سفر به دل کهکشان‌ ها | دنیایی فراتر از تصور

سفر به دل کهکشان‌ ها

کهکشان مجموعه ای است از ستارگان غبار و گاز که توسط گرانش در کنار یک دیگر قرار گرفته اند. منظومه شمسی ما در کهکشانی به نام راه شیری قرار گرفته است. دانش مندان تخمین می زنند که بیش از ۱۰۰ میلیارد کهکشان در فضای مرئی کائنات پراکنده شده اند. ستاره شناسان به کمک تلسکوپ از  میلیون ها کهکشان تصویر گرفته اند. دورترین کهکشان هایی که تا کنون عکس آن ها تهیه شده است، در فاصله ۱۰ تا ۱۳ میلیارد سال نوری از ما قرار گرفته اند قطر کهکشان ها از چند هزار تا نیم میلیون سال نوری است.

کهکشان های کوچک تر کم تر از یک میلیارد ستاره دارند اما کهکشان های بزرگ دارای بیش از یک تریلیون ستاره هستند. قطر کهکشان راه شیری حدود ۰۰۰، ۱۰۰ هزار سال نوری است. منظومه شمسی در فاصله ۰۰۰، ۲۵ سال نوری از مرکز کهکشان قرار گرفته است حدود ۱۰۰ میلیارد ستاره در این کهکشان وجود دارد.

 تنها ۳ کهکشان از روی زمین با چشم غیر مسلح قابل رویت است. مردم نیم کره شمالی می توانند کهکشان آندرومدا را که ۲ میلیون سال نوری با ما فاصله دارد ببینند و مردم نیم کره جنوبی ابر ماژلانی بزرگ را در فاصله ۰۰۰، ۱۶۰ سال نوری و ابر ماژلانی کوچک را در فاصله ۰۰۰، ۱۸۰ سال نوری می بینند.

خوشه های کهکشانی

کهکشان ها به طور نامنظم در فضا توزیع شده اند بعضی از آن ها هیچ همسایه ای ندارند و بعضی به صورت جفت بوده و حول یکدیگر در گردشند. البته بیشتر آن ها در گروه هایی به نام خوشه تجمع  کرده اند. یک خوشه ممکن است ده ها تا چندین هزار کهکشان را در بر گیرد. یک خوشه می تواند قطری به بزرگی ۱۰میلیون سال نوری داشته باشد.

 خوشه ها نیز به نوبه خود در گروه هایی قرار گرفته اند که بر خوشه نامیده می شوند در مقیاس بزرگ همه کهکشان ها در شبکه ای از رشته های میله ای کهکشانی که با یکدیگر در ارتباط هستند، قرار گرفته اند. فضای اطراف آنها را فضایی نسبتا خالی پر کرده است. یکی از بزرگ ترین ساختارهای کهکشانی که تا به حال نقشه برداری شده است دیوار بزرگ نام دارد. این ساختار بیش از ۵۰۰ میلیون سال نوری طول و ۲۰۰ میلیون سال نوری عرض دارد.

شکل کهکشان ها

ستاره شناسان بیشتر کهکشان ها را بر اساس شکل آن ها در دو دسته مارپیچی و بیضوی طبقه بندی   می کنند. کهکشان مارپیچی ظاهری مانند دیسک با مرکزی متورم دارد این دیسک شبیه به فرفره، بازوهای مارپیچی درخشانی دارد که از مرکز آن بیرون زده اند راه شیری یک کهکشان مارپیچی است. همه کهکشان های مارپیچی مانند فرفره در گردش هستند اما با سرعت کم برای مثال راه شیری یک دور گردش کامل خود را در مدت ۲۵۰ میلیون سال انجام می دهد (عکس زیر).

در کهکشان های مارپیچی ستاره های جدید دائما در حال به وجود آمدن از دل گاز و غبار می باشند. گروه های کوچک ستارگان که خوشه های محلی نامیده می شوند اغلب پیرامون کهکشان های مارپیچی قرار دارند. یک خوشه محلی معمولی حدود ۱ میلیون ستاره دارد.

اشکال کهکشان های بیضوی از کره کامل تا بیضی های مسطح متفاوت است. در مرکز این گونه   کهکشان ها نور بسیار شدید است اما تدریجا به سمت لبه ها از شدت آن کاسته میشود. ستاره شناسان تشخیص داده اند که کهکشان های بیضی شکل با سرعت بسیار کم تر از کهکشان های مارپیچی در گردشند و یا اصلا حرکت نمی کنند. به نظر میرسد ستارگان درون این کهکشان ها در مدارهای تصادفی در گردش هستند.

ظرفیت گاز و غبار این نوع کهکشان ها کم تر از کهکشان های مارپیچی است بنابر این ستارگان کم تری در آن ها متولد می شوند. کهکشان های نوع سوم اشکال بی قاعده ای دارند. بعضی از آن ها بیشتر شامل ستارگان آبی و گازهای یف کرده اند اما غبار کمی دارند ابرهای ماژلانی جزء این گروه از کهکشان ها هستند. بعضی دیگر از این کهکشان ها بیشتر شامل ستارگان جوان نورانی در میان گاز و غبار هستند.

کهکشان ها نسبت به یکدیگر در حرکتند و دو کهکشان به طور محلی به قدری به یک دیگر نزدیک  می شوند که نیروهای گرانشی آن ها باعث تغییر شکل شان می شود کهکشان ها حتی می توانند با هم برخورد کنند. اگر دو کهکشان با سرعت زیاد با هم برخورد کنند بدون اثر یا با تاثیرات اندک از یک دیگر عبور می کنند.

اما اگر دو کهکشان با سرعت کم با یکدیگر برخورد نمایند ممکن است با یک دیگر متحد شده و کهکشانی بزرگ تر از دو کهکشان قبل ایجاد کنند. نتیجه این اتحاد میتواند میله ای مارپیچی از ستارگان را که تا 100،000 سال نوری در فضا امتداد دارند به وجود آورد.

انتشارات کهکشانی

همه کهکشان ها انرژی را به صورت امواج مرئی و دیگر امواج الکترو مغناطیسی منتشر می کنند. به ترتیب کاهش طول موج این پرتوها عبارتند از امواج رادیویی، امواج فرو سرخ، نور مرئی، پرتوی فرابنفش، اشعه ایکس و پرتوی گاما همه این امواج در کنار یک دیگر طیف الکترو مغناطیس را تشکیل می دهند.

منابع زیادی از انرژی در کهکشان ها نهفته است. مقدار زیادی از آن مربوط به گرمای ستارگان و ابرهای گاز و غبار یا سحابی ها می باشد. تعدادی از پدیده های مهیب کهکشانی نیز مقادیر بسیار زیادی انرژی آزاد می کنند. این پدیده ها دو نوع انفجار ستاره ای را در بر می گیرند: 1) انفجارهای نواختر، که در  آن ها یکی از دو ستاره ساختارهای دو تایی به فضا گاز و غبار پرتاب می نماید، 2) انفجارهای ابر نواختر، که در آن ها یک ستاره متلاشی شده و سپس بیش تر مواد خود را به فضا پرتاب می کند.

یک ابر نواختر ممکن است که از خود جر می فشرده و نامرئی به نام سیاه چاله بر جای گذارد. سیاه چاله آن چنان نیروی گرانش قدرت مندی دارد که هیچ چیز حتی نور نیز نمی تواند از آن عبور کند ابرنواختر هم چنین ممکن است که از خود یک ستاره نوترونی بر جای گذارد. این نوع ستاره آکنده از ذرات نوترون است. به طور طبیعی نوترون ها فقط در هسته اتم ها وجود دارند. برخی ابرنواخترها نیز چیزی از خود باقی نمی گذارند.

شدت پرتوهایی که از یک ستاره در طول موج های متفاوت منتشر میشود به دمای سطح ستاره وابسته است. برای مثال خورشید که دمای سطحی معادل ۵۵۰۰ درجه کلوین دارد بیشتر انرژی خود را در طیف نور مرئی گسیل می کند. به این نوع انتشار انرژی پرتوی حرارتی می گویند.

درصد کمی از کهکشان ها که کهکشان های فعال نامیده می شوند، مقادیر بسیار بسیار زیادی انرژی منتشر می نمایند.منبع این انرژی، پدیده هایی است که در اجرام مرکزی این کهکشان ها ایجاد می شود. توزیع این طول موج های منتشر شده با ستارگان معمولی فرق می کند به این نوع انتشار پرتوی غیر حرارتی   می گویند. قدرت مند ترین منابع انتشار این تابش اجرامی به نام کوازار می باشند کوازارها مقادیر شگرفی امواج رادیویی، فروسرخ، فرابنفش اشعه ایکس و گاما منتشر می کنند.

برخی از کوازارها، که در تصاویر شبیه به ستارگان هستند ۱۰۰۰ برابر کل کهکشان راه شیری انرژی تولید می کنند کوازار مخفف عبارتی به معنای «شبه ستاره ای» است. در اصل این عبارت به معنای منبع رادیویی شبه ستاره ای می باشد. این نام به این خاطر به این اجرام اطلاق گردید که نخستین بار این اجرام به واسطه انتشار امواج رادیویی شناخته شدند و بسیار شبیه ستارگان به نظر می رسیدند.

 نوعی کهکشان مارپیچی به نام سیفرت وجود دارد که مقادیر زیادی پرتوی فرو سرخ امواج رادیویی و اشعه ایکس منتشر می کند. این نوع از کهکشان ها به یاد ستاره شناس آمریکایی کارل سیفرت ، نام گذاری شده اند. وی موفق شد برای نخستین بار در سال ۱۹۴۳ این نوع کهکشان ها را کشف نماید.

 برخی از کهکشان های فعال، فواره ها و حباب هایی از ذرات باردار الکتریکی منتشر می کنند. این ذرات شامل پروتون ها و پوزیترون ها با بار الکتریکی مثبت و الکترون ها با بار الکتریکی منفی هستند الکترون و پروتون ذرات تشکیل دهنده ماده می باشند اما پوزیترون ها ذرات پادماده هستند. آن ها ذرات ضد الکترون می باشند و جرمی معادل جرم الکترون دارند. اینطور تصور می شود که شدت فعالیت  کهکشان های فعال به دلیل وجود سیاه چاله ای عظیم در مرکز کهکشان باشد این سیاه چاله می تواند یک میلیارد بار  سنگین تر از خورشید باشد.

از آن جا که این سیاه چاله بسیار پر جرم و فشرده است نیروی گرانش آن برای بلعیدن ستارگان اطراف قدرت لازم را دارد گاز و غباری که به این صورت وارد سیاه چاله  می شود جرم دیسک موادی را که به دور سیاه چاله در گردش هستند بیش تر می کند.

در همین حال موادی که در گوشه درونی این دیسک قرار گرفته اند وارد سیاه چاله می شوند. ماده ضمن سقوط انرژی خود را از دست می دهد. این انرژی به شکل دسته پرتوهایی به بیرون از کهکشان پرتاب می شود. راه شیری یک کهکشان فعال نیست اما یک منبع بسیار قوی تابشی در مرکز خود دارد. دلیل انتشار این تابش ممکن است سیاه چاله ای باشد که جرم آن یک میلیون برابر جرم خورشید است.

منشاء کهکشان ها

دو نظریه اصلی در مورد منشاء پیدایش کهکشان ها مفروض است. سر آغاز هر دو تئوری مه بانگ یا بیگ بنگ می باشد. انفجاری که ۱۰ تا ۲۰ میلیارد سال پیش رخ داد و سر آغاز جهان شد. اندکی پس از آن انفجار، مقادیری از گاز به یکدیگر پیوستند سپس گرانش به آرامی آن ها را به کهکشان ها تبدیل نمود. تفاوت این دو تئوری در بیان نحوه رشد کهکشان ها است. تئوری نوع اول بر این اساس است که ابتدا اجرام کوچک شکل گرفتند و از پیوستن این اجرام کهکشان ها به وجود آمدند.

بر اساس تئوری نوع دوم نخست کهکشان ها و خوشه های کهکشانی به وجود آمده اند. سپس ستارگان و اجرام کوچک در دل این کهکشان ها پدیدار شدند با اینحال همه تئوری های مربوط به تشکیل کهکشان ها پس از انفجار بزرگ به این نتیجه رسیده اند که پس از شکل گیری نخستین کهکشان ها این روند متوقف شده و هیچ کهکشان جدیدی به وجود نیامده است یا دست کم تعداد بسیار اندکی کهکشان جدید ایجاد شده است.

 ستاره شناسان مدارکی به دست آورده اند که شرایط پیش از تشکیل کهکشان ها را بیان می کند. در سال ۱۹۶۵، دو فیزیکدان آمریکایی آرنوپنزیاس و روبرت ویلسون ، امواج رادیویی ضعیفی را در آسمان شناسایی کردند بر اساس تئوری انفجار بزرگ این امواج تشعشعات باقیمانده از انفجار بزرگ می باشند. ابتدا چنین به نظر می رسید که قدرت این امواج در هر سو یک اندازه است تا اینکه در سال ۱۹۹۲، ماهواره ای به نام کاوشگر پس زمینه کیهانی تفاوت های بسیار اندکی را در قدرت این امواج کشف کرد.

این تفاوت از تفاوت چگالی مواد پس از انفجار بزرگ ناشی می شود. در قسمت هایی از فضا که چگالی بیشتر بود، نیروی گرانشی قوی تری به وجود آمد. در نتیجه انبوه مواد در این مناطق شکل گرفته و با افزایش تراکم مواد، کهکشان ها پدیدار شدند. بیشتر مشاهدات ستاره شناسی به منظور تائید تئوری انفجار بزرگ صورت گرفته اند. بر اساس این  تئوری ها جهان هم چنان در حال گسترش است.

دو نوع از مشاهدات به شدت این امر یعنی گسترش جهان را تائید کنند. این مشاهدات ثابت می کنند که همه کهکشان ها در حال دور شدن از یکدیگر هستند. علاوه بر آن کهکشان های دورتر از کهکشان راه شیری با سرعت بیشتری در حال دور شدن می باشند. این ارتباط مابین فاصله و سرعت کهکشان ها به نام قانون هابل شناخته می شود ادوین هابل، ستاره شناس آمریکایی در سال ۱۹۲۹ این ارتباط را کشف و گزارش نمود.

ستاره شناسان سرعت حرکت کهکشان ها را به کمک شیوه انتقال به سرخ تخمین می زنند انتقال به سرخ نوعی اندازه گیری امواج الکترو مغناطیسی که توسط جرمی در فضا منتشر می شوند می باشد با تجزیه نور کهکشان ها طیف آن ها به دست می آید در طیف یک کهکشان تعدادی خطوط تیره وجود دارد که بیان گر دما چگالی و ترکیبات شیمیایی   می باشد.

چنان چه کهکشانی در حال دور شدن از ما باشد، این خطوط به انتهای طیف یعنی به سمت رنگ قرمز متمایل می شوند هر چه این تمایل و انتقال به سمت رنگ قرمز در طیف بیشتر باشد، سرعت دور شدن کهکشان مورد نظر از ما بیش تر است. دانش مندان با بررسی درخشش یک کهکشان و یا بررسی مقدار درخشش اجرام خاصی مانند ستارگان متغیر و ابرنواختر ها در آن فاصله بین کهکشان ها را تخمین می زنند.

تکامل کهکشان های مار پیچی

ستاره شناسان نمی توانند به درستی بفهمند که مارپیچ های کهکشان ها چگونه تکامل یافته و هنوز وجود دارند. معما زمانی آشکار می شود که درباره چرخش این کهکشان ها فکر کنیم. چرخش این کهکشان ها بسیار شبیه به گردش خامه روی سطح فنجان قهوه است.

بخش مرکزی کهکشان تقریبا مانند یک چرخ  می چرخد و بازوها به دنبال آن یک بازوی مارپیچ در حال گردش حول مرکز را تصور کنید که در هر ۲۵۰ میلیون سال یکبار گردش خود را کامل می کند مانند بازوهای کهکشان راه شیری بعد از چند بار گردش احتمالا ظرف ۲ میلیارد سال این انتظار می رود که عمر بازوی مارپیچی به پایان رسیده و شکل خود را از دست بدهد اما تقریبا همه کهکشان های مارپیچی عمری بیش از ۲ میلیارد سال دارند!

یک راه حل برای این معما ارائه شده و آن این است که تفاوت نیروی گرانش در این نوع از کهکشان ها می تواند ستارگان غبار و گاز موجود را بکشد و یا هل دهد این فعالیت باعث به وجود آمدن موج هایی می شود که شبیه به امواج صوتی می باشند. از آن جا که کهکشان در حال گردش است این امواج در یک مسیر مارپیچ حرکت می کنند و باعث تراکم چگالی در این مسیرهای مارپیچ می شوند.