کهکشانی تقریباً بی‌کربن، 1 میلیارد سال پس از مه‌بانگ
درست پس از مه‌بانگ، مادهٔ معمولی تقریباً فقط هیدروژن و هلیم بود. هر عنصر سنگین‌تر — کربن، اکسیژن، آهن — بعدها، درون ستارگان ساخته شد و با انفجارهای آن‌ها پراکنده شد.
این برای چگونگی زاده شدن ستارگان اهمیت دارد. ابر گازیِ در حال رُمبش هنگام کوچک شدن گرم می‌شود و برای آن‌که به ستاره‌ها تکه‌تکه شود باید این گرما را از دست بدهد. در کیهان امروز، یون‌های کربن و اکسیژن بیشتر کار سرمایش را انجام می‌دهند و ابرها به ستارگانی در همهٔ اندازه‌ها تکه می‌شوند که بسیاری از آن‌ها از خورشید کوچک‌ترند. بدون این عنصرها، نخستین ابرها فقط از راه مولکول‌های هیدروژن می‌توانستند سرد شوند. آن‌ها به تکه‌های بزرگ شکستند و ستارگانی که ساختند بیشتر پرجرم بودند.
چه مقدار کربن و اکسیژن لازم است تا به ستاره‌زایی «عادی» گذر شود؟ بسیار اندک: حدود 1/3,000 سهم خورشید. این آستانه چنان سریع پشت سر گذاشته شد که هر کهکشان دوردستی که تاکنون در حال درخشیدن دیده شده، از جمله با تلسکوپ فضایی James Webb، تا زمانی که آن‌قدر درخشان شده که دیده شود، از آن بسیار فراتر رفته است.
خواندن یک ابر در نور اختروش
راه دیگری برای یافتن گاز آغازین هست: بگذاریم نور چیزی درخشان‌تر را که پشتش قرار دارد جذب کند. Sarah Bosman از Heidelberg University، Frederick Davies از Max Planck Institute for Astronomy و 23 همکارشان، 30 اختروش درخشان با انتقال به سرخ میان 4.5 و 5.5 را با GHOST پیمایش می‌کنند؛ طیف‌نگاری که در 2024 روی تلسکوپ Gemini South در شیلی نصب شد و آن را حساس‌ترین طیف‌نگار پرتفکیکی می‌دانند که تاکنون ساخته شده است.
نور اختروش J1941−4500 از ابری چگال از هیدروژن خنثی می‌گذرد — یک «جاذب لایمن-آلفای میرا» (damped Lyman-alpha absorber)، گونه‌ای مخزن گاز که گمان می‌رود در فاصلهٔ چند کیلوپارسکی از مناطق ستاره‌زای یک کهکشان قرار دارد. هر عنصر در ابر، نور را در طول‌موج‌های خاص خود جذب می‌کند. پس از 5.8 ساعت نوردهی، گروه توانست سیلیسیم، اکسیژن و کربن را اندازه بگیرد؛ آهن اصلاً آشکار نشد.
بکرترین ابر تاکنون
این ابر که UMP-DLA-1 نام گرفته، در انتقال به سرخ 5.14 قرار دارد، حدود 1.1 میلیارد سال پس از مه‌بانگ. ارقام آن:
- کربن: نسبت به هیدروژن 11,000 بار کمتر از خورشید (با جدیدترین مرجع خورشیدی، حدود 16,000 بار کمتر).
- اکسیژن و سیلیسیم: حدود 5,000 بار کمتر از خورشید.
- این یعنی بیش از سه برابر فقیرتر از نظر اکسیژن و سیلیسیم و چهار برابر فقیرتر از نظر کربن نسبت به هر ابر مشابهی که پیش‌تر شناخته شده بود. از نظر آهن هم فقیرترین است.
- کسر جرمی کل عنصرهای سنگین‌تر از هلیم: 3.16 در میلیون.
نویسندگان کربن و اکسیژن را در یک عدد، «ممیّز گذار» (transition discriminant)، ترکیب می‌کنند که پیش‌بینی می‌کند آیا یک ابر می‌تواند به اندازهٔ کافی سرد شود یا نه:
D_trans = log₁₀ (10^[C/H] + 0.3 × 10^[O/H])
زیر 3.5−، ابر نمی‌تواند به ستارگانی کوچک‌تر از حدود یک جرم خورشیدی فرو برُمبد. UMP-DLA-1 در 3.85− قرار دارد. این نخستین مخزن گازی است که تاکنون زیر این خط یافته شده — پس تنها همین فلزیت پایینش تضمین می‌کند که ستارگانش بیشتر سنگین بوده‌اند.
جیبی دیرهنگام از کیهان آغازین
این یعنی ستاره‌زایی در گازی تقریباً دست‌نخورده، با ستارگانی که بیشترشان پرجرم بودند، مدت‌ها پس از پیدایش نخستین ستارگان — و حتی پس از پایان دوران بازیونش — همچنان ممکن بوده است.
شیمی این ابر همچنین نمونه‌ای است از آنچه این ستارگان پرجرم و کم‌فلز هنگام انفجار به جا گذاشتند: کربنی اندکی کمتر از اکسیژن، و اکسیژن و سیلیسیم به نسبت‌های خورشیدی. این الگو به‌تنهایی نمی‌تواند بگوید که آن ستارگان واقعاً نسل نخست بوده‌اند یا نسل دومی زودهنگام. اما با ابرهایی در دوران‌های بعدی جور درمی‌آید که کارهای پیشین آن‌ها را به تنها 1 تا 30 ابرنواختر از ستارگان نسل نخست نسبت داده بودند. نویسندگان پیشنهاد می‌کنند جست‌وجوی ردپای نخستین ستارگان در جیب‌های باقی‌ماندهٔ گاز بکر، در انتقال به سرخ کمتر از 7، شاید پرثمرتر از نگاه کردن به گذشته‌ای بسیار دورتر، فراتر از انتقال به سرخ 20، باشد.
چند ستارهٔ بسیار کهن و بسیار فقیر در کهکشان‌های کوتولهٔ کوچک نزدیک راه شیری همین امضای شیمیایی را دارند. نویسندگان می‌گویند «کاملاً ممکن است» که آن‌ها آخرین بازماندگان ستارگان کوچکی باشند که در کهکشان‌هایی مانند این زاده شدند.
خوش‌شانسی، یا امری رایج؟
یافتن چنین ابری در میان تنها 30 اختروش شگفت‌آور است. نویسندگان می‌نویسند مگر آن‌که این پیمایش به‌طرز فوق‌العاده‌ای خوش‌شانس بوده باشد، ابرهای بیشتری از این دست ممکن است در طیف‌های موجود پنهان باشند، مدفون در جذب چگال هیدروژن کیهان آغازین. تلسکوپ‌های غول‌پیکر آینده، مانند Extremely Large Telescope، اگر به سوی اختروش‌های کم‌نوری که مأموریت Euclid کشف خواهد کرد نشانه روند، باید سرشماری کاملی انجام دهند. فعلاً UMP-DLA-1 جرمی یگانه است که با این فرض اندازه‌گیری شده که گازش یکپارچه حرکت می‌کند — فرضی که نویسندگان با نبود خطوط جذبی اشباع‌شده از آن پشتیبانی می‌کنند.