هابل، پرده‌خوان پیر داستان هستی

احسان سنایی

نقش حائز اهمیت هابل در بررسی انفجارهای کیهانی را تنها نمی‌توان محدود به ابرنواخترهای نوع a1 دانست. بر خلاف ابرنواخترهای a1، دسته‌ای دیگر از انفجارها موسوم به «فورانگرهای پرتو گاما» یا GRB‌ها نیز وجود دارند که تا پیش از هابل، انگار هیچ از آنها نمی‌دانستیم. داستان GRB‌ها در دهه‌ی ۶۰ میلادی و در اوج جنگ سرد آغاز شد، زمانی‌که ایالات متحده با هدف جاسوسی از آزمایشات هسته‌ای مخفیانه‌ی اتحاد جماهیر شوروی سابق، ماهواره‌ای به نام «ولا» (Vela) را به فضا فرستاد.

این ماهواره با حسگرهای حساس به پرتو گامای خود می‌توانست مکان دقیق انفجارهای هسته‌ای را مشخص نموده و مختصات‌شان به ایستگاه‌های زمینی اطلاع دهد. اما آنچه را که ولا در نخستین تجربه‌اش ثبت کرد، انفجاری در پشت سرش بود، جایی در اعماق کیهان!

تصویری از یک GRB دوردست (نقطه‌ی درخشان) که توسط تلسکوپ فضایی هابل تصویربرداری شده است. لکه‌ی محو بالای نقطه‌ی درخشان، کهکشان میزبان انفجار است / ناسا / STScI

امروزه می‌دانیم این انفجارها بصورت روزانه و پراکنده از جای‌جای آسمان دریافت می‌شوند و در بسیاری موارد، رکورد قوی‌ترین انفجار کیهانی را جابه‌جا می‌کنند، اما تا پیش از رصدهای هابل، از منشأشان اطلاعی در دست نبود. هر چند نام این انفجارها فورانگرهای گاماست، اما دقایقی پس از وقوع انفجار، طی پدیده‌ای موسوم به «پس‌درخش»، می توان آثار انفجار را در دیگر نواحی طیف الکترومغناطیس از جمله نور مرئی نیز مشاهده کرد.

از این‌رو تلسکوپ‌های فضایی ویژه‌ی پرتو گاما همچون «سوییفت» (Swift)، بلافاصله پس از تشخیص یک GRB، مکان دقیق‌اش را به ایستگاه‌های زمینی اطلاع داده و کاروان تلسکوپ‌های فعال در دیگر نواحی طیف، با رها کردن رصدهای معمول‌شان، مختصات انفجار را نشانه می‌روند.

در این بین، دانشمندان در مواردی خاص از تلسکوپ هابل برای مشاهده‌ی پس‌درخش مرئی فوانگرهای گاما نیز استفاده کردند. نتایج به‌دست‌آمده حیرت‌انگیز بود: GRB‌ها در حقیقت انفجار سهمگین نخستین ستارگان عالم بودند¹. هابل موفق شده بود مکان این انفجارها را در کهکشان‌های فوق‌ستاره‌سازِ شدیداً دوردست تشخیص داده، و با بررسی توزیع درخشندگی‌شان در پهنه‌ی طیف، از منشأ ستاره‌ای آنها پرده بردارد.

از جمله دیگر کشفیات برجسته‌ی هابل، درک منشأ درخشان‌ترین منابع نوری عالم است: کوازارها (Quasar). کوازارها از زمین همچون یک ستاره‌ دیده می‌شوند، با این تفاوت که گروهی از آنها تابش‌های رادیویی فوق‌العاده شدیدی را از خود گسیل می‌کنند.

در واقع نشر رادیویی غیرعادی یکی از آنها بود که در سال ۱۹۶۳، توجه دانشمندان را به خود معطوف ساخته و پس از انجام تحقیقات پیگیر، منشأ غیرستاره‌ای‌اش مشخص شد. دانشمندان با بررسی طیف نوری به‌دست‌آمده از کوازارها و با استفاده از فرمول فاصله‌سنجی هابل که پیش‌تر نیز بدان اشاره شد، دریافتند این اجرام پرانرژی کیهان، میلیاردها سال نوری آنطرفتر واقع شده‌اند! چه منبعی از انرژی می توانست آنها را تغذیه کند تا از فواصلی اینچنین دوردست، بتوانید حتی با یک تلسکوپ کوچک آماتوری نیز از پشت حیات منزلتان آنها را تماشا کنید؟! هابل، پاسخ این پرسش را داد.

دو تصویر هابل از کوازار ۳C۲۷۳. در تصویر سمت راست، درخشندگی شدید کوازار، مانع از مشاهده‌ی کهکشان میزبان‌اش شده است، اما تصویر سمت چپ که با استفاده از تاج‌نگار دوربین NICMOS تهیه شده، به‌روشنی شبح محو کهکشان مادر را در اطراف کوازار نشان می‌دهد / ناسا / STScI

به دلیل آشفتگی جوی زمین و نیز درخشش بسیار شدید این اجرام، دانشمندان نمی‌توانستند با به‌کارگیری تلسکوپ‌های زمینی از محیط پیرامون‌ این اجرام عکسبرداری کنند، چراکه نور کوازار، تمام عکس را سفید می‌کرد و به‌علاوه اگر هم نشانه‌هایی ثبت می‌شد، نمی‌شد با فرض عدم وجود خطای اپتیکی، دست به استنتاجات قطعی زد. اما دوربین NICMOS تلسکوپ فضایی هابل، به ابزاری ویژه به نام تاج‌نگار مجهز بود، به این‌صورت که با قرار دادن مانعی در برابر نور شدید کوازار، موفق ‌می‌شد از نواحی پیرامون آن تصویربرداری کند.

شاید این روش اندکی عجیب به نظر رسد چراکه در روی زمین، صرفاً نمی توانیم با قرار دادن انگشتمان در مقابل خورشید، ستارگان را ببینیم! اما اگر در فضا بودیم، این کار هم عملی بود – هرچند در فضا به‌دلیل نبود جو، در حضور خورشید نیز ستارگان به‌چشم می‌آیند.

این جو زمین است که نور شدید آفتاب را پیش از رسیدن به چشمان ما، در سرتاسر آسمان پخش می کند، پس تلسکوپ فضایی هابل، در فضا به آسانی می‌تواند از تاج‌نگار استفاده کند. به‌علاوه، کیفیت و دقت تصاویر هابل آنچنان بالاست که در بسیاری موارد اصلاً نیازی به تاج‌نگار هم نبود و به‌راحتی‌ می‌شد دریافت که یک کوازار، در مرکز کهکشانی دوردست واقع شده است.

هابل دریافت که فوران مواد از قرص چرخان پیرامون سیاهچاله‌ی مرکزی کهکشان‌های دوردست، اگر چنانچه با زاویه‌ی اندکی در خط دید ما قرار گیرد، آنگاه یک کوازار را خواهیم دید. این نتیجه‌گیری، خود وابسته به یکی دیگر از کشفیات هابل بود: سیاهچاله‌های ابرپرجرم.

تا پیش از هابل، راه شیری به‌عنوان کهکشانی استثنایی شناخته می‌شد که در مرکزش سیاهچاله‌ای ابرپرجرم واقع است. در واقع راهی برای برای تعمیم این فرض به دیگر کهکشان‌های هستی نبود، چراکه تلسکوپ‌های زمینی، به‌دلیل آشفتگی ناشی از جو زمین حتی توان نفوذ در قلب کهکشان‌های همسایه را هم نداشتند تا از حضور سیاهچاله‌های غول‌آسا در آنجا مطلع شوند. طیف‌سنج تصویری تلسکوپ فضایی هابل (STIS) اما موفق شد سیاهچاله‌هایی بسیار پرجرم‌تر را در مرکز بسیاری از کهکشان‌ها بیابد.

نتایج طیف‌سنجی ابزار STIS هابل از نوار باریکی در ناحیه‌ی مرکزی کهکشان غول‌پیکر M۸۴ (پایین)، به همراه خود کهکشان (بالا). تلاطم ناگهانی و شدید ناحیه مرکزی طیف، نشان از حرکت فوق‌العاده سریع گازها به سمت جلو و عقب خط دید ما می‌دهد. محاسبات این سرعت را ۴۰۰ کیلومتر بر ثانیه به دست آورده‌اند که با جایگذاری‌اش در یک معادله‌ی ساده فیزیکی، جرم جسم ایجاد‌کننده‌ی چنین کشش مرگباری اینچنین به‌دست آمد : حداقل ۳۰۰ میلیون برابر جرم خورشید! هیولایی اینچنین، چیزی جز یک ابرسیاهچاله نمی‌تواند باشد. این در حالیست که جرم سیاهچاله‌ی مرکزی کهکشان ما، تنها ۳.۶ میلیون برابر جرم خورشید است / ناسا / STScI

نمونه‌ی بارز آن، کهکشان غول‌پیکر M۸۴ بود. مشاهدات طیفی هابل از مناطق مرکزی این کهکشان نشان داد سیاهچاله‌ای با جرم میلیون‌ها تا میلیاردها برابر خورشیدِ ما در آنجا خفته است. هابل، نگاه‌مان را تا حد زیادی نسبت به سیاهچاله‌های ابرپرجرم، این هیولاهای ناپیدای کیهانی، دگرگون ساخت. اما سیاهچاله‌ها هم تنها عضو ناپیدای جهان پیرامون‌مان نیستند.

ماده‌ی تاریک را بی‌گمان می‌توان یکی از بزرگترین معماهای دانش بشری قلمداد کرد، ماده‌ای که تنها با بررسی آثار گرانشی‌‌اش بر ماده‌‌ی مرئی، می‌توان به وجود آن پی برد². وجود این ماده‌ی شگفت‌انگیز، نخستین بار در دهه‌ی ۳۰ میلادی توسط دانشمند سوییسی‌تباری به نام دکتر «فریتز زوییکی» پیش‌بینی شده بود.

بعدها آزمایشات زیادی با هدف درک ساختار آن صورت پذیرفت و نتیجه آن بود که ماده‌ی تاریک یا از همان ذرات بنیادین متعارف، یعنی پروتون‌ها و نوترون‌ها ساخته شده اما هیچ نوری از آن تابش نمی‌شود (همانند سیاهچاله‌ها) و اگر هم تابش می‌شود در حدی نیست که بتوان از زمین دریافت‌اش کرد (همانند دنباله‌دارها، ستارگان نارس، سیارات و ...)، یا اینکه ساختار ماده‌ی تاریک از موادی کاملاً نامتعارف تشکیل شده است (همانند WIMP‌ها، آکسیون‌ها، نوترالینوها و ...). تلسکوپ‌های فضایی هابل و چاندرا (پرتو X)، با یک رصد ساده به این پرسش پاسخ گفتند.

دانشمندان با استفاده از این دو تلسکوپ، خوشه‌ای از کهکشان‌ها موسوم به «بولت» (Bullet) را مورد بررسی قرار دادند. این خوشه‌ی کهکشانی، حاصل ادغام دو خوشه‌ی کهکشانی کوچکتر در گذشته‌های دور بوده است. تلسکوپ فضایی هابل با بررسی نور کهکشان‌های زمینه و محاسبه‌ی تغییر شکل ظاهری‌شان توانست توزیع ماده‌ی تاریک را در این خوشه نقشه‌برداری کند. تلسکوپ فضایی چاندرا نیز از طرفی به بررسی محل تجمع گازهای داغ پراکنده در محیط بین‌ کهکشان‌ها پرداخت. نتیجه‌ی این دو رصد موازی، تصویر زیر شد.

تصویری از خوشه‌ی کهکشانی بولت. توضیحات، در متن آمده است / ناسا / STScI

مناطق آبی‌رنگ، توزیع ماده‌ی تاریک را بر اساس محاسبات هابل، و نواحی قرمزرنگ محل تجمع گازهای داغ میان‌کهکشانی را نشان می‌دهد. دانشمندان دریافتند میلیاردها سال پیش که دو خوشه‌ی کوچکتر در حال برخورد به همدیگر بودند، گازهای داغ موجود در فضای بین کهکشان‌هایشان به هم برخورد کرده و متوقف شده‌اند، اما هاله‌های ماده‌ی تاریک دو خوشه همچون دو روح، بدون کوچکترین واکنشی از درون هم رد شده و همدیگر را پشت سر گذاشته‌اند! این، محکمترین دلیل برای پذیرش ساختار نامتعارف ماده تاریک بود، ماده‌ای که اصطکاک نمی‌شناسد!

اما موفقیت هابل را تنها نمی‌توان به مشاهدات بزرگ‌مقیاس کیهانی محدود ساخت. این تلسکوپ منحصربفرد، نقش بسزایی را در علوم سیاره‌ای نیز ایفا نموده است. نمونه‌ی بارز آن، تعیین ترکیبات شیمیایی موجود در اتمسفر چندین سیاره‌ی فراخورشیدی است. او همچنین برای نخستین بار مستقیماً از دیسک‌های سیاره‌ساز پیرامون ستارگان نوباوه در سحابی «جبار» (Orion) پرده برداشت و چندین دیسک پیش‌سیاره‌ای را با زاویه‌های مختلف در این نقطه شناسایی کرد. هابل، کشف تعدادی از اقمار و حلقه های سیارات زحل و اورانوس، و نیز دو قمر «نیکس» و «هیدرا» متعلق به پلوتو را نیز در کارنامه‌ی خود دارد.

جانشینان هابل

هابل را بدون شک نمی‌توان صرفاً تلسکوپی یگانه و استثنایی خواند و تنها به تحسین کشفیات خیره‌کننده‌اش نشست. آنچه هابل به ما آموخت، گذشته از درک دگرگونه‌ای که از جهان پیرامونمان به ما هدیه کرد، باور و اعتقاد به توانایی ما انسان‌ها در پرده‌برداری از رازهای سر‌به‌مهر کیهانی است، پاسخ به سؤالات بی‌شماری که از سپیده‌دم اخترشناسی نوین، نه‌تنها کمتر نشده‌اند، که بر ژرفایشان افزوده شده است.

هابل، در مقایسه با تلسکوپ‌های غول‌پیکر زمینی حتی به چشم هم نمی‌آید، اما به‌تنهایی انقلابی را در علم اخترشناسی برپا ساخت. حال اگر روزنه‌ی چشمان تیزبین هابل نیز همانند یکی از رصدخانه‌های برتر زمینی می‌بود، جهشی تا چه اندازه در درک بشر از هستی رخ می داد؟

تصویری استثنایی از سه ستاره‌ی نوزاد، شناور در میان گازهای سحابی بزرگ جبار. خط سیاه‌رنگی که در میان ستاره‌ی مرکزی دیده می‌شود، قرصی از گاز و غبار است که در راستای دیدمان قرار گرفته و قرار است در آینده به سیارات متعددی بدل شود. اگر ۴.۵ میلیارد سال پیش کسی منظومه‌ی شمسی ما را می‌دید، هیچ تفاوتی در آن با این تصویر نمی‌دید. شاید از همین قرص محو و غبارآلود هم در آینده کسانی سربرآورند که اینبار به لاشه‌ی خورشید و زمینی که تا آنزمان به قهقرای نابودی رفته بنگرند / ناسا / STScI

وقوع چنین جهشی را همگان به یقین باور دارند، اما اینکه تلسکوپ‌های فضایی نسل آینده تا کدامین مرز از توان فهم ما از کیهان را فتح خواهند نمود را هیچکس نمی‌داند. آنچه هابل به ما آموخت، ضرورت ادامه‌ی چنین مسیری بود. حال، میراث‌دار هابل چگونه ابزاری است؟

چنین پرسشی برای نخستین بار، شش سال پس از پرتاب هابل به فضا مطرح شد. در سال ۱۹۹۶، کمیته‌ای ۱۸‌نفره به سرپرستی دکتر «آلن درسلر» برای بررسی طرح رصدخانه‌ی مداری آینده تشکیل شد. نتیجه آن بود که در آینده تلسکوپی مادون قرمز با آینه‌‌ی بزرگتر از ۴ متر در فراتر از مدار ماه مستقر خواهد شد. چندی بعد، این تلسکوپ به پاس خدمات ارزند‌ه‌ی ‌دومین مدیر ناسا، تلسکوپ فضایی «جیمز وب» نامیده شد. تلسکوپی با آینه‌ی ۶.۵ متری که پروسه‌ی ساخت آن هم‌اکنون آغاز شده است³.

در این پروژه‌ی انقلابی، ناسا، اِسا و سازمان فضایی کانادا هم‌پیمانند. جیمز وب بک تلسکوپ مرئی-مادون قرمز خواهد بود، چراکه هدف آن نفوذ به دورترین فواصل ممکن برای پرده‌برداری از نخستین نمایش‌های باشکوه کیهانی است، یعنی خلقت نخستین کهکشانها و ستارگان گیتی. جیمز وب فاقد لوله محافظ بوده و تنها چندین لایه‌ی عایق همچون سینی در ناحیه‌ی تحتانی آینه اصلی‌اش قرار خواهند گرفت. این تلسکوپ را همچنین نمی‌توان همچون هابل در آینده تعمیر کرد، چراکه مقصد آن، نه در فاصله‌ی چند‌صد‌کیلومتری، که ۱.۵ میلیون کیلومتر آن‌سوتر از زمین خواهد بود. زمان پرتاب جیمز وب به فضا نیز سال ۲۰۱۴ اعلام شده است.

تلسکوپ فضایی هرشل سازمان فضایی اروپا که در اوایل سال ۲۰۰۹ به فضا پرتاب شد را همچنین می‌توان به نوعی میراث‌دار هابل دانست⁴، با این تفاوت که حوزه‌ی فعالیت‌های هرشل در محدوده‌ی مادون قرمز طیف الکترومغناطیس است و تا حدی می‌توان آن را نمونه‌ی ‌کوچکتر جیمز وب به حساب آورد.

دانشمندان اما طرح بلند‌پروازانه‌ی دیگری را نیز برای دهه‌ی ۲۰۲۵ تا ۲۰۳۵ میلادی در ذهن می‌پرورانند: تلسکوپ فضایی اتلست (ATLAST). تلسکوپی غول پیکر با آینه‌ای مابین ۸ تا ۱۶.۸ متر که حوزه‌ی طیفی مادون قرمز–مرئی–فرابنفش را تحت پوشش چشمان تیزبین خود قرار خواهد داد. در صورت تصویب، اتلست قرار است به یکی از چالش‌برانگیزترین سؤالات تاریخ علم پاسخ گوید: آیا امکان تشکیل حیات در جایی از کهکشان ما وجود دارد؟
دانشمندان انتظار دارند تلسکوپ هابل پس از پشت سر نهادن آخرین مأموریت تعمیرش در بهار ۲۰۰۹، نگرشی بس شگرف‌تر از جهان پیرامونمان را به ما هدیه دهد.

مقایسه‌ی آینه‌ی ۶.۵ متری با آرایش لانه‌زنبوری جیمز وب (راست)، و هابل، با ابعاد یک انسان معمولی. دلیل رنگ زرد آینه‌ی جیمز وب، پوشش نازک طلایی آن است / ناسا

دوربین فوق‌پیشرفته‌ی WFC۳، با توانایی رصد آسمان در طول‌موج‌های مادون قرمز–مرئی–فرابنفش، آلبومی از زندگی ستارگان را ایجاد کرده، و با توانایی مادون قرمز خود نگاه ما را نسبت به آینده‌ی گیتی متحول خواهد ساخت. طیف‌سنج پیشرفته‌ی «خاستگاه‌های کیهانی» نیز همانگونه که از نامش مشخص است، به سراغ خاستگاه جهان ما در بزرگترین مقیاس ممکن خواهد رفت.

توانایی طیف‌سنجی فرابنفش این ابزار منحصر بفرد، به او این امکان را می دهد تا با آنالیز طیف دسته‌ای از دورترین اجرام آسمانی یعنی کوازارها، به دنبال رد پای خطوط طیفی خاصی از هیدروژن بگردد، خطوطی که اثرانگشت توده‌های غول پیکر گازی پراکنده در فضای مابین خوشه‌های کهکشانی است. نتیجه‌ی این کار، تهیه‌ی نقشه‌ی دقیقی از ساختار بزرگ‌مقیاس کیهان، به‌ویژه رشته‌های کیهانی است.

۱۳.۷ میلیارد سال پیش، جهان ما از انفجاری مهیب آغازیدن گرفت، ۱۵۰ میلیون سال گذشت تا نخستین ستارگان پا به عرصه‌ی وجود بگذارند. جهان، توده‌توده انباشته از ستارگان نوپا بود. کهکشان‌ها در رقص مرگی باشکوه، به‌هم آمیخته و بر وسعت‌شان افزوده می‌شد.

دوران، دوران عرض اندام ابرسیاهچاله‌های کهکشانی بود، می‌خوردند و پس می‌زدند. زمان گذشت، به تدریج آرامشی ژرف بر جهان‌مان مسلط شد. جایی در کهکشان ما، چند قطره از معجونی که به تازگی خورشید از آن شکل یافته بود، هنوز برجامانده بود ... زمین که تشکیل شد، جهان ۹ میلیارد سال داشت. انسانها آمدند، حیران به آسمانی چشم دوختند که دوران آتش بازی‌‌ها و هیجاناتش دیگر تمام شده بود. پرده‌ی آسمان، میزبان نمایش جذاب و مرگبار دیگری نبود. سالها گذشت، انسانها چشمی برای خود ساختند. آن چشم به دورها نگریست و داستان جذاب آفرینش را برایمان تعریف کرد، داستان از این قرار بود:

۱۳.۷ میلیارد سال پیش، جهان ما از ...

پانوشت:

۱- ر.ک: «و ناگهان سکوت کیهان شکست» و «نوری در بیکران دوردست»

۴- ر.ک: «نگاهی به شیرخوارگاه آشوبناک ستارگان»