زمینه علمی: آغاز جهان و نخستین ستارگان
بخش عمده‌ای از رموز کیهان‌شناسی به دوران‌هایی بازمی‌گردد که جهان در تاریکی مطلق فرو رفته بود و هنوز هیچ ستاره‌ای در آن نمی‌درخشید. پس از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) که حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش رخ داد، جهان نوظهور با حجمی کوچک اما چگالی و حرارت بسیار بالا پر شده و فضای آن سرشار از پلاسمایی متشکل از هسته‌های اتمی سبک و الکترون‌های آزاد بود.
پس از گذشت چند صد هزار سال، با پایین آمدن تدریجی دما، این ذرات با یکدیگر پیوند خورده و اتم‌های خنثای هیدروژن و در مقیاس کمتر، هلیوم را شکل دادند. هنوز اثری از ستاره‌ها نبود؛ بنابراین جهان همچنان تاریک و سرد باقی ماند تا این‌که نخستین ستاره‌ها از دل گاز هیدروژن خنثی زاده شدند.
سیگنال ۲۱ سانتی‌متری، کلیدی برای رمزگشایی از اولین ستاره‌ها
ستاره‌های نسل نخستین یا همان «جمعیت سوم» (Population III) نقش بنیادینی در تحول جهان ایفا کردند، اما تاکنون هیچ یک از آنان به صورت مستقیم شناسایی نشده‌اند. برخی اخترشناسان معتقدند این ستارگان بسیار پرجرم و در عین حال کوتاه‌عمر بوده‌اند؛ جرم آنها هزاران برابر خورشید و طول عمرشان در مقیاس کیهانی، تنها یک چشم به هم زدن. همین ویژگی‌ها یافتن رد پای آنها را فوق‌العاده دشوار می‌سازد؛ اما نشانه‌هایی از تاثیرات آنها هنوز قابل پیگیری است.
یک راهکار کلیدی، بررسی سیگنال کیهانی موسوم به خط ۲۱ سانتی‌متر است؛ این سیگنال رادیویی بسیار ضعیف توسط گاز هیدروژن خنثی بین‌ستاره‌ای حدود صد میلیون سال پس از بیگ‌بنگ ساطع شده و به دلیل برگشت اسپین الکترون‌ها پدید می‌آید. این سیگنال، نوعی اثر انگشت کیهانی به شمار می‌رود که می‌تواند اطلاعاتی درباره ویژگی‌های فیزیکی و جرم ستاره‌های ابتدایی به ما بدهد.
پیشرفت فناوری رادیوتلسکوپ‌ها و قدم‌های نوین اکتشافی
امروزه فناوری‌های پیشرفته همچون آرایه کیلومتر مربعی (Square Kilometer Array, SKA) در استرالیا و آفریقای جنوبی و پروژه REACH در آفریقای جنوبی این امکان را فراهم کرده‌اند که اخترشناسان موفق به رهگیری این سیگنال بسیار ضعیف و پراکنده شوند. در تازه‌ترین پژوهش‌ها به رهبری دکتر «توماس گسی-جونز» و همکاری دکتر «آناستازیا فیالکوف» از دانشگاه کمبریج و موسسه کیهان‌شناسی کاولی، مدل‌سازی دقیقی از نقش ستارگان اولیه روی سیگنال ۲۱ سانتی‌متر انجام شد.
این گروه پژوهشی دریافته‌اند که جرم و تابش پرقدرت فرابنفش و همچنین پرتوهای ایکس حاصل از سامانه‌های دوتایی پرجرم (که در نتیجه مرگ ستارگان اولیه شکل می‌گیرند)، تاثیر قابل اندازه‌گیری و مشخصی بر شدت و فرم سیگنال ۲۱ سانتی‌متری می‌گذارند. به بیان دیگر، اکنون چشم‌اندازهای نظری روشنی پیش روی رصدگران قرار گرفته است تا بتوانند هنگام ورود داده‌های جدید از رادیوتلسکوپ‌ها، شناسایی دقیق‌تری از بقایای نخستین ستارگان انجام دهند.
نقش پرتو ایکس و مدل‌سازی پیشرفته کیهان اولیه
این پژوهش، برای نخستین بار به صورت جامع تاثیر پرتوهای ایکس ناشی از بقایای ستارگان عظیم (مانند ستارگان نوترونی و سیاه‌چاله‌ها) را نیز وارد مدل‌سازی سیگنال ۲۱ سانتی‌متر کرده است؛ موضوعی که تا پیش از این کمتر مورد توجه بود. محققان با شبیه‌سازی شرایط آغازین کیهان و ترکیب نسبتی هیدروژن و هلیوم ناشی از بیگ‌بنگ، توانسته‌اند تصویری دقیق‌تر از چگونگی تاثیرگذاری نخستین نقاط نورانی بر پس‌زمینه رادیویی دنیا ارائه دهند.
دکتر فیالکوف در این باره می‌گوید: «این پژوهش دستاوردی منحصربه‌فرد برای شناسایی نحوه شکل‌گیری نخستین نورها در جهان تاریک است. ما برای نخستین بار وابستگی میان سیگنال ۲۱ سانتی‌متری و جرم ستارگان آغازین را با لحاظ اثر نور فرابنفش و پرتوهای ایکس به‌دست آوردیم.»
پیامدهای مهم و افق آینده اکتشافات کیهانی
بر اساس نتایج این پژوهش، اگرچه مدل‌های شبیه‌سازی‌شده الزاما با سیگنال‌های مشاهده‌شده یکسان نیستند، اما قدم بزرگی در جهت رمزگشایی از تولد اولین ستارگان و تحول بلندمدت جهان به شمار می‌روند.
به گفته دکتر «الوی د لر آ سدوی» از دانشگاه کمبریج: «پیش‌بینی‌های ارائه‌شده پیامدهای وسیع و بنیادینی برای درک ما از طبیعت ستارگان نخستین دارد. اکنون شواهد نظری نشان می‌دهد رادیوتلسکوپ‌ها می‌توانند اطلاعاتی درباره جرم ستارگان آغازین و تفاوت‌های آنها با ستارگان عصر جدید در اختیار ما قرار دهند.»
این پیشرفت نه‌تنها دانش کیهان‌شناسی و نجوم را دگرگون خواهد ساخت بلکه افق‌های نوینی را برای مطالعه مراحل پنهان و آغازین تاریخ کیهان، زمانی که نخستین نورها جهان را از تاریکی به روشنایی کشاندند، خواهد گشود.
نتیجه‌گیری
پژوهش‌های پیشرفته در حوزه سیگنال رادیویی ۲۱ سانتی‌متری و توسعه امکانات رادیوتلسکوپی نوین، کلیدی برای شناسایی و رمزگشایی از نخستین ستارگان و سرآغاز روشنایی در جهان هستند. با ورود داده‌های جدید و مدل‌سازی‌های دقیق‌تر، دانشمندان می‌توانند با اطمینان بیشتری به اسرار دوران تاریک کیهان، فرایند تولد و تحول ستارگان پرجرم اولیه و نهایتا مسیر تحول کیهان پاسخ دهند.