دانشمندان به مدلی جدید برای شکل‌گیری راه شیری دست یافتند

دانشمندان به مدلی جدید برای شکل‌گیری راه شیری دست یافتند

در دو سال گذشته، ستاره‌شناسان تاریخچه‌ی راه شیری را بازنویسی کردند. آنان با استفاده از داده‌های فضاپیمای گایا به نتایج جدید و جالبی دراین‌باره رسیدند.

براساس تعریف ستاره‌شناسان قرن بیستم، کهکشان راه شیری درحدود ۱۴ میلیارد سال پیش با تراکم ابرهای گاز و غباری براثر نیروی گرانش به‌وجود آمد. به‌مرور‌زمان دو ساختار ظهور کردند: اولین ساختار هاله‌ای کُروی و وسیع و دومین ساختار دیسک درخشان متراکم. میلیاردها سال بعد، منظمه‌ی شمسی در این دیسک شکل گرفت که با نگاه‌کردن به آسمان شب می‌توان چشم‌اندازی از دیسک راه شیری را مشاهده کرد.

در دو سال گذشته، پژوهشگران تمام فصل‌های تاریخچه‌ی کهکشان راه شیری بازنویسی کردند و به نتایج بهتری دست یافتند. ۲۵ آوریل ۲۰۱۸، فضاپیمایی اروپایی به نام گایا اطلاعات جالبی درباره‌ی آسمان شب منتشر کرد. داده‌های گایا حرکات دقیق نزدیک به یک‌میلیارد ستاره را توصیف می‌کنند. نقشه‌های قبلی فقط به هزاران ستاره محدود بودند. گایا با ارسال این داده‌ها زمینه‌ساز تحولی بزرگ شد.

ستاره‌شناسان برای دانلود نقشه‌ی دینامیک ستاره‌ای رقابت و به اکتشافات مختلفی دست پیدا کردند. برای مثال، آنان متوجه شدند بخش‌هایی از دیسک جوان به‌نظر می‌رسد. همچنین، به شواهدی از برخوردهای عظیم دست یافتند که بخش جوان راه شیری را شکل می‌دهند. به‌طور‌کلی، این نتایج داستان جدیدی درباره‌ی گذشته‌ی متلاطم راه شیری و آینده‌ی رو به تکامل آن بیان می‌کنند. مایکل پیترسون، ستاره‌شناس نام‌آشنا از دانشگاه ادینبورگ، دراین‌باره می‌گوید:

چشم‌انداز ماه از راه شیری به‌سرعت تغییر کرده است. راه شیری جرمی ایستا نیست؛ بلکه تمام نقاطش به‌سرعت در‌حال‌تغییر است.

ستاره‌های آغازین

ستاره‌شناسان با بازگشت به اولین روزهای شکل‌گیری راه شیری، ستاره‌های آغازین را جست‌وجو کردند. این ستاره‌ها، تنها از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌‌‌اند که خام‌ترین مواد کیهانی به‌شمار می‌روند. خوشبختانه ستاره‌های کوچک‌تر این مجموعه به‌آهستگی می‌سوزند؛ در‌نتیجه، بسیاری از آن‌ها هنوز به حیات خود ادامه می‌دهند.

پس از سال‌ها بررسی، پژوهشگران کاتالوگی از ۴۲ ستاره‌ی کهن موسوم به ستاره‌های فقیر فلزی را جمع‌آوری کردند. برای ستاره‌شناسان هر اتم سنگین‌تر از هلیوم در دسته‌ی فلزی قرار می‌گیرد. براساس مدل استاندارد شکل‌گیری راه شیری، این ستاره‌ها در هاله‌ی اولیه جمع شده‌ بودند که اولین بخش کهکشان راه شیری است. در‌مقابل، ستاره‌های موجود در دیسک که سال‌های بعدی شکل گرفتند، با عناصر سنگین‌تری مثل کربن و اکسیژن آلوده شدند.

اواخر سال ۲۰۱۷، ستاره‌شناسی به نام سستیتو با نوشتن کدی برای تحلیل نتایج گایا حرکت ستاره‌های فقیر فلزی را بررسی کرد. شاید مسیر کُروی این ستاره‌ها می‌توانست سرنخی برای شکل‌گیری هاله‌ی آغازین راه شیری باشد. سستیتو در روزهای پس از انتشار داده‌های گایا، نزدیک به ۴۲ ستاره‌ی کهن را از مجموعه‌ی داده‌های کامل استخراج و حرکت آن‌ها واکاوی کرد. او متوجه شد اغلب ستاره‌های کهن در هاله‌ی راه شیری قرار داشتند و تعدادی (دقیقا یک از چهار ستاره) از آن‌ها در دیسک قرار دارند. این نتیجه برای سستیو بسیار غیرمنتظره بود.

پژوهش‌های بعدی ثابت کردند ستاره‌ها در‌واقع ساکنان طولانی‌مدت دیسک راه شیری هستند، نه توریست‌های گذرا. سستیتو و همکارانش بر‌اساس دو پژوهش جدید، کتابخانه‌ای شامل ۵،۰۰۰ ستاره‌ی فقیر فلزی را جمع‌آوری کردند که از این مجموعه چندصد ستاره از ساکنان دائمی دیسک بودند. گروه دیگری از پژوهشگران با بررسی ۵۰۰ ستاره‌ متوجه شدند از هر دَه ستاره یکی از آن‌ها در مدار مسطح خورشید مانندی قرار دارد. گروه سوم نیز ستاره‌هایی را با خواص فلزی متغیر پیدا کردند که در مدارهای دیسک مسطح حرکت می‌کنند. این نتایج متغیر چگونه به‌دست آمدند؟

براساس حدسیات سستیتو، شاید ساختار گاز آغازین با فلز خارج‌شده از سوپرنواها متفاوت است و سپس این گاز ستاره‌هایی تشکیل داده که کهنه به‌نظر می‌رسند یا شاید دیسک هم‌زمان با هاله و درست یک‌میلیارد سال زودتر از زمان‌بندی پیش‌بینی‌شده شکل گرفته است.

در این شبیه‌سازی دیجیتالی، کهکشان راه شیری در ۱۳/۸ میلیارد سال شکل گرفته و به‌تکامل می‌رسد: از جهان آغازین تا تاریخ فعلی. ستون سمت چپ نشان‌دهنده‌ی توزیع ماده‌ی تاریک نامرئی است و مرکز نشان‌دهنده‌ی دمای گاز که در آن آبی سرد و قرمز داغ است و ستون سمت راست هم تراکم ستاره‌ها را نشان می‌دهد. هر سطر نشان‌دهنده‌ی مقیاسی با اندازه‌ی متفاوت است. سطر بالا در دیسک کهکشانی بزرگ‌نمایی شده است و ستون وسط نمایی متوسط از هاله‌ی کهکشانی است و سطر پایین نمای کوچک‌شده‌ای از محیط اطراف کهکشان را نشان می‌دهد.

ستاره‌های کهن چگونه به دیسک کهکشانی راه یافته‌اند؟ به‌بیان‌ساده، آن‌ها مهاجران ستاره‌ای هستند. برخی ستاره‌ها در ابرهای آغازین راه شیری شکل گرفتند. سپس برخی از این ستاره‌ها به مدارهایی منتقل شدند که دیسک کهکشانی را تشکیل دادند. ستاره‌های دیگر هم که از کهکشان‌های کوتوله‌ی کوچک سرچشمه می‌گرفتند، با دیسک نوظهور تراز شدند. براساس نتایج پژوهشگران که نوامبر ۲۰۲۰ منتشر شد، مدل‌های شکل‌گیری کهکشانی کلاسیک ناقص بودند.

جوانی پرتلاطم

پیچیدگی‌ها به همین ‌جا ختم نمی‌شوند. ستاره‌شناسان با داده‌های گایا به شواهد مستقیمی از برخوردهای عظیم دست یافتند. براساس فرضیات آنان، راه شیری جوانی متلاطمی تجربه کرده است؛ اما هلمر کاپلمن، ستاره‌شناس مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته‌ی پرینستون، از داده‌های گایا برای جست‌وجوی بقایای کوچک بزرگ‌ترین ادغام‌ها استفاده کرد.

کاپلمن دو روز پس از انتشار دا‌ده‌های گایا آن‌ها را بررسی کرد و به نتایج جالبی رسید. او در هر جهت تعداد زیادی از ستاره‌های هاله‌ای را شاهد بود که در مرکز راه شیری در حالتی پینگ‌پنگی قرار داشتند. این یافته نشان می‌دهد این ستاره‌ها از کهکشانی کوتوله سرچشمه می‌گیرند.

بقایای برخورد کهکشانی در همه جا دیده شدند. شاید نیمی از کل ستاره‌هایی که در فاصله‌ی شصت‌هزار سال نوری از هاله قرار دارند، از برخورد غول‌آسایی سرچشمه گرفته باشند که جرم راه شیری جوان را تا ۱۰ درصد افزایش داده است. ناگفته نماند این هاله تا صدها هزار سال نوری در هر جهت توسعه می‌یابد.

پژوهشگران نام کهکشان برخوردی با راه شیری را گایا انسلادوس گذاشتند که از نام خدای یونان باستان، گایا و پسر تایتان او، انسلادوس، برگرفته شده است. تیم دیگری از دانشگاه کمبریج هم به‌طور‌مستقل کهکشان را در همان زمان کشف کردند. پس از برخورد راه شیری و گایا انسلادوس در‌حدود ۱۰ میلیارد سال پیش، دیسک راه شیری دچار آسیب گسترده‌ای شد.

به‌اعتقاد ستاره‌شناسان دیسک راه شیری از دو قسمت تشکیل شده است: یک دیسک باریک و یک دیسک ضخیم‌تر که ستاره‌های آن در مداری حول مرکز کهکشان نوسان می‌کنند. براساس پژوهشی به‌رهبری دی‌ماتئو، برخورد گایا انسلادوس باعث فروپاشی بخشی زیادی از دیسک شده است. کاپلمن می‌گوید: «اولین دیسک کهن با سرعت بالایی شکل گرفت و سپس گایا انسلادوس آن را نابود کرد.»

نشان‌های ادغام‌های دیگر در گروهی از ستاره‌ها موسوم به خوشه‌های کروی هم دیده شد. دیدریک کراجسن، ستاره‌شناس دانشگاه هایدلبرگ آلمان، از شبیه‌سازی‌های کهکشانی برای آموزش شبکه‌ی عصبی و بررسی خوشه‌های کروی استفاده و سن و ترکیب و مدار این خوشه‌ها را واکاوی کرد. شبکه‌ی عصبی بر‌اساس این داده‌ها برخوردهایی را می‌تواند بازسازی کند که کهکشان‌ها را شکل دادند. سپس، کراجسن این شبکه را برای راه شیری تنظیم کرد. این برنامه رویدادهایی موسوم به گایا انسلادوس و ادغام‌های چشمگیرتر موسوم به کراکن را بازسازی کرد.

ماه آگوست، گروه کراجسن نوع ادغام راه شیری و کهکشان‌های کوتوله‌ی تشکیل‌دهنده‌ی آن را شرح دادند. براساس پیش‌بینی آن‌ها وجود ۱۰ برخورد دیگر با رصدهای مستقل اثبات می‌شود. برخی ستاره‌شناسان بر‌اساس این ادغام‌ها بدین‌نتیجه رسیدند که هاله ممکن است از ستاره‌های کاملا مهاجر تشکیل شده باشد.

کهکشانی رو‌به‌رشد

راه شیری تاریخچه‌ای نسبتا آرام را پشت‌سر گذاشته است؛ اما  همچنان به رشدش ادامه خواهد داد. ناظران آسمان در نیم‌کره‌ی جنوبی می‌توانند با چشم غیرمسلح زوج کهکشان کوتوله‌ای به نام ابرهای ماژلانی کوچک‌و‌بزرگ را ببینند. ستاره‌شناسان سال‌ها معتقد بودند این زوج همراه‌های دیرینه‌ی راه شیری هستند و مانند قمرهای آن به‌شمار می‌روند.

بر‌اساس مجموعه‌ای از رصدهای تلسکوپ هابل بین سال‌های ۲۰۰۶ و ۲۰۱۳، دو ابر ماژلانی بیشتر مانند دو شهاب‌سنگی ناخوانده هستند. تیمی به‌رهبری جارگ پنروبیا، ستاره‌شناس رصدخانه‌ی سلطنتی ادینبورگ، متوجه شدند این ابرها سنگین‌تر از حد پیش‌بینی‌شده هستند. این نتیجه به‌خودی‌خود شگفتی به‌شمار می‌رفت.

پژوهشگران با بررسی حرکت گسترده‌ی کهکشانی متوجه شدند راه شیری درواقع طوفانی خروشان از ستاره‌ها است؛ در‌نتیجه، پناروبیا و پیترسون بخش زیادی از اوقات قرنطینه را صرف بررسی چگونگی خنثی‌سازی حرکت زمین و خورشید و میانگین‌گیری از ستاره‌های هاله‌ای کردند. آنان با بررسی داده‌ها متوجه شدند زمین و خورشید و سایر دیسک راه شیری در جهتی متمایل شده‌اند که به‌سمت موقعیت فعلی ابر ماژلانی بزرگ نیست؛ بلکه در جهت موقعیت این ابر در‌حدود یک‌میلیارد سال پیش است. آن‌ها جزئیات یافته‌های خود را در Nature Astronomy منتشر کردند.

انحراف دیسک دربرابر هاله، فرضیه‌ای اصلی را به‌خطر می‌اندازد: راه شیری جرمی متعادل است. شاید راه شیری در فضا بچرخد و دچار لغزش شود؛ اما اغلب ستاره‌شناسان پس از میلیاردها سال فرض می‌کنند دیسک و هاله‌ی راه شیری در پیکربندی پایداری قرار دارند. تحلیل پناروبیا و پیترسون فرضیه‌ی ثبات راه شیری را رد می‌کند. حتی پس از ۱۴ میلیارد سال، ادغام‌ها ادامه دارند و بر شکل کلی راه شیری تأثیر می‌گذارند؛ ازاین‌رو، به مدل جدیدی برای توصیف راه شیری نیاز داریم.

مقاله‌ی اصلی با مجوز Quanta Magazine منتشر شد.


منبع wired

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده

بیشتر بخوانید