چرا سیگنال مرموز جیمز وب اخترشناسان را شگفت زده کرد؟

ثبت داده‌های تازه از اعماق فضا بارها فرضیات کیهان‌شناسان را بازتعریف کرده است. میدان فراژرف هابل که در محدوده صورت فلکی کوره قرار دارد، سال‌ها به عنوان یکی از دقیق‌ترین نقشه‌های تصویری از جهان دوردست شناخته می‌شد. تلسکوپ فضایی هابل با بیش از 270 ساعت نوردهی مداوم روی این منطقه کوچک، توانست نزدیک به 10 هزار کهکشان را در اعماق زمان و مکان شناسایی کند. بر پایه این داده‌های تاریخی، اخترشناسان تصور می‌کردند کاتالوگ کاملی از اجرام نوری این بخش از آسمان در دست دارند. اما در جریان رصدهای جدید فروسرخ، ثبت سیگنال مرموز جیمز وب در نقطه‌ای که کاملا خالی و تاریک به نظر می‌رسید، نگاه دانشمندان را به ساختار پنهان کیهان تغییر داد.

این پرتو نوری غیرمنتظره به صورت یک خط تابشی منفرد و روشن در طول موج 1.6 میکرومتر ظاهر شد. تحلیل‌های طیفی نشان داد که این سیگنال نه تنها در تصاویر داده‌های تاریخی هابل وجود نداشت، بلکه در رصدهای قبلی خود جیمز وب نیز که در قالب پیمایش جیدز (JADES) در مهر 1401 انجام شده بود، ثبت نشده بود. مسئله زمانی پیچیده‌تر شد که پژوهشگران تایید کردند این نور ناشی از یک خطای حسگری یا نویز موقت نیست. این سیگنال در دو بازه زمانی جداگانه با فاصله 88 روز در مرداد و آبان 1402 دریافت شد. رصدها با زوایای دید متفاوت فضاپیما صورت گرفت و در هر 4 مجموعه نوردهی ترکیبی، سیگنال با کیفیتی یکسان حضور داشت.

اگر منبع این نور یک کهکشان پایدار و درخشان بود، بایستی در نوردهی‌های طولانی هابل یا پیمایش‌های فروسرخ سال‌های گذشته آشکار می‌شد. ناپدید بودن منبع در سال 1402 و ظهور ناگهانی آن در سال بعد، نشان‌دهنده وقوع یک پدیده متغیر یا تحول فیزیکی سریع در ژرفای فضا است. در بررسی‌های کیهانی، شناساگری اجرامی که مشابهی در کاتالوگ‌های قبلی ندارند، اهمیت بالایی در درک چرخه حیات اجرام پرانرژی دارد. مانند پژوهش‌های مرتبط با کشف منابع پرتو ایکس جدید که ساختارهای پرانرژی پنهان را آشکار می‌کنند، این خط تابشی فروسرخ نیز پرده از فرایندی ناشناخته در فواصل بسیار دور برمی‌دارد.

چرا ثبت سیگنال مرموز جیمز وب دانشمندان را به چالش کشید؟

برای درک چالش علمی این کشف، باید تفاوت میان تصویربرداری ساده و طیف‌سنجی نجومی را تحلیل کرد. دوربین‌های نجومی نور دریافتی را در چند فیلتر رنگی ترکیب می‌کنند تا تصویری دو بعدی ارائه دهند. در مقابل، طیف‌سنج با تجزیه نور به طول موج‌های سازنده، اثر اتم‌ها و عناصر مختلف را آشکار می‌سازد. در حالت استاندارد، اخترشناسان چند خط تابشی و جذبی را در کنار یک پیوستار نوری ثبت می‌کنند. وجود خطوط متعدد امکان محاسبه دقیق اثر انتقال به سرخ را فراهم می‌کند. انبساط کیهان طول موج نور رسیده از اجرام دوردست را کشیده و به سمت بخش فروسرخ طیف منتقل می‌کند.

هنگامی که فقط یک تک‌خط طیفی در طول موج 1.6 میکرومتر ثبت می‌شود، پدیده‌ای به نام انحطاط طیفی رخ می‌دهد. بدون وجود خط دوم یا پیوستار نوری، تعیین دقیق میزان انتقال به سرخ غیرممکن می‌شود. این بدان معناست که اخترشناسان نمی‌توانند تشخیص دهند آیا این پرتو متعلق به یک کهکشان بسیار دوردست در سپیده‌دم کیهان است که نور آن شدیدا کشیده شده، یا جرمی نزدیک‌تر است که تابش خاصی در این طول موج دارد. عدم حضور پیوستار نوری متمایز، ابهام درباره فاصله واقعی منبع را دوچندان کرده و هرگونه نتیجه‌گیری شتاب‌زده درباره موقعیت کیهانی جرم را ناعادلانه می‌سازد.

حساسیت بالای ابزارهای فروسرخ جیمز وب در پیمایش جیدز (JADES) که در مهر 1401 اجرا شد، کفایت می‌کرد تا هرگونه جرم پایدار را با درخشش مشخص ثبت کند. با این حال، عدم رصد این خط طیفی در سال 1401 و درخشش ناگهانی آن در رصدهای مرداد و آبان 1402 فرضیه پایدار بودن منبع را رد می‌کند. این تغییر شدت نوری در یک بازه زمانی یک‌ساله، پژوهشگران را مجاب کرد که با یک پدیده گذرا یا افزایشی ناگهانی در گسیل انرژی مواجه هستند.

طیف سنجی MOCSS چگونه جرم پنهان میدان فراژرف را آشکار کرد؟

دستاوردهای ابزارهای فروسرخ جیمز وب حاصل مهندسی پیشرفته در طیف‌سنج فروسرخ نزدیک NIRSpec است. این ابزار از هزاران ریزشاتر مکانیکی کوچک بهره می‌برد که کنترل مسیر ورود نور را بر عهده دارند. در روش‌های معمول طیف‌سنجی، منجمان ابتدا تصویر یک جرم را روی کاتالوگ مشخص می‌کنند و سپس ریزشاترهای همان نقطه را باز می‌گذارند. این کار مانع ورود نورهای مزاحم محیطی می‌شود، اما تنها اجرامی را سنجش می‌کند که پیشتر در تصویربرداری‌های عادی شناسایی شده باشند.

تیمی از پژوهشگران دانشگاه مینه‌سوتا به سرپرستی Mason Huberty شیوه متفاوتی را تحت عنوان روش MOCSS پیاده‌سازی کردند. آن‌ها به جای محدود کردن ابزار به اهداف شناخته‌شده، اکثر ریزشاترها را باز گذاشتند و تنها دریچه‌های مربوط به کهکشان‌های درخشان پیش‌زمینه را بستند. این رویکرد امکان جستجوی نابینا برای یافتن خطوط تابشی ضعیف در پس‌زمینه را فراهم کرد. منطقه میدان فراژرف هابل (HUDF) به دلیل دارا بودن کاتالوگ‌های انبوه نوری، بهترین میدان آزمایشی برای ارزیابی این تکنیک رصدی بود.

از میان داده‌های خام ثبت‌شده، 7 سیگنال با معیارهای تحلیلی سخت‌گیرانه استخراج شد. 6 سیگنال به طور کامل با کهکشان‌های شناخته‌شده قبلی منطبق بودند که صحتی بر دقت عملکرد این روش طیف‌سنجی بود. اما سیگنال هفتم هیچ معادل تصویری در کاتالوگ‌های گذشته نداشت. برای اطمینان از واقعی بودن سیگنال، محققان احتمال برخورد پرتوهای کیهانی به پیکسل‌های حسگر و بازتاب‌های داخلی اپتیک را بررسی کردند. ثبت سیگنال در دو موقعیت چرخشی مختلف فضاپیما و پایداری شدت نور در طول 88 روز، فرض خطای ابزاری را کاملا مردود کرد.

فرضیه‌های چهارگانه درباره ماهیت فیزیکی سیگنال چیست؟

تحلیلگران برای تبیین منشا این خط تابشی منفرد در طول موج 1.6 میکرومتر، 4 سناریوی نظری را ارزیابی کردند. فرضیه اول به وجود یک کهکشان کم‌جرم در دوران اولیه کیهان اشاره دارد. اگر این پرتو ناشی از خط لیمان آلفای هیدروژن در انتقال به سرخ بسیار بالا باشد، باید از میان ابرهای انبوه هیدروژن خنثی در کیهان اولیه عبور کرده باشد. جذب شدید این پرتوها توسط گازهای اولیه، شانس خروج چنین تک‌خط درخشانی را بسیار پایین می‌آورد. فرضیه دوم، یک کهکشان نزدیک‌تر با فراوانی عناصر خاص است. اما در کهکشان‌های متاخر، خطوط طیفی معمولا به صورت چندگانه همراه با پیوستار نوری قوی ظاهر می‌شوند که در داده‌های NIRSpec اثری از آن‌ها نیست.

فرضیه سوم وقوع یک انفجار ابرنواختری را مطرح می‌سازد. ابرنواخترها می‌توانند درخشش ناگهانی ایجاد کنند، اما منحنی نوری آن‌ها طی 88 روز دچار افت محسوس می‌شود و خطوط طیفی متعددی از عناصر سنگین برجای می‌گذارند. ثابت ماندن نسبی شدت سیگنال در طول دو بازه رصدی، این احتمال را تضعیف می‌کند. فرضیه چهارم که منطقی‌تر به نظر می‌رسد، رویداد اختلال جزرومدی است. در این پدیده، عبور یک ستاره از نزدیکی یک سیاه‌چاله به متلاشی شدن ستاره و بلعیده شدن ماده توسط گرانش شدید می‌انجامد. آزادسازی انرژی در این فرآیند تحت شرایط هندسی خاص، می‌تواند خطوط تابشی فوق‌العاده شدیدی تولید کند بدون آنکه پیوستار نوری عریضی ایجاد نماید.

یافته‌های حاصل از این رصد که در مقاله داوری‌شده پژوهشگران منعکس شده است، مرزهای فعلی طیف‌سنجی فروسرخ را به چالش می‌کشد. ابهام در ماهیت دقیق منبع تا زمان انجام طیف‌سنجی‌های پیگیری با دامنه طول موج گسترده‌تر باقی خواهد ماند. این کشف نشان می‌دهد که حتی در پرپژوهش‌ترین مناطق آسمان، پدیده‌های گذرا و اجرام کم‌نوری وجود دارند که تنها با تغییر روش‌های تحلیل داده آشکار می‌شوند. نحوه مواجهه کیهان‌شناسان با انحطاط طیفی و توسعه الگوریتم‌های پردازش تصویر در سال‌های آینده مشخص خواهد کرد که آیا این سیگنال کلیدی برای درک سیاه‌چاله‌های میانی است یا گونه جدیدی از رویدادهای پرانرژی کیهانی را معرفی می‌کند.