اکتشافات شگفت‌انگیز تلسکوپ فضایی جیمزوب: تحولی در درک ما از کیهان

رصد سیارات فراخورشیدی و نشانه‌های احتمالی حیات

کشف سیارات فراخورشیدی و بررسی جو آن‌ها از مهم‌ترین دستاوردهای جیمزوب است. این تلسکوپ توانسته جو سیاراتی در خارج از منظومه شمسی را با دقت بررسی کند و به دنبال نشانه‌های حیات بگردد.

هنگامی که سیاره‌ای از مقابل ستاره‌اش عبور می‌کند، نور ستاره از جو آن عبور کرده و به JWST می‌رسد. مولکول‌های موجود در جو سیاره بخشی از این نور را جذب می‌کنند و از الگوی جذب در طول‌موج‌های مختلف، می‌توان نوع گازها را تشخیص داد.

• HIP 65426 b: اولین سیاره فراخورشیدی که جیمزوب از آن تصویربرداری کرد، در سال ۲۰۱۷ کشف شد. این سیاره گازی عظیم، حدود ۱۲ برابر مشتری است و ۱۰۰ برابر فاصله زمین تا خورشید از ستاره میزبان خود فاصله دارد.
• WASP-39b: این سیاره فراخورشیدی که حدود ۷ هزار سال نوری با زمین فاصله دارد، اکنون مطالعه‌شده‌ترین دنیای خارج از منظومه شمسی است. جیمزوب برای نخستین بار دی‌اکسید کربن را در جو این سیاره شناسایی کرد. وجود عناصری مانند گوگرد و سیلیکات و میزان بالای اکسیژن نسبت به کربن، نشان‌دهنده فعالیت فتوشیمیایی و تاریخچه شکل‌گیری پیچیده آن است.

دیگر سیارات فراخورشیدی کشف‌شده توسط جیمزوب عبارتند از:

• K2-18b: این سیاره در منطقه قابل‌سکونت ستاره‌ای کوتوله، در فاصله ۱۲۴ سال نوری از زمین قرار دارد. در سپتامبر ۲۰۲۳، JWST نشانه‌هایی از متان (CH₄)، دی‌متیل‌سولفید (DMS) و دی‌اکسید کربن (CO₂) را در جو آن شناسایی کرد. DMS تنها منبع شناخته‌شده ارگانیسم‌های زنده دریایی روی زمین است، اما شناسایی آن به معنای کشف حیات نیست و نیاز به بررسی‌های بیشتر دارد.
• GJ 1214b: طیف‌نگاری JWST از این سیاره نشان داد که احتمالاً جوی مه‌آلود با بخار آب دارد. ابزارهای دقیق جیمزوب موفق به شکافتن این مه و بررسی دقیق‌تر جو آن شدند.

این دستاوردها نشان می‌دهند که جیمزوب می‌تواند جو سیارات کوچک‌تر را با دقت بررسی کند و قابلیت شناسایی گازهای زیستی مانند اکسیژن، متان، اوزون یا DMS را دارد. بسیاری از این سیارات در «منطقه قابل‌سکونت» قرار دارند که بررسی آن‌ها برای یافتن نشانه‌های حیات ضروری است.

تولد ستارگان در ستون‌های آفرینش

«ستون‌های آفرینش» در سحابی عقاب، مدت‌ها هدف تلسکوپ هابل بوده‌اند. اما هابل که بیشتر در نور مرئی داده جمع‌آوری می‌کند، فرایند تولد ستارگان را پنهان نگه داشته بود. جیمزوب با تصویربرداری فروسرخ، وجود پیش‌ستاره‌های بی‌شمار در این سحابی را آشکار کرده است. نقاط قرمز کوچک در زمینه مه‌آلود ستون‌های آفرینش، گاز و غباری هستند که ابعاد هرکدام چندین برابر منظومه شمسی است و همان ستارگان در حال تولد هستند.

«این ستارگان جوان که در تصویر می‌بینیم، هنوز هیدروژن نمی‌سوزانند اما به‌تدریج که ماده بیشتری وارد می‌شود، مرکز آنها چگال‌تر می‌شود و ناگهان چگالی آن‌قدر زیاد می‌شود که احتراق هیدروژن آغاز می‌شود و دمای آنها به حدود ۲ میلیون درجه سلسیوس می‌رسد.»
— دریک وارد-تامپسون، رئیس دانشکده علوم طبیعی دانشگاه مرکزی لنکشایر بریتانیا

مشاهده سیاه‌چاله‌های عظیم در کیهان اولیه

کشف و مشاهده سیاه‌چاله‌های عظیم در کیهان اولیه، یکی از چالش‌برانگیزترین و هیجان‌انگیزترین یافته‌های جیمزوب است. این کشف نه تنها به پرسش‌های کلیدی درباره پیدایش سیاه‌چاله‌ها پاسخ می‌دهد، بلکه برخی از مدل‌های بنیادی کیهان‌شناسی را نیز زیر سؤال برده است.

در نظریه‌های استاندارد کیهانی، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در مرکز کهکشان‌ها و پس از میلیاردها سال شکل‌گیری و ادغام تدریجی جرم به وجود می‌آیند. اما JWST وجود سیاه‌چاله‌هایی بسیار بزرگ را تنها چندصد میلیون سال پس از مهبانگ نشان داد که با این تصور در تضاد است.

یکی از نمونه‌های برجسته، رصد کهکشانی به نام «CEERS 1019» است که تنها ۵۷۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته و میزبان سیاه‌چاله‌ای فعال و پرجرم است. ابزارهای طیف‌سنج JWST موفق شدند ردپای مواد اطراف این سیاه‌چاله را ثبت کنند و تخمین بزنند که این سیاه‌چاله جرمی معادل حدود ۹ میلیون جرم خورشیدی دارد. این مقدار جرم برای مدل‌های موجود که رشد سیاه‌چاله‌ها را توضیح می‌دهند، قابل‌توجیه نیست.

این مشاهدات نشان می‌دهد که یا روند رشد سیاه‌چاله‌ها بسیار سریع‌تر از حد تصور است، یا آن‌ها از ابتدا با جرم‌های بسیار بالا متولد شده‌اند (فروپاشی مستقیم ابرهای گازی عظیم اولیه). همچنین شواهدی از وجود سیاه‌چاله‌های فعال در چندین کهکشان دیگر در دوره‌های ۶۰۰ تا ۸۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ مشاهده شده است.

این مشاهدات پیامدهای مهمی در ارتباط با نحوه شکل‌گیری کهکشان‌ها نیز دارد. پیشتر تصور می‌شد ابتدا کهکشان‌ها شکل می‌گیرند و سپس سیاه‌چاله‌ای در مرکز آن‌ها رشد می‌کند، اما برخی از این مشاهدات توضیح می‌دهد که شاید سیاه‌چاله‌های عظیم حتی زودتر از کهکشان میزبان خود شکل گرفته باشند و رشد کهکشان در تعامل با آن‌ها اتفاق افتاده باشد.

کشف کهکشان‌های اولیه و ساختارهای کیهانی

تلسکوپ جیمزوب برای مشاهده دورترین کهکشان‌های جهان طراحی شده و تاکنون چندین کهکشان دوردست را رصد کرده که در دسته قدیمی‌ترین کهکشان‌های شناخته‌شده عالم قرار دارند.

دو مورد از این کهکشان‌ها عبارتند از:

• کهکشان GS-z13-1: این کهکشان تنها حدود ۳۳۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته است؛ یعنی نور آن حدود ۱۳.۵ میلیارد سال در راه بوده تا به ما برسد. رصد این کهکشان نشان داد کهکشان‌سازی خیلی زودتر از آنچه انتظار می‌رفت، آغاز شده است.
• کهکشان‌های عظیم و شگفت‌انگیز: «هیولاهای قرمز»: جیمزوب گروهی از کهکشان‌های عظیم و بالغ را در کیهان اولیه شناسایی کرد که به «هیولاهای قرمز» معروفند. این کهکشان‌ها جرم‌هایی هم‌تراز یا حتی بیشتر از راه‌شیری دارند، تنها چندصد میلیون سال پس از بیگ‌بنگ تشکیل شده‌اند و نرخ تشکیل ستاره در آن‌ها بالا بوده است. این ویژگی‌ها نظریه‌های کلاسیک شکل‌گیری تدریجی کهکشان‌ها را زیر سؤال برد.

علاوه بر این، جیمزوب برای نخستین بار موفق به مشاهده مستقیم نور از کهکشان‌هایی در دوران Reionization شد؛ دوره‌ای که کیهان از حالت تاریک و خنثی به حالت روشن و یونیزه تبدیل شد. این دوره حدود ۳۰۰ تا ۹۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ رخ داد و نقش کلیدی در شفاف شدن کیهان ایفا کرد.

JWST با مشاهده کهکشان‌هایی در این بازه زمانی، به دانشمندان اجازه داد میزان تأثیر آن‌ها در فرایند Reionization را مستقیم اندازه‌گیری کنند. همچنین، این تلسکوپ موفق به شناسایی ساختارهای بزرگ‌مقیاس مانند «Cosmic Filaments» و «Proto-clusters» در دوران اولیه شده است که ستون‌فقرات «وب کیهانی» را تشکیل می‌دهند.

کشف سیارات سرگردان

کشف سیارات سرگردان، اجرام بدون ستاره که در فضای میان‌ستاره‌ای شناورند، جایگاه ویژه‌ای در اکتشافات جیمزوب دارد. این اجرام مفاهیمی را در اخترشناسی مطرح کرده‌اند که پیشتر فقط در حد نظریه بودند.

یکی از نخستین شواهد قوی در این زمینه، کشف مجموعه‌ای از جفت‌های سیاره‌ای سرگردان در سحابی‌های جوان مانند خوشه ستاره‌ای «TRAPPIST-1» است. این سیارات نه تنها بدون ستاره‌اند، بلکه جفت‌های دوتایی نیز دیده شده‌اند؛ پدیده‌ای که در هیچ‌یک از مدل‌های کلاسیک شکل‌گیری سیارات پیش‌بینی نشده بود.

این سیارات که جرم‌هایی در محدوده سیارات غول‌پیکر گازی دارند، با کمک ابزارهای فروسرخ حساس جیمزوب قابل شناسایی شده‌اند؛ زیرا با توجه به سن کم آن‌ها (کمتر از یک میلیون سال)، هنوز گرمای ناشی از تشکیل اولیه خود را حفظ کرده‌اند و در طول‌موج‌های فروسرخ می‌درخشند. این قابلیت که فقط از طریق ابزار NIRCam و MIRI تلسکوپ جیمزوب ممکن شده، نخستین بار به اخترشناسان اجازه داده این اجرام را با تصویر مستقیم شناسایی کنند.

در کنار سیارات سرگردان، JWST اشیای عجیب دیگری در محیط‌های ستاره‌زایی کشف کرده است؛ ساختارهایی با جرم‌های مرزی بین سیاره و ستاره که به آن‌ها گاهی «نوزادان شکست‌خورده‌ی ستاره‌ای» یا «sub-brown dwarfs» گفته می‌شود. هنوز معلوم نیست این اجرام در فرایندی شبیه ستاره‌ها متولد شده‌اند یا سیاراتی هستند که از تشکیل به دور ستاره‌ای بازمانده‌اند.

مشاهده ابرنواخترهای دوردست: رصد مرگ پرشکوه ستارگان

ابرنواخترها انفجارهای مرگبار و درخشان ستارگان پرجرم هستند که منابع اصلی تولید عناصر سنگین در کیهان‌اند و در انتشار این عناصر در محیط میان‌ستاره‌ای نقش حیاتی دارند. پیش از جیمزوب، رصد ابرنواخترهای بسیار دور و مربوط به جهان آغازین، به‌سختی ممکن بود.

جیمزوب با توانایی خارق‌العاده خود در طیف فروسرخ، توانست انفجارهایی از ستارگان بسیار قدیمی را شناسایی کند. یکی از موارد برجسته، رصد ابرنواخترهایی در فاصله‌هایی بود که مربوط به کمتر از یک میلیارد سال پس از مهبانگ می‌شد. برخی از این ابرنواخترها از نوع پرنور بودند که از نابودی ستارگان فوق‌العاده عظیم به وجود آمده‌اند و انرژی‌شان هزاران برابر بیشتر از ابرنواخترهای معمولی است. مشاهده آن‌ها نشان می‌دهد ستارگان بسیار پرجرم، حتی در مراحل نخستین کیهان، به‌سرعت شکل گرفته و نابود شده‌اند؛ فرایندی که به غنی‌سازی شیمیایی زودهنگام کیهان منجر شده است.

یکی از نکات جالب، استفاده از «عدسی گرانشی» برای تقویت نور این انفجارهاست؛ یعنی استفاده از خوشه‌های کهکشانی به‌عنوان ذره‌بین‌های طبیعی کیهانی برای دیدن انفجارهایی که در غیر این صورت قابل‌مشاهده نبودند. جیمزوب توانست به لطف این پدیده، برخی از دورترین ابرنواخترها را به‌دقت تحلیل کند و جزئیات طیفی آن‌ها را ثبت نماید.