استفاده از کوازارها به عنوان یک شمع استاندارد جدید برای تعریف فاصله

تا چقدر دور؟ سوالیست ساده اما در قلب ستاره‌شناسی مدرن قرار دارد. با نگاه به گذشته‌ی کهکشان ما در کیهان اولیه، از معیارهای مختلفی – که اغلب به آنها “شمع‌های استاندارد” می‌گویند – برای سنجش فواصل گوناگون، از نزدیک به دور استفاده می‌شود.

اکنون، ستاره‌شناسان ممکن است ابزار دیگری در روش اندازه‌گیری جهان خود داشته باشند. مطالعه‌ای که اخیراً در مرکز اخترفیزیک (CfA) در هاروارد انجام شده است، اندازه‌گیری‌های پرتو ایکس تعداد 2332 کوازار در فهرست منابع چاندرا توسط تلسکوپ پرتو ایکس چاندرا ناسا را در مقابل درخشندگی آن در اشعه‌ی ماوراء‌بنفش که در Sloan Digital Sky Survey مشاهده شده است، را بررسی کرد. این تیم یک رابطه‌ی تنگاتنگ بین دو عامل پیدا کردند … یک نوع همبستگی که در کوازارهای کیهان اولیه گسترده شده است.

فرانچسکا چیوانو اخترفیزیکدان (مرکز اخترفیزیک، هاروارد و اسمیتسونین) می‌گوید: “ما رابطه‌ای بین اشعه‌ی ایکس و درخشندگی UV مشاهده می‌کنیم که این رابطه به خوبی شناخته شده و سال‌هاست که مورد استفاده قرار می‌گیرد. مطالعات اخیر توسط ریسالی ، لوسو و همکارانش نشان می‌دهد که رابطه با انتقال به سرخ تغییر نمی‌کند و در نتیجه می‌توانیم از همان رابطه فقط از شارها استفاده کرده و از آن برای محاسبه‌ی فاصله اجسام بهره ببریم.”

کوازارها هرچه که باشند، ویژگی عجیب و غریب کیهان اولیه هستند که امروزه در جهان کنونی آن را نمی‌بینیم. اولین کوازار کشف شده به نام 273 3C در سال 1963 بود. با انتقال به سرخ بالا (0.158 = z) اخترشناسان می‌دانستند که به چیزی بسیار دور و در نتیجه درخشان نگاه می‌کنند. میزان روشنایی 273 3C را می‌توانیم با مقدار قدر مطلق آن که 27- است، به شما نشان دهیم. یعنی اگر آن را در فاصله‌ی 10 پارسکی قرار دهید، در آسمان با خورشید رقابت می‌کند (و اگر در این نزدیکی باشد روز بدی را برای زمین رقم می‌زند!)

اولین “پله” در نردبان فاصله‌ی کیهانی، استفاده از روش مشاهده‌ از دو نقطه‌ی‌ مختلف در فضا از یک جسم و مثلثات مقدماتی برای اندازه‌گیری فاصله است که همان اختلاف منظر می‌‌باشد. استفاده از مدار زمین به عنوان خط پایه نیز مبنای فاصله پارسک است که-با وجود آنچه هان سولو در Mos Eisley Cantina به شما می‌گوید- مقدار یک پارسک، برابر 3.26 سال نوری می‌باشد.

اما اختلاف منظر فقط شما را تا بدین‌جا پیش می‌برد. مقیاس بعدی توسط ستاره‌شناس هنریتا سوان لویت هنگام بررسی ستارگان متغیر در ابر ماژلانی کوچک در سال 1912 کشف شد. او متوجه شد که دوره تناوب یک نوع خاص از ستاره‌ها که به عنوان ستاره‌های متغیر دلتای قیفاووسی شناخته می‌شوند، به طور مستقیم با درخشندگی آن ارتباط دارند. اگر یک متغیر دلتای قیفاووسی را در یک کهکشان پیدا کنید (همان‌طور که هابل در کهکشان آندرومدا تقریباً یک دهه بعد در سال 1923 انجام داد) می‌توانید فاصله‌ی آن را اندازه‌گیری کنید.

اما برای فواصل بیشتر، شمع‌های استاندارد روشن‌تری مورد نیاز است. برای این کار، اخترشناسان از ابرنواخترهای نوع یک-آ استفاده می‌کنند، زیرا به بطور قابل پیش‌بینی شعله‌ور شده و سپس محو می‌شوند. در فواصل بسیار زیاد مثلاً صدها میلیون سال نوری، رابطه‌ی انبساط کیهانی و انتقال به سرخ طیف‌سنجی (به عنوان z ذکر می‌شود) وارد عمل می‌شود. این رابطه (که به قانون هابل معروف است) سرعت را متناسب با فاصله‌ی ناشی از انبساط کیهان می‌داند: هرچه انتقال به سرخ بیشتر باشد، جسم دورتر است.

ابرنواخترهای نوع یک-آ به حدود سه میلیارد سال پس از بیگ بنگ برمی‌گردند. بنابراین کوازارها که عمرشان تنها 700 میلیون سال پس از بیگ بنگ است، به عنوان شمع‌های استاندارد پیشنهاد ‌شده در این مطالعه پیشرفت چشمگیری تلقی می‌شوند‌.

کوازارها دارای مزیت دیگری نیز هستند، زیرا صدها هزار مورد از آنها در سال‌های اخیر کشف شده‌اند. به عنوان یک شمع استاندارد، آنها نه تنها یک همپوشانی خوب با ابرنواخترهای دورتر دارند، بلکه یک روش پشتیبان خوب برای تأیید فاصله نیز هستند، زیرا آن‌ها فرایندهای کیهان‌شناسی جداگانه‌ای دارند.

بررسی فضا توسط رصدخانه‌های مستقر در ارتفاعات زمین مانند رصدخانه‌ی ورا روبین در شیلی و تلسکوپ‌های اشعه‌ی ایکس مستقر در بالای جو زمین ، مانند NuSTAR و Chandra منجر به کشف اختروش های بیشتری از دوران اولیه‌ی پیدایش کیهان می‌شوند و استفاده از آنها را به عنوان شمع‌های استاندارد آزمایش می‌کنند.

چیوانو می‌گوید: “ما باید داده‌های بهتری به ویژه در اشعه ایکس دریافت کنیم، تا عدم قطعیت در اندازه‌گیری شار اشعه‌ی ایکس که موجب بیشترین پراکندگی در رابطه‌ی اشعه‌‌ی ایکس و اشعه‌ی ماوراء‌بنفش می‌شود و باعث عدم قطعیت بیشتری در اندازه‌گیری فاصله است را کاهش دهیم.” وی در ادامه افزود : ” علاوه بر این، خوب است که کوازارهای بیشتری درطول موج مادون قرمز بیابیم تا دسته‌ای مستقل نسبت به ابرنواخترها با پارامترهای کیهان‌شناسی در کل دامنه‌ی فروسرخ داشته باشیم.”

رصد کوازار

شما می‌توانید با کمی مهارت و داشتن آسمان تاریک، کوازار273 3C را در مسیر خود توسط تلسکوپی با بزرگنمایی خوب مشاهده کنید. در قدر 12.9+ به نظر نمی‌رسد بیشتر از یک ستاره‌ی کم نور دیده شود … اما شگفت‌انگیز است که بدانید فوتون‌هایی را می‌بینید که از 2.4 میلیارد سال پیش (!) در زمان پیدایش نخستین حیات اولیه روی زمین، در آغاز رویداد اکسیژن‌رسانی بزرگ، باقی مانده‌اند.

مختصات کوازار273 3C عبارتند از: بعد (R.A.) 12H 29 ’07 ، میل 2 درجه 3 دقیقه  9 ثانیه. و فکر می‌کنم، در بیش از نیم قرن که از زمان کشف آنها می‌گذرد، کوازارها از اجرامی معمایی به شمع‌های استاندارد اصلی برای کاوش در کیهان اولیه تبدیل شده‌اند.