گیری کرد. این ترکیب داده‌ها همان چیزی است که یک رصد معمولی را به یک تحلیل جامع تبدیل می‌کند.

شواهدی که به یک برخورد اشاره می‌کنند

چند سرنخ مستقل، سناریوی برخورد را تقویت می‌کنند. نخست آنکه پژوهشگران یک کهکشان همراه کوچک (companion galaxy) یافته‌اند که با سرعت حدود ۴۲۵ کیلومتر بر ثانیه از GS18660 دور می‌شود. دوم آنکه پلی از گاز این دو را به هم متصل می‌کند و سرعت گاز در طول این پل تغییر می‌کند؛ نشانه‌ای از کشش و اثر متقابل گرانشی میان دو جسم.

نکته سوم به موقعیت کهکشان همراه مربوط می‌شود. این همراه تقریباً روی محور کوچک (minor axis) کهکشان اصلی قرار دارد؛ همان جایی که انتظار می‌رود یک «مزاحم» پس از عبور عمودی از قرص کهکشان در آن دیده شود. اگر توپ بیلیاردی به‌شکل عمود از میان بافت‌های یک صفحه عبور کند، به‌سختی می‌توان انتظار داشت که در جهتی غیر از این محور ظاهر شود.

گاه‌شماری برخورد از روی سرعت و فاصله

پژوهشگران با استفاده از سرعت و فاصله کهکشان همراه، زمان تقریبی برخورد را محاسبه کردند. نتیجه نشان می‌دهد این رویداد حدود ۱۷ تا ۴۲ میلیون سال پیش از لحظه‌ای رخ داده که ما آن را می‌بینیم؛ بازه‌ای کوتاه در مقیاس عمر کهکشان‌ها که میلیاردها سال است.

کریستوفر کونسلیس، استاد اخترشناسی فراکهکشانی دانشگاه منچستر که در این پژوهش مشارکت نداشته، این بازه زمانی را معقول می‌داند. او توضیح می‌دهد که تعیین مستقیم سن یک برخورد گذشته دشوار است، اما اگر برخوردی رخ داده باشد، باید هم‌زمان با آغاز دوره‌ای از ستاره‌زایی سریع بوده و سن آن با میانگین سن خوشه‌های ستاره‌ای سازگار باشد.

اندازه‌گیری نرخ ستاره‌زایی با ابزارهای گوناگون نشان می‌دهد که میان ۱۰ تا ۲۰ درصد جرم ستاره‌ای موجود در حلقه، تنها در چند ده میلیون سال گذشته ساخته شده است. این هم‌زمانی قوی‌ترین سرنخ است: گاز فشرده‌شده توسط موج برخورد، همان گازی است که ستارگان تازه را ساخته است.

پرنا خود تأکید می‌کند که هیچ‌یک از این شواهد به‌تنهایی اثبات قطعی برخورد نیست، اما کنار هم گذاشتن پل گازی، شکل حلقه و محاسبات زمانی، احتمال این سناریو را بسیار بالا می‌برد.

توضیح رقیب: میله کهکشانی

دانشمندان محتاطانه برخورد با داده‌ها برخورد می‌کنند و توضیح دیگری نیز مطرح است. در GS18660 ساختاری میله‌مانند (bar) از شمال به جنوب دیده می‌شود. میله‌های کهکشانی می‌توانند گاز و ستاره‌ها را به سمت نواحی مشخصی هدایت کنند و در فاصله‌ای معین از مرکز، حلقه‌ای شکل دهند؛ بدون آنکه نیازی به مزاحم بیرونی باشد.

تاکنون روشن نیست که این ساختار یک میله واقعی است یا نتیجه‌ای از فعل و انفعال با کهکشان همراه. تلسکوپ جیمز وب پیش‌تر کهکشان‌های میله‌دار را در کیهان اولیه کشف کرده است، از جمله CEERS-2112، اما نمونه روشنی از حلقه‌ای که کاملاً با میله توضیح داده شود در آن دوران یافت نشده است.

چرا این کشف اهمیت دارد

صرف‌نظر از پاسخ نهایی، نتیجه این پژوهش درباره چگونگی شکل‌گیری ساختار در کهکشان‌ها اطلاعات ارزشمندی می‌دهد. اگر GS18660 یک کهکشان حلقه‌ای برخوردی تأیید شود، به این معناست که برخوردهای رودررو در کیهان اولیه بیش از تصور پیشین رخ می‌داده‌اند. برآوردهای قدیمی می‌گفتند فراوانی این اجرام در کیهان دوردست تقریباً همانند امروز و در حد یک در ۱۰٬۰۰۰ است؛ اما این کشف نشان می‌دهد ممکن است لازم باشد این عدد بازنگری شود.

افزون بر این، کشف نشان می‌دهد که کهکشان‌ها تنها چند میلیارد سال پس از مه‌بانگ، از نظر ساختاری سازمان‌یافته بودند؛ یعنی در آنها میله، حلقه و الگوهای منظم شکل گرفته بود. این با تصویری که زمانی از کیهان جوان به‌عنوان مجموعه‌ای از توده‌های بی‌شکل داشتیم، تفاوت دارد.

چشم‌انداز آینده

تلسکوپ فضایی جیمز وب با توانایی رصد در فروسرخ و طیف‌نگاری دقیق، امکان مطالعه حرکت و ترکیب شیمیایی گاز را در اجرام دور فراهم کرده است. رصدهای آینده می‌توانند نشان دهند که آیا ساختار میله‌مانند GS18660 واقعی است و آیا کهکشان‌های همراه دیگری نیز در اطراف آن وجود دارند. هر یافته تازه، تصویر ما را از چگونگی رشد و تحول کهکشان‌ها در نخستین میلیارد سال‌های عمر کیهان دقیق‌تر می‌کند.

آنچه امروز در دست داریم، عکسی از یک لحظه گذرا در تاریخ کیهان است؛ لحظه‌ای که در آن برخوردی کیهانی، آتش ستاره‌زایی را در حلقه‌ای درخشان روشن کرده است.