تلسکوپ جیمز وب دوباره دانشمندان را غافلگیر کرده است. این بار ماجرا فقط کشف چند کهکشان دور یا چند تصویر زیبا از اعماق فضا نیست؛ جیمز وب تصویری را از آغاز جهان نشان میدهد که با انتظار بسیاری از اخترفیزیکدانان همخوانی ندارد. زمانیکه جهان هنوز بسیار جوان بود، اجرامی دیده شدند که انگار نباید آنقدر زود وجود میداشتند: سیاهچالههایی بیش از حد بزرگ، کهکشانهایی بیش از حد درخشان و نقطههای سرخ کوچکی که هنوز کسی دقیق نمیداند چه هستند. حالا پرسش مهم این است، آیا مدلهای فعلی ما از تولد کیهان فقط نیاز به اصلاح دارند یا جیمز وب ما را به آستانه یک بازنویسی جدی از تاریخ جهان رسانده است؟
یکی از عجیبترین چیزهایی که جیمز وب در دل کیهان دیده، اجرامی است که اخترشناسان به آنها نقطههای سرخ کوچک میگویند. این اجرام قبل از شروع کار تلسکوپ جیمز وب در سال ۲۰۲۲ دیده نشده بودند، اما حالا در تصاویر عمیق کیهان، صدها نمونه از آنها پیدا شدهاند. مهم این نیست که این نقطهها کوچک و سرخ بهنظر میرسند، نکته اصلی این است که آنها خیلی زود در تاریخ جهان ظاهر شدهاند؛ حدود ۶۵۰ میلیون سال بعد از بیگبنگ، یعنی زمانیکه کیهان هنوز در سالهای ابتدایی زندگی خود بود.
ویدیوی زیر، شبیهسازی شکلگیری یک کهکشان را در ۵۵۰ میلیون سال نخست پس از بیگبنگ نشان میدهد. در سه پنل، از چپ به راست، میتوانیم سه جزء اصلی این فرایند را ببینیم: ماده تاریک، گاز و ستارهها.
البته سرخ دیدهشدن این اجرام به این معنا نیست که واقعاً مانند چراغی قرمز در فضا میدرخشند. نور آنها میلیاردها سال در جهانی رو به انبساط سفر کرده و در این مسیر، کشیده و (تحت فرایندی بهنام انتقال به سرخ) به طول موجهای بلندتر منتقل شده است. به زبان ساده، هرچه جرمی دورتر و قدیمیتر باشد، نور آن در مسیر رسیدن به ما بیشتر کش میآید و سرختر دیده میشود. پس این نقطههای کوچک سرخ پنجرههایی به گذشتهای بسیار دور هستند، به زمانی که جهان تازه درحال ساختن نخستین کهکشانها و ساختارهای بزرگ خود بود.
اما بخش هیجانانگیز ماجرا اینجاست که این اجرام بهراحتی در مدلهای فعلی ما از کیهان جا نمیشوند. بعضی دانشمندان فکر میکنند شاید این نقطههای سرخ، سیاهچالههایی باشند که در پوششی ضخیم از گاز پنهان شدهاند؛ گازی فشرده و داغ که مثل جو یک ستاره میدرخشد و باعث میشود ما فقط ردّی سرخ و مرموز از آنها ببینیم. حتی فرضیه جسورانهتری نیز مطرح شده است: شاید با نوعی جرم کاملاً تازه بهنام ستاره سیاهچالهای روبهرو هستیم.
اما نقطههای سرخ کوچک تنها بخش عجیب این تصویر نیستند؛ پشت برخی از این نورهای دوردست، شاید هیولاهایی پنهان شده باشند که خیلی زودتر از انتظار رشد کردهاند.
جیمز وب، تنها لکههای سرخ دوردست را آشکار نکرده است؛ بلکه ردپایی از سیاهچالههایی را نیز نشان داده که برای سن کیهانیشان، بیش از حد بزرگ به نظر میرسند. براساس تصویر سنتی، سیاهچالهها معمولاً از فروپاشی ستارگان بسیار پرجرم شکل میگیرند. نخستین ستارگان جهان احتمالاً بسیار بزرگتر از خورشید بودند و پس از مرگ، میتوانستند بذرهایی برای تشکیل سیاهچالهها از خود به جا بگذارند. اما مسئله این است که حتی اگر این بذرها صد برابر خورشید جرم داشته باشند، چگونه میتوانند طی چند صد میلیون سال به سیاهچالههایی با جرم میلیونها یا حتی میلیاردها برابر خورشید تبدیل شده باشند؟
اینجاست که اخترفیزیک وارد قلمروی هیجانانگیز فرضیهها میشود. برای رشد یک سیاهچاله، ماده باید به درون آن سقوط کند. این ماده هنگام سقوط، دیسکی داغ و چرخان در اطراف سیاهچاله میسازد که انرژی بسیار زیادی تابش میکند. این تابش با ایجاد فشاری رو به بیرون، اجازه نمیدهد ماده با سرعت دلخواه وارد سیاهچاله شود. به این محدودیت حد ادینگتون میگویند؛ نوعی سقف طبیعی برای سرعت غذا خوردن سیاهچالهها.
شاید سیاهچالههای آغازین راهی برای دور زدن این سقف داشتهاند. شبیهسازیهای جدید نشان میدهند اگر دیسک برافزایشی اطراف سیاهچاله به شکل خاصی ضخیم و متورم شود، گاز ورودی میتواند بر فشار تابش غلبه و با سرعتی بسیار بیشتر به درون سیاهچاله سقوط کند. این حالت را برافزایش فوقادینگتونی مینامند، یعنی سیاهچاله، برخلاف تصور قدیمی، میتواند برای مدتی کوتاه یا حتی طولانی با اشتهایی حیرتانگیز رشد کند.
راهحل دیگر، حتی جسورانهتر است: شاید بعضی از سیاهچالههای عظیم اصلاً از مرگ ستارهها آغاز نشده باشند. در این سناریو، ابرهای بسیار بزرگ گاز در جهان اولیه، بیآنکه به ستارههای کوچکتر تقسیم شوند، مستقیماً فروپاشیده و سیاهچالهای عظیم را بهوجود آوردهاند. به این فرایند فروپاشی مستقیم میگویند.
مزیت این ایده روشن است. سیاهچاله بهجای شروع با بذری کوچک، از همان ابتدا با جرمی بسیار بزرگ متولد میشود. چنین بذری میتواند در زمانی کوتاهتر به ابرسیاهچالهای غولآسا تبدیل شود. اما مشکل اینجاست که فروپاشی مستقیم به شرایطی بسیار دقیق و کمیاب نیاز دارد. ابر گاز باید همزمان فشرده شود، خیلی زود تکهتکه نشود، ترکیب شیمیایی مناسبی داشته باشد و با سرعت زیادی هم نچرخد. به زبان ساده، طبیعت باید همه چیز را دقیقاً روی نقطه درست تنظیم کند.
بااینحال، برخی مشاهدات تازه این احتمال را جدیتر کردهاند. اجرامی بسیار دور دیده شدهاند که شاید سیاهچالههایی بزرگ باشند، اما کهکشان روشنی در اطرافشان دیده نمیشود. اگر این تفسیر درست باشد، شاید در سپیدهدم کیهان سیاهچالههایی وجود داشتهاند که حتی پیش از شکلگیری کامل کهکشانهای میزبان خود به دنیا آمدهاند. چنین تصویری رابطه آشنای میان کهکشان و سیاهچاله مرکزی را پیچیدهتر میکند و ما را به پرسشی بنیادین میرساند: کدامیک زودتر آمد؛ کهکشان یا سیاهچاله؟
معمای دیگر جیمز وب، به کهکشانهای آغازین برمیگردد. بسیاری از کهکشانهایی که این تلسکوپ در صدها میلیون سال اول پس از تولد جهان دیده است، درخشانتر از چیزی هستند که انتظار داشتیم. براساس مدلهای رایج، کیهان در آن دوران هنوز زمان زیادی برای ساختن انبوهی از ستارگان نداشت. ماده تاریک باید ابتدا در هالههایی بزرگ جمع میشد، گاز هیدروژن و هلیوم را به درون خود میکشید، فشار و چگالی افزایش مییافت و سپس نخستین ستارهها روشن میشدند. همه اینها نیاز به زمان زیادی داشت.
اما تصاویر ثبت شده توسط جیمز وب نشان دادند که کیهان جوان، انگار عجله داشته است. در برخی نواحی، کهکشانها زودتر از پیشبینیها شکل گرفتهاند یا دستکم روشنتر از پیشبینیهای انجام شده هستند. این یافتهها در ابتدا برخی دانشمندان را به این فکر انداخت که شاید مسئله فقط چند کهکشان غیرمنتظره نیست؛ شاید لازم باشد حتی به بنیادهای کیهانشناسی دوباره نگاه کنیم، به قوانینی که رفتار ماده، انرژی و انبساط جهان را توضیح میدهند.
بااینحال، امروز بسیاری از پژوهشگران محتاطتر فکر میکنند. شاید لازم نباشد کل فیزیک را زیر و رو کنیم. ممکن است نخستین کهکشانها فقط در ساختن ستارهها کارآمدتر از تصور ما بوده باشند. شاید گازهای درون آنها با سرعت بیشتری به ستاره تبدیل شدهاند یا شاید ستارهزایی در آن دوران به شکلی انفجاری و دورهای رخ داده است.
در جهان اولیه، عناصر سنگین هنوز فراوان نبودند. بیشتر عالم از هیدروژن، هلیوم و مقدار اندکی عناصر سبک ساخته شده بود. ستارگانی که در چنین محیطی متولد میشدند، احتمالاً با ستارگان امروزی تفاوت زیادی داشتند. برخی مدلها نشان میدهند که نخستین ستارهها بسیار پرجرم، داغ و درخشان بودهاند.
این ستارهها با تابش شدید خود، محیط اطرافشان را دگرگون کردند. سپس در پایان عمر، به شکل ابرنواختر منفجر شدند و عناصر سنگینتر را مانند کربن، اکسیژن، نیتروژن، آهن و عناصر دیگری که بعدها برای ساختن سیارهها، اقیانوسها، سنگها و حتی بدن موجودات زنده ضروری شدند، به فضای میانستارهای پاشیدند. در این دیدگاه، نخستین ستارهها فقط اجرامی نجومی نبودند، آنها نخستین کارخانههای مواد سازنده حیات بودند.
یکی از نشانههای جالب در دادههای تازه، کهکشانهایی هستند که مقدار زیادی نیتروژن در آنها دیده میشود. چنین افزایشی میتواند نشانه حضور ستارگانی بسیار پرجرم در جهان اولیه باشد؛ ستارگانی که پیش از مرگ، نیتروژن فراوانی تولید و سپس آن را در کهکشان میزبان خود پراکنده کردند. اگر این برداشت درست باشد، جیمز وب فقط تولد کهکشانها را ندیده است، بلکه ردپای نخستین نسلهای ستارهای را نیز آشکار کرده است.
قدرت جیمز وب فقط در آینه بزرگ و حساسیت بالای آن نیست، بلکه در ابزارهایی است که نور را تحلیل میکنند و اطلاعات بیشتری از آن میدهند. یکی از این ابزارها، ابزار فروسرخ میانی یا MIRI است که میتواند نور اجرام بسیار دور را بررسی کند.
این ابزار نشان داده است که کهکشانهای آغازین، برخلاف تصور پیشین، چندان شبیه هم نیستند. بعضی از آنها تقریباً عاری از گاز و غبار بهنظر میرسند، گویی بیشتر نوری که از آنها به ما میرسد، مستقیماً از ستارگانشان سرچشمه میگیرد. درمقابل، برخی دیگر سرشار از گازند و هنوز در دل فرایندهای فعال و پرشتاب ستارهزایی قرار دارند.
اهمیت این تنوع بسیار زیاد است. اگر همهی کهکشانهای نخستین شبیه یکدیگر بودند، توضیح دادن و مدلسازی آنها کار سادهتری بود. اما این تفاوتها نشان میدهند که جهان، حتی در نخستین دورههای شکلگیری خود، ساختاری پیچیده و پویا داشته است.
کشفهای جیمز وب فقط چند پرسش تازه درباره کهکشانها و سیاهچالههای آغازین مطرح نکردهاند؛ آنها ما را به یکی از حساسترین فصلهای تاریخ کیهان بردهاند: پایان عصر تاریکی. پس از بیگبنگ، جهان برای مدتی طولانی تقریباً بینور بود، نه ستارهای میدرخشید، نه کهکشانی شکل گرفته بود. اما با تولد نخستین ستارگان و کهکشانها، نور آرامآرام در مه هیدروژن خنثی نفوذ و آن را یونیزه کرد. این دوره که بازیونش نام دارد، لحظهای بود که جهان از تاریکی عبور کرد و به عالمی شفافتر و قابل مشاهدهتر تبدیل شد.
جیمز وب اکنون درحال بازسازی همین گذار بزرگ است. هر نقطه سرخ کوچک، هر کهکشان دوردست و هر طیف غیرمنتظره، تکهای از نقشهای است که نشان میدهد نور چگونه در جهان آغازین گسترش یافت و نخستین ساختارهای کیهانی چگونه شکل گرفتند. اما اهمیت این داستان فقط در گذشتهای دور خلاصه نمیشود. عناصری که امروز بدن ما، زمین، اقیانوسها و زندگی را ساختهاند، در دل ستارگان شکل گرفتهاند و در انفجارهای عظیم به فضا راه یافتهاند. بنابراین، نگاه جیمز وب به نخستین کهکشانها، نگاهی به ریشههای مادهای است که سرانجام به ما رسید.
با این همه، پاسخ نهایی هنوز روشن نیست. نقطههای سرخ کوچک دقیقاً چه هستند؟ سیاهچالههای آغازین چگونه آنقدر سریع رشد کردند؟ چرا برخی کهکشانهای نخستین بیش از حد انتظار درخشان هستند؟ شاید مدلهای فعلی فقط به اصلاح نیاز داشته باشند، شاید هم کیهانشناسی در آستانه فصلی تازه ایستاده باشد. زیبایی علم در همین ناتمامبودن است. هر کشف، پنجرهای تازه باز میکند و پشت هر پنجره، رازی عمیقتر انتظار میکشد.
