تلسکوپ هابل چطور دانش اخترشناسی را دگرگون کرد؟ (بخش دوم و پایانی)

این عکس پانوراما تقریباً مساحتی به‌اندازه‌ی پنجاه سال نوری از مرکز سحابی شاه‌تخته را نشان می‌دهد. نخستین نسل ستاره‌های این سحابی حدود سه میلیون سال پیش متولد شده‌اند و این سحابی دست‌کم ده‌ها ستاره دارد که جرم‌شان پنجاه برابر خورشید یا بیشتر است. تابش فرابنفش ستاره‌های جوان و پُرجرم به‌مرور سحابی را دچار فرسایش می‌کند.

هُوِرت شیلینگ

ترجمه: شادی حامدی

۴- رازهای کهکشانی

به کتابی عمومی درباره‌ی نجوم مربوط به دوران پیش از هابل نگاهی بیندازید؛ احتمالاً فصل کهکشان‌ها در این کتاب پُر از حدس و گمان است. بله، تعداد کهکشان‌ها در عالم فراوان است، در خوشه‌ها و ابرخوشه‌ها در کنار یکدیگر جمع شده‌اند، و انواع و شکل‌های متنوع و بسیاری دارند: از مارپیچی‌های باشکوه و مارپیچی‌های میله‌دار، تا کوتوله‌های نامنظم ریزاندام، و بیضوی‌های غول‌پیکر. اما در آن زمان، از تحول کهکشان‌ها خیلی کم می‌دانستیم، اختروش‌ها هنوز نسبتاً رازآلود بودند، و اخترشناسان هنوز چندان مطمئن نبودند که در هسته‌ی اغلب کهکشان‌ها سیاهچاله‌ای اَبَرپُرجرم جا خوش کرده است.

تصویر معروف ستون‌های آفرینش در طول‌موج مرئی. نور فروسرخ از میان همه‌چیز نفوذ می‌کند به‌جز چگال‌ترین گازهای غبارآلود، و نشان می‌دهد که این ستون‌ها تشکیل‌شده از گازی هستند که در «سایه‌ی» ابرهای چگال بالای ستون‌ها مخفی شده‌اند. آن ابرها گازهای زیرین را در برابر تابش نابودکننده‌ی فرابنفش و بادهای ستاره‌ای، که از سوی ستاره‌های بالایی بر سرشان می‌بارند، حفاظت می‌کنند.

هابل، از زمان قرارگیری در فضا، هزاران کهکشان – ازجمله بسیاری از همسایگان راه‌شیری خودمان – را تا چند ده میلیون سال نوری دورتر رصد کرده است. اخترشناسان نه‌تنها سحابی‌ها، خوشه‌ها، و ستاره‌های غول را در دیگر کهکشان‌ها بررسی کرده‌اند بلکه چرخش هسته‌ی آن‌ها را هم سنجیده‌اند. طی سال‌ها، روشن شده که تقریباً همه‌ی کهکشان‌ها در مرکزشان میزبان سیاه‌چاله‌ای ابرپُرجرم‌اند. این تلسکوپ فضایی همچنین به آشکارشدن ارتباطی تنگاتنگ بین سرعت حرکت ستاره‌ها در برآمدگی مرکزی هر کهکشان با جرم سیاه‌چاله‌ی مرکزی در اعماق همان برآمدگی کمک کرد؛ شواهدی از تحول «پابه‌پای‌همِ» سیاه‌چاله‌ها و جرم ستاره‌ایِ کهکشان‌ها.

همچنین تصاویر تفکیک‌بالای هابل از کهکشان‌های دورتر، که نورشان میلیاردها سال در راه است تا به زمین برسد، برهم‌کنش‌ها، تصادم‌ها، و ادغام‌های کهکشانی را در ابتدای عالم آشکار کرد. بازوهای مارپیچیِ مچاله‌شده، قرص‌های درهم‌پیچیده‌شده، دُم‌های کِشَندی؛ این تصادف‌های کیهانیْ این عقیده‌ی محکمِ درحال رشد را تأیید می‌کنند که برخوردهای گرانشی عامل شکل نامعمول برخی از کهکشان‌ها هستند. اخترشناسان همچنین رصدهای هابل را با رصدهای دیگر ابزارها ترکیب کردند تا هسته‌های نوزاد کهکشان‌های بیضویِ غول‌پیکر امروزی را، که از طریق ادغام با هم بسیار رشد می‌کنند، بیابند.

هابل در نخستین سال‌های کارش تأیید کرد که اَختروَش‌ها هسته‌های فعال و ستاره‌مانند کهکشان‌های بی‌نهایت دوردست‌‌اند و از سیاه‌چاله‌ای ابرپُرجرم نیرو می‌گیرند. اخترشناسان کشف کردند که بادها و فوران‌های قدرتمند اختروشی ممکن است حتی مانع جریان ورودی گازها به کهکشان‌ها بشوند و بنابراین فرایندهای ستاره‌سازی را در مقیاس‌های بزرگ از فعالیت بازدارند. امروز، طیف‌نگارهای حساس این تلسکوپ فضایی به‌طور منظم از نور اختروش‌ها برای بررسی ماده‌ی میان‌کهکشانی – یکی از سه پروژه‌ی کلیدی هابل – بهره می‌برند.

۵- تصاویر ژرف

به‌احتمال قوی، یکی از هیجان‌انگیزترین نتایج هابل در پاییز سال ۱۳۷۴/۱۹۹۵ به‌دست آمد که این تلسکوپ فضایی به‌سوی تکه‌ای «خالی» در صورت‌فلکی دب‌اکبر نشانه رفت. تعدادی از اخترشناسان پُرنفوذ مخالف این فکر بودند (چراکه زمان مفید رصدی بسیاری صرفش می‌شد)، اما چندهزار کهکشان کم‌فروغ پدیدار شدند؛ برخی‌شان آن‌قدر دور بودند که نورشان بیش از ۱۰ میلیارد سال تا رسیدن به ما در راه بوده است. به‌نوعی، این تلسکوپ فضایی به ماشین زمانی تبدیل شد که به کیهان‌شناسان نشان داد عالم در نوزادی‌اش چه‌شکلی بوده است.

هابل پنج تصویر ژرف گرفته است: تصویر ژرف هابل (۱۹۹۵)، تصویر ژرف جنوبی هابل (۱۹۹۸)، تصویر فراژرف هابل (۲۰۰۴ و ۲۰۰۹)، و تصویر بی‌اندازه ژرف هابل (۲۰۱۲).

در بیست سال گذشته، هابل «تصاویر ژرف» دیگری هم از دیگر مناطق آسمان، با دوربین‌های حساس‌تر و در بازه‌های گسترده‌تری از طول‌موج‌ها، گرفته که اوج آن‌ها پروژه‌های تصویر بی‌اندازه ژرف (Extreme Deep Field) و تصاویر سرحدّی (Frontier Fields) بوده است. نگاهی به گذشته، تا چند میلیارد سال پس از مهبانگ، کهکشان‌های توده‌وار نامنظمی را آشکار می‌کند که کوچک‌تر از کهکشان‌های امروزی بوده‌اند و درواقع سنگ‌بناهای ابتدایی کهکشان‌های بالغی محسوب می‌شوند که امروز کیهان را اشغال کرده‌اند.

دوربین‌های فروسرخ هابل نقش مهمی در این حوزه‌ی باستان‌شناسی کیهانی دارند: نور فرابنفش پُرانرژیِ گسیل‌شده از ستاره‌های نوزاد در کهکشان‌های ابتدایی، در مسیر سفر چندمیلیاردساله‌اش به‌سوی زمین، به‌سبب انبساط عالم به‌سوی فروسرخ طیف منتقل شده است. درنتیجه، برخی از سنگ‌بناها حتی در طول‌موج‌های مرئی دیده نمی‌شوند.

چپ دور: ستاره‌ی قیفاووسی RS-کشتیدُم سحابی دربرگیرنده‌ی خود را نورانی کرده است. مرکز: هابلْ امواج‌ضربه‌ی حاصل از برخورد ابرنواختر ۱۹۸۷A به پوسته‌ای ازقبل-‌پرتاب‌شده از ماده را ثبت کرده است. راست: این عکس‌ها از سال ۱۹۹۶ کهکشان‌های میزبان اختروش‌ها را نشان می‌دهند، که برخی‌شان (ولی نه همه‌شان) درحال برخورد به دیگر کهکشان‌ها هستند. چنین تصاویری توضیح می‌دهند که چه‌چیز موجب پیچیده‌ترشدن اختروش‌ها می‌شود.

بررسی تصاویر یا میدان‌دیدهای ژرفْ تاریخچه‌ی شکل‌گیری ستاره‌ها در عالم را آشکار می‌کند؛ فرایندی که حدود یازده میلیارد سال پیش به اوج خود رسیده و از آن زمان به بعد، با ضریب سی کاهش یافته است. ولی دریچه‌های یگانه‌ی هابل روبه گذشته پرسش‌های معماواری را هم، درباره‌ی سرعت غیرمنتظره‌بالای رشد کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های مرکزی‌شان در دو میلیارد سال نخست عمر عالم، مطرح کرده است.

۶- سوی تاریک

تلسکوپ فضایی هابل به‌یاد کیهان‌شناس پیشرو، ادوین هابل (۱۸۸۹ – ۱۹۵۳، Edwin Hubble)، یکی از کاشفان انبساط عالم، نام‌گذاری شده است. درواقع، مهم‌ترین پروژه‌ی کلیدی این تلسکوپ فضایی این بود که، با به‌دقت سنجیدن مقیاس فاصله‌های نجومی، قدمت و تاریخچه‌ی انبساط کیهان را مشخص کند. پیش از این تلسکوپ، اخترشناسان فقط می‌دانستند که ثابت هابل – سرعت انبساط فعلی – چیزی بین ۵۰ و ۱۰۰ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک (هر پارسک حدود ۳/۲۶ سال نوری) است. تلسکوپ هابل این بازه را به مقداری کمی بیشتر از ۷۰ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک (Km/s/Mpc) محدود کرد، هرچند این نتایج کاملاً با سرعت محاسبه‌شده براساس رصد تابش ریزموج زمینه‌ی کیهان – که سن عالم را ۱۳/۸ میلیارد سال و سرعت فعلی انبساط عالم را ۶۸ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک تعیین می‌کند – همخوانی ندارد.

اخترشناسان از ابرنواخترها و ستاره‌های قیفاووسی در کهکشان‌های دوردست – ازجمله چندین ستاره‌ی قیفاووسی در کهکشان مارپیچی NGC 4258 (که در کادر دورش دایره کشیده‌ایم) – استفاده کردند تا سرعت انبساط عالم را محاسبه کنند. این سرعت، که آن را ثابت هابل می‌نامیم، ماهیت انرژی تاریک را محدود می‌کند.

ولی معلوم شد تأثیر هابل بر کیهان‌شناسی خیلی بزرگ‌تر از چیزی بوده که کسی پیش‌بینی می‌کرد. رصد خوشه‌های برخوردکننده، مانند خوشه‌ی معروف گلوله (Bullet Cluster)، شواهد بیشتری از وجود «ماده‌ی تاریک» مرموز در عالم فراهم کرد؛ داده‌های دینامیک کهکشان‌ها و پراکندگی جرم درون خوشه‌ها را نمی‌شود فقط با اتکا به نظریه‌ی گرانشیِ دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده (MOND) – که سعی می‌کند رصدها را بدون ماده‌ی نادیدنی توضیح بدهد – شرح داد. افزون بر این، با روش عدسی گرانشی ضعیف، که گرانش ماده‌ی سرِ راهْ شکل هزاران کهکشان زمینه را کمی تغییر می‌دهد، اخترشناسان می‌توانند پراکندگی ماده‌ی تاریک را به نقشه درآوردند؛ شاید حتی زمانی بتوانند در حالت سه‌بعدی چنین کنند.

سرانجام این‌که هابل نقش مهمی در بررسی ابرنواخترهای دوردست نوع Ia داشت که منجر به کشف انبساط شتاب‌دار عالم در سال ۱۳۷۷/۱۹۹۸ شد که یکی از جذاب‌ترین یافته‌های نجومی قرن گذشته بود. ظاهراً یکی دیگر از اجزای رازآلود کیهان، که انرژی تاریک نام دارد، فضای خالی را سریع‌تر و سریع‌تر از خودش می‌راند.

۷- تلسکوپ مردم

یک جنبه‌ی دیگر وجود دارد که هابل در آن علم نجوم را برای همیشه تغییر داده است. به بیان خیلی سرراست، این تلسکوپْ عالم را به خانه‌های ما – و البته کلاس‌های درس ما – آورد. کشف‌های هابل، به‌لطف تصاویر خیره‌کننده‌اش، راه خود را به روزنامه‌ها و مجله‌ها و برنامه‌های تلویزیونی – بسیار فراتر از برنامه‌ها و نشریات علمی سنتی – باز کردند. درنتیجه، همه هابل را می‌شناسند. همه عاشق هابل‌اند. و همه از نماهای تازه و خوش‌رنگ و پُرابهتی که این تلسکوپ از کیهان برای‌مان فراهم می‌کند شگفت‌زده می‌شوند. هابل واقعاً به «تلسکوپ مردم» تبدیل شده است.

چپ: این دو پیله در سحابی جبار قرص‌های پیش‌سیاره‌ای از گاز و غبارِ دور ستاره‌های نوزاد را در خود پوشانده‌اند. قرص در عکس پایینی به‌وضوح شبیه بیضی‌ای سبزرنگ دیده می‌شود. راست: پیش‌سیاره‌ها وقتی شکل می‌گیرند، فوران‌هایی در امتداد قطب‌های خود گسیل می‌کنند و لکه‌های تابانی به نام اجسام هربیگ-هیرو (HERBIG-HARO OBJECTS) می‌سازند. در این عکس از سحابی شاه‌تخته دو جفت فوران دیده می‌شود: یکی بالای بالا و دیگری بالای «قله‌ی» دوم از نظر بلندی.

برای اخترشناسان آماتور، برتری‌های هابل شاید در نگاه اول آشکار نباشد. تازه‌واردانی که فریفته‌ی عکس‌های خیره‌کننده‌ی هابل از سیاره‌ها، سحابی‌ها، خوشه‌ها و کهکشان‌ها شده و وارد دنیای نجوم شده‌اند احتمالاً از دیدن نمایی معمولی از درون هر تلسکوپ متوسط آماتوری یکّه می‌خورند و ترجیح خواهند داد درعوض آسمان را با چشم غیرمسلح رصد کنند. همچنین، فناوری عکاسی نجومی تا سطوح بی‌نظیری پیشرفت کرده و شاید آماتورها از عکس‌های هابل الهام بگیرند تا مهارت‌های خودشان را بهبود ببخشند.

سرانجام، تلسکوپ فضایی هابل علم نجوم را به دانشی بصری بازگرداند. اخترشناسان حرفه‌ای عادت کرده بودند که بیشتر به طیف‌ها و گردآوری داده‌ها علاقه‌مند باشند تا تصاویر زیبا، ولی نسل جدید دانشمندان شرمسار نیستند که تصدیق کنند عکس‌های زیبا از عالم چه‌بسا هم جذاب و هم از نظر علمی باارزش باشند. آیا علتش این است که این اخترشناسان جوان‌تر تلسکوپ فضایی هابل را از روزهای مدرسه‌ی ابتدایی می‌شناخته و دوست داشته‌اند؟

* گروهی از ۵۴ کهکشان که راه‌شیری ما و کهکشان‌های آندرومدا و مثلث از اعضای اصلی آن‌اند.

بعد چه می‌شود؟

هابل مثل همیشه قدرتمند است؛ به‌ویژه بعد از آخرین مأموریت تعمیر شاتل فضایی در بهار سال ۱۳۸۸/۲۰۰۹٫ به‌گفته‌ی کنت سمبَک (Kenneth Sembach)، مدیر مأموریت هابل در مؤسسه‌ی علوم تلسکوپ فضایی (STScI)، «انتظار داریم هابل تا بعد از سال ۲۰۲۰ همچنان به کارش ادامه بدهد، مگر این‌که قطعه‌ای در آن خراب شود یا شهاب‌واره‌ای با آن برخورد کند.» وقتی این تلسکوپ فضایی سرانجام بمیرد، برنامه این است که به پشتش ماژول پیشرانی نصب شود تا به‌صورت هدایت‌شده بر فراز اقیانوس آرام وارد جو شود (به‌جای این‌که به حال خودش رها شود تا مسیری کمتر-قابل‌پیش‌بینی به‌سوی پایین انتخاب کند).

امیدواریم تا آن‌موقع هابل چندسالی هم با جانشین فروسرخش، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، که قرار است در اواخر سال ۱۳۹۷/۲۰۱۸ پرتاب شود، کار کرده باشد. اما به‌گفته‌ی ایوُو لُوبِی (Ivo Labbé)، کیهان‌شناس دانشگاه لِیدِن هلند، «باوجودی‌که تلسکوپ JWST دستگاهی خارق‌العاده است، قابلیتی در طول‌موج‌های مرئی یا فرابنفش ندارد. این برای تعدادی از رشته‌های نجومی مشکل‌ساز خواهد شد».

برخی از دانشمندان این فکر را در ذهن می‌پرورانند که هابل را با دوربینی بزرگ‌تر و جدیدتر و – اگر لازم بود – ژیروسکوپ و تجهیزات الکترونیکی جدید تجهیز و دوباره راه‌اندازی کنند تا عمرش باز هم افزایش بیابد. چنین کاری را باید با مأموریتی کاملاً ربوتیک انجام داد: از زمان بازنشسته‌شدن شاتل‌های فضایی، فضانوردان دیگر به هابل دسترسی ندارند. فرنک کپولینا (Frank Ceppolina)، کارشناس مأموریت‌های ربوتیک در مرکز گادرد ناسا، می‌گوید: «این کار آسان نیست، ولی شدنی است.» مسلماً بزرگ‌ترین مانع پول خواهد بود.

در همین حین، اخترشناسان مؤسسه‌ی علوم تلسکوپ فضایی درحال بررسی راه‌کارهای چیزی‌اند که اسمش را تلسکوپ فضایی وضوح‌بالا (HDST؛ High Definition Space Telescope) یا «هابل ۲/۰» گذاشته‌اند. تلسکوپ HDST می‌تواند آینه‌ای چندتکه و گسترش‌یابنده به‌قطر ۱۲ متر داشته، و به دوربین‌ها و تجهیزاتی مجهز باشد که بازه‌ی طول‌موجی از فروسرخ نزدیک تا فرابنفش را دربربگیرد و اواسط دهه‌ی ۱۴۱۰/۲۰۳۰ زمین را به مقصد فضا ترک کند.

مارک پُستمن (Marc Postman)، از مؤسسه‌ی STScI، می‌گوید: «این تلسکوپی واقعاً انقلابی خواهد بود.» این تجهیزات چندمیلیارد-دلاری نیازهای اخترفیزیک‌دان‌ها و دانشمندان حوزه‌ی سیارات فراخورشیدی را برطرف خواهد کرد. پستمن می‌گوید، «تلسکوپ HDST، با بررسی طیف‌نگارانه‌ی سیاره‌های زمین‌مانند در مناطق سکونت‌پذیر اطراف ستاره‌های خورشیدمانند، کمک‌مان خواهد کرد که به یکی از بنیادی‌ترین پرسش‌هایی که تابه‌حال از خودمان پرسیده‌ایم، جواب بدهیم: آیا ما تنهاییم؟»

برگرفته از مجله‌ی Sky&Telescope ماه ژوئن سال ۲۰۱۵