کهکشان راه شیری در ترازوی اخترشناسان!

کهکشان راه شیری یعنی جزیره کیهانی غول پیکری که ما در آن زندگی می‌کنیم. ، در حدود ۲۰۰ میلیارد ستاره را در خود جای داده است. البته این عدد، فقط نوکِ کوه یخی است که حقیقت راه شیری را می‌سازد. چرا که راه شیری توسط مقادیر عظیمی از ماده‌ای ناشناخته و غیرقابل مشاهده احاطه شده است که به «ماده تاریک» مشهور شده است.

توزیع و حرکت خوشه‌های کروی در اطراف کهکشان راه شیری، رمز اصلی یافتن جرم کهکشانِ خودمان است.

ماده تاریک در کهکشان راه شیری

در حقیقت درصد زیادی از جرم راه شیری را «ماده تاریک» تشکیل می‌دهد که تاکنون هیچ اثر مرئی از آن مشاهده نشده است. این «ماده تاریک» یا به عبارت دیگر ماده مجهول، از آن جهت که هیچ تابشی ندارد هنوز به صورت مستقیم دیده نشده است، اما آثار قطعی از وجود آن، هم در کهکشان خودمان و هم در کهکشان‌های دیگر و هم در خوشه‌های کهکشانی مشاهده و رصد شده است.

اطراف بخش مرئی کهکشان راه شیری را هاله‌ای از ماده تاریک پوشانده است که مهمترین اثر حضور و وجود آن را می‌توانیم در سرعت ستارگان راه شیری و پایداری سیستم کهکشان مشاهده کنیم. با توجه به سرعت‌هایی که ستارگان در کهکشان دارند، اگر هاله ماده تاریک در اطراف راه شیری وجود نداشت، ستارگان از کهکشان جدا می‌شدند و آرام آرام کهکشان تکه تکه می‌شد. ولی نیروی گرانشی ماده تاریکِ هاله، همچون چسبی گرانشی ستاره‌ها را در کهکشان نگه داشته است.

اثر مهمی که از جرم و گرانش ماده تاریک می‌توان مشاهده کرد و برای محاسبه جرم کهکشان راه‌گشاست، سرعت حرکت خوشه‌های کروی است. هرچه مقدار ماده تاریک بیشتری موجود باشد، باعث سریعتر شدن حرکت این خوشه‌ها می‌شود.

خوشه‌های کروی: ترازوی کهکشانی!

اخترشناسان همچنان در تلاشند که اندازه دقیقی از جرم کهکشان به دست آورند، تا به درک بهتر و دقیق‌تری از سیر تحولِ بی‌شمار کهکشان موجود در عالم برسند. کهکشان‌هایی که تاکنون در کیهان رصد شده‌اند، جرم‌های متفاوتی دارند و در محدوده‌ای از حداقل چند میلیارد برابر جرم خورشید تا حداکثر ۳۰٫۰۰۰ میلیارد برابر جرم خورشید را ـ که سنگین‌ترین کهکشان‌ها هستند ـ شامل می‌شوند. اما جایگاه کهکشان خودمان ، راه شیری در این مقیاس کجاست؟ و مهمتر این‌که چگونه می‌توان کهکشان را وزن کرد؟!

مسلما ترازویی برای این کار وجود ندارد، اما پژوهشگرانِ ستاره‌شناس، از دهه‌ها قبل با بررسی توزیع و سرعت حرکت خوشه‌های کروی در کهکشان راه شیری، راهی یافته‌اند که می‌تواند هم اندازه و هم جرم راه شیری را برای آن‌ها مشخص کند.

به تازگی (۱۶ اسفند ۱۳۹۷) گروهی از اخترشناسان کنجکاو اعلام کرده‌اند که توانسته‌اند با ترکیب داده‌های دقیق تلسکوپ فضایی «هابل» و ماهواره «گایا» و مطالعات دقیقی از حرکت خوشه‌های کروی در اطراف راه شیری، یکی از دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های جرم کهکشان راه شیری را به نمایش بگذارند.

خوشه‌های کروی: گروه‌های متراکم از چند صدهزار ستاره هستند که تحت اثر نیروی گرانش‌شان در محدوده کوچکی از فضا در کنار هم قرار دارند. در کهکشان راه شیری حدود ۱۵۰ خوشه کروی رصد شده است.

خوشه‌های کروی ستاره‌های کهنسالی درون خود دارند که نشان از آن دارد که این خوشه‌ها جزء اولین ساکنین راه شیری هستند: فقط چند صد میلیون سال پس از مهبانگ ایجاد شده‌اند. زمانی که هنوز نه خورشیدی وجود داشته و نه ساختار قرص و مارپیچی‌ای در کهکشان راه شیری شکل گرفته بوده است!

این خوشه‌های کروی همچون زنبورهایی که در اطراف کندوی‌شان در حال پرواز هستند، پیرامون راه شیری در حرکتند. هرقدر که کهکشان سنگین‌تر باشد، این خوشه‌های کروی سریع‌تر حرکت می‌کنند. بنابراین با بررسی سرعت حرکت آن‌ها به دور کهکشان می‌توان جرم آن را با دقت خوبی اندازه‌گیری کرد.

پژوهش‌هایی که در دهه‌های گذشته انجام شده بود، جرم راه شیری را بین ۵۰۰ تا ۳۰۰۰ میلیارد جرم خورشیدی تخمین زده بودند. اما این پژوهش جدید که با داده‌های دقیق تلسکوپ فضایی هابل و ماهواره گایا، بسیار بهبود یافته است؛ مقدار میانیِ این محدوده را برای جرم کهکشان‌مان به دست آورده است.

در این اندازه‌گیری، جرم راه شیری حدود ۱۵۰۰ میلیارد جرم خورشیدی به دست آمده است. البته از این عدد در نهایت مقدار ۲۰۰ میلیاردش متعلق به اجرامی است که می‌توانیم در کهکشان به صورت مستقیم مشاهده کنیم که شامل ستاره‌ها، سحابی‌ها، ابرها و غبارهای میان ستاره‌ای و آن سیاه‌چاله ابرسنگین مرکزی می‌باشد.

جرم خورشیدی: جرم خورشید، یعنی مقدار ماده‌ای که در خورشید وجود دارد؛ معیار استانداردی است که در نجوم و ستاره شناسی برای بیان جرمِ اجرام کیهانی نظیر ستارگان، سحابی‌ها، خوشه‌های ستاره‌ای و کهکشان‌ها استفاده می‌شود.

جرم خورشید تقریبا برابر است با: ۲۰۰۰ میلیارد میلیارد میلیارد کیلوگرم؛ که معادل ۳۳۳٫۰۰۰ برابر جرم زمین است!

همکاری هابل و گایا

در بیشتر تحقیقاتی که قبلا انجام شده بود، اندازه‌گیری سرعت حرکت خوشه‌ها فقط در امتداد خط دید آن خوشه‌ها بوده است. بنابراین فقط می‌توانستند سرعت نزدیک یا دورشدن خوشه (که به آن سرعت شعاعی گفته می‌شود) را از زمین محاسبه کنند. از این رو خطا و عدم اطمینان زیادی در نتایج ایجاد می‌شد. اما در اطلاعاتی که از تلسکوپ هابل و ماهواره گایا برای ۴۶ خوشه کروی رصد شده، دریافت شده است، سرعت عرضیِ (یعنی حرکت جانبی) آن‌ها هم علاوه بر سرعت شعاعی استخراج شده است. این امر موجب افزایش دقت این محاسبات است.

گایا به علت دقت زیادی که دارد می‌تواند موقعیت سه بعدی خوشه‌ها را در اطراف کهکشان مشخص کند و در عوض تلسکوپ هابل به علت نفوذ بیشتر به عمق آسمان می‌تواند ستارگان و خوشه‌های کم‌نورتر و دورتر را رصد کند. در این پژوهش، گایا ۳۴ خوشه‌ای که تا فاصله ۶۵٫۰۰۰ سال نوری قرار داشتند را بررسی کرده و تلسکوپ هابل ۱۲ خوشه دوردست را که تا ۱۳۴٫۰۰۰ سال نوری بودند، بررسی کرد.

هنگامی که اندازه‌گیری‌های هابل و گایا همچون نقاط پایه بر روی نقشه‌های کهکشانی با هم ترکیب شوند، می‌توان توزیع جرم کهکشان را تا شعاع یک میلیون سال نوری از زمین بررسی کرد.

جابه‌جایی خوشه‌ها:

عکس سمت چپ: قسمتی از خوشه کروی NGC5466 که توسط تلسکوپ فضایی هابل تهیه شده، در این عکس ثبت شده است. این خوشه یکی از ۱۵۰ خوشه کروی در کهکشان راه شیری است که همچون زنبورهایی به دور کندویِ راه شیری در حرکت و چرخش هستند. با مطالعه سرعتِ چرخش آن‌ها به دور راه شیری می‌توان جرم کهکشان را با دقت خوبی محاسبه کرد.

عکس سمت راست: قسمت کوچکی از همان خوشه NGC5466 که جزئیات زیادی از ستارگان خوشه را در مقابل کهکشان‌های دوردست نشان می‌دهد. (از جمله شاهکارهای تلسکوپ هابل که از عهده تلسکوپ‌های دیگر برنمی‌آید!)

برای سنجیدن سرعت خوشه، تصویر بسیار دقیق هابل از این خوشه، در یک بازه زمانی ۱۰ ساله با هم مقایسه شده‌اند. ستارگانی را که در این کادرِ شبکه‌بندی می‌بینید، مربوط به خوشه کروی است و شبکه قرمز رنگ در واقع به آن کهکشان‌های دوردست چسبیده است و می‌توانیم جابه‌جایی خوشه را نسبت به آن‌ها تشخیص دهیم. خوشه NGC5466 در فاصله ۵۲٫۰۰۰ سال نوری از ماست، اما آن کهکشان‌ها میلیون‌ها سال نوری دورتر هستند، بنابراین در یک مدتِ ۱۰ ساله می‌توان جابه‌جایی ستارگان خوشه را به دور راه شیری تشخیص داد و مقدار آن را اندازه‌گیری کرد. چنین اندازه‌گیری‌های دقیق، وقتی با دیگر داده‌ها (احتمالا از سایر خوشه‌های رصد شده) ترکیب شدند، اندازه ۱۵۰۰ میلیارد برابر جرم خورشیدی را به ما داده‌اند.

منبع: تلسکوپ فضایی + هابل + گایا

تهیه و تنظیم: محمد همایونی