نقشه‌های ستاره‌ای، تاریخچه پنهان راه شیری را آشکار می‌کنند

آوریل سال گذشته، مجموعه‌ی عظیمی از داده‌های مأموریت گایا (از سازمان فضایی اروپا یا به اختصار ESA) منتشر شد که طی پنج سال جمع‌آوری شده بودند. تیم امینا هلمی، ستاره‌شناس دانشگاه گرونیگن، با دیگر گروه‌های پژوهشی برای رسیدن به نتایج مفید از این داده‌ها به رقابت پرداختند.

هلمی و همکاران او با سرعت بالایی کار می‌کردند و حتی از هیجان زیاد نمی‌توانستند خواب مناسبی داشته باشند. این تیم یک مجموعه‌ی ۳۰ هزارتایی عجیب از ستاره‌ها را مشاهده کردند. برخلاف دیگر اجرام موجود در بدنه‌ی کهکشان راه شیری که در یک صفحه‌ی نسبتا مسطح می‌چرخند، این اجرام ناسازگار در جهت معکوس و به سمت خارج از صفحه‌ی کهکشانی در حال چرخش هستند.

آن‌ها تنها در طی چند هفته به این نتیجه رسیدند که این مجموعه‌ی ستاره‌ای درخشان می‌توانند به یک بخش طولانی و آشفته تاریخچه‌ی کهکشان راه شیری اشاره کنند: برخورد عظیم بین کهکشان جوان و یک جرم بسیار بزرگ. احتمالا این جرم مانند یک سیاره حول خورشید، به دورکهکشان راه شیری در حال چرخش بوده اما این دو در حدود ۸ الی ۱۱ میلیارد سال پیش به‌شدت با یکدیگر برخورد کردند و نتیجه‌ی این برخورد، تغییر دیسک کهکشانی و پراکندگی ستاره‌ها بوده است. این آخرین برخورد شناخته‌شده‌ی کهکشانی قبل از تبدیل شدن راه‌شیری به شکل مارپیچی کنونی است.

اگرچه سیگنال این برخورد عظیم و تاریخی به مدت میلیاردها سال مخفی بوده است، اما ستاره‌شناسان بالاخره ازطریق مجموعه داده‌های گایا موفق به کشف آن شدند. به‌لطف گایا این کشف‌های بزرگ، رایج‌تر خواهند شد. هدف این مأموریت، دسته‌بندی بیش از یک میلیون ستاره‌، ساخت نموداری از درخشش، دما، سن، موقعیت و سرعت اولیه‌ی آن‌ها است. دو ویژگی موقعیت مکانی و سرعت برای ستاره‌شناسان اهمیت زیادی دارند.

قبل از گایا، دانشمندان از اندازه‌گیری‌های دقیق فاصله‌ بسیاری از ستاره‌ها و همچنین حرکت خاص (حرکت خاص یک مقیاس ستاره‌شناسی برای اندازه‌گیری تغییرات موقعیت ستاره‌ها یا دیگر اجرام نجومی است) یا حرکت ستاره در آسمان محروم بودند. پژوهشگرها با این اطلاعات ارزشمند می‌توانند به شکار یک مجموعه از اجرام بپردازند (همان‌طور که هلمی و همکاران او این کار را انجام دادند) که در مسیرهای هماهنگ به حرکت می‌پردازند و می‌توانند پرده‌ای از راز مشترک کیهان بردارند.

آن‌ها همچنین می‌توانند از سرعت این ستاره‌ها برای ردیابی ماده‌ی تاریک استفاده کنند (ماده‌ی تاریک، ماده‌ای نامرئی و اسرارآمیز است که بیشترین جرم کهکشان را تشکیل می‌دهد و با جاذبه‌ی خود، مسیر ستاره‌ها را خمیده می‌کند).

از زمان انتشار داده‌های گایا در آوریل ۲۰۱۸، صدها مقاله در مورد این کشف منتشر شدند. این داده‌ها تصویری متغیر و پیچیده‌تر از کهکشان راه‌شیری را نشان می‌دهند. کهکشان راه‌شیری پر از شگفتی‌هایی مثل ردپاهایی از ماده‌ی تاریک است که به دانشمندان در پی بردن به خواص این ماده‌ی اسرارآمیز کمک می‌کنند. به‌گفته‌ی ستاره‌شناس واسیلی بلوکوروف از دانشگاه کمبریج بریتانیا، یافته‌های اولیه‌ی گایا انقلابی هستند؛ اگرچه این داده‌ها تنها بخش کوچکی از داده‌های آینده هستند که نگاه ما را به کهکشان راه‌شیری تغییر خواهند داد.

گذشته‌ی آشفته

منظومه‌ی شمسی با فاصله‌ی ۲۶ هزار سال نوری از مرکز کهکشان، در فاصله‌ی نسبتا دوری از مرکز و روی بازوی مارپیچی دوم معروف به اوریون قرار دارد. ستاره‌شناسان از این نقطه با نگاه کردن به نوار ستاره‌ای که در کل آسمان شب کشیده شده است، به تهیه‌ی نقشه از ساختار کهکشان می‌پردازند.

در اواسط قرن بیستم، ستاره‌شناسان نقشه‌ای را طراحی کردند که نشان می‌داد ستاره‌های کهکشان راه شیری در یک برآمدگی مرکزی توزیع شده‌اند و با بازوهای مارپیچی ستاره‌ای و یک هاله‌ی بیضی شکل باریک احاطه شده‌اند. در دهه‌ی ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ پژوهشگرها به این نتیجه رسیدند که  شکل‌گیری این ساختار با ابر وسیعی از ماده‌ی تاریک، گاز و غبار آغاز شده است.

در مرحله‌ی بعد اجزای مرئی در یک ساختار دیسک مانند دچار فروپاشی شدند و سپس توسط کهکشان‌های ماهواره‌ای بلعیده و متراکم شدند (کهکشان ماهواره‌ای یک کهکشان همراه کوچک است که روی مدار یک کهکشان میزبان بزرگ می‌چرخد). در مرحله‌ی بعد ستاره‌شناس‌ها جزییات را با استفاده از تلسکوپ‌های زمینی و عکاسی از آسمان شب، در نقشه‌ی خود وارد کردند.

چنین بررسی‌هایی به دانشمندان اجازه می‌دهد اجرام کهکشانی عظیم مانند هاله‌ی ستاره‌ای را با دقت بیشتری ببینند. هاله‌ی ستاره‌ای به گروهی کروی شکل از ستاره‌ها و خوشه‌ها گفته می‌شود که در اطراف کهکشان‌های دیسک‌مانند دیده می‌شوند. این هاله به خارج از روشن‌ترین مناطق کهکشانی کشیده می‌شود و معمولا شامل کهنسال‌ترین و فلزی‌ترین ستاره‌ها است.

تلسکوپ‌های مستقر در زمین صرفا اطلاعاتی را در مورد ساختار کهکشان راه‌شیری می‌دهند و جو زمین مانع از دریافت داده‌های دقیق ستاره‌های دوردست می‌شود. اگرچه سرعت حرکت ستاره به سمت زمین را می‌توان براساس تغییرات رنگ اندازه‌گیری کرد، اندازه‌گیری حرکت خاص و سرعت اولیه‌ی آن‌ها دشوار است زیرا سرعت اجرام در آسمان شب از دید ناظر انسانی بسیار پائین است. این مشکل، باعث پیچیدگی درک روابط بین ستاره‌ها شده است (این روابط را می‌توان براساس شباهت حرکت ستارگان اندازه‌گیری کرد).

هدف مأموریت ۸۴۴ میلیون‌دلاری گایا (این مأموریت در سال ۲۰۰۰ تصویب شد و ۱۳ سال بعد به اجرا درآمد) پر کردن این شکاف‌ها بود. فضاپیمای گایا در فاصله‌ی دورتری نسبت به زمین، به دور خورشید می‌چرخد و در موقعیت‌های مختلف مدار خود به ثبت ستاره‌ها می‌پردازد.

ستاره‌شناس‌ها می‌توانند ازطریق کمیتی به‌نام زاویه‌ی شکست نور یاپارالاکس ستاره‌ای به اندازه‌گیری فاصله‌ها بپردازند (پارالاکس ستاره‌ای به جابه‌جایی‌های بی‌نهایت کوچک موقعیت یک جرم در آسمان گفته می‌شود که با تغییراتی در زاویه‌ی دید آن همراه است). ماهواره‌ی هیپارکوس از سازمان فضایی اروپا (بین ۱۹۸۹ و ۱۹۹۳ به فعالیت می‌پرداخت) داده‌های مشابهی را از ستاره‌ها جمع‌آوری کرده بود؛ اما دقت گایا، صد برابر بیشتر است. این فضاپیما به‌لطف حساسیت بالا می‌تواند در اعماق کهکشان به جست‌وجو و کاوش بپردازد. گایا تاکنون موفق به رصد بیش از یک میلیارد ستاره شده است که قبلا هرگز فواصل دقیق آن‌ها محاسبه نشده بود.

پژوهشگرهای گایا در یک مأموریت محاسباتی دقیق، به تهیه‌ی یک نقشه از موقعیت ستاره‌ها نسبت به یکدیگر در رصدهای تلسکوپی پرداختند. آن‌ها با این روش موفق به اندازه‌گیری سرعت ستاره‌ها در آسمان شدند. سپس می‌توانند با اندازه‌گیری جابه‌جایی‌ها و تغییرات کوچک رنگ ستاره‌ها، اطلاعاتی را در مورد حرکت و سرعت اجرام به دست آورند.

دانشمندان با ترکیب‌ این اندازه‌گیری‌ها به حرکت سه‌بعدی و کامل ستاره‌ها پی می‌برند. گایا می‌تواند حرکت افق دید را برای درخشان‌ترین ستاره‌ها اندازه‌گیری کند. از طرفی تلسکوپ‌های مستقر در زمین هم به اندازه‌گیری سایر ستاره‌ها کمک می‌کنند. پژوهشگرها با پی بردن به موقعیت و حرکت هر ستاره می‌توانند به رازهای پنهان کهکشان راه‌شیری پی ببرند.

یکی از دستاوردهای گایا پی بردن به برخورد عظیم کهکشان توسط هلمی و همکاران او بود. براساس شواهد، مجموعه ستاره‌هایی که توسط گروه هلمی رصد شدند، دارای یک منشأ مشترک هستند. از سوی دیگر داده‌های تلسکوپ زمینی SDSS (نقشه‌برداری آسمانی دیجیتال اسلون)نشان می‌دهد این ستاره‌ها ترکیب شیمیایی مشابهی دارند. تیم هلمی نام گایا انسلادوس را برای کهکشان کوتوله‌ای انتخاب کردند که تصور می‌شود میزبان این گروه ستاره‌‌ای است. در اساطیر یونان، انسلادوس غولی بود که از گایا هبوط کرد.

بلوکوروف و همکاران او هم با استفاده از اولین مجموعه‌ داده‌های گایا در سال ۲۰۱۶ موفق به کشف شواهدی از این برخورد شدند. این داده‌ها شامل حرکت‌های خاص نبودند، اما دانشمندان ازطریق مقایسه‌ی موقعیت‌ ستاره‌ها براساس رصدهای یک دهه پیش تلسکوپ SDSS با داده‌های جدید، به بررسی حرکت ستاره‌ها در بازه‌ی برخورد پرداختند.

آن‌ها شاهد گروهی از اجرام بودند که روی مدارهای نامتعارف حرکت می‌کردند و به‌تدریج به سمت حاشیه‌ی کهکشان هدایت می‌شدند. به نظر می‌رسید یک برخورد عظیم منشأ این حرکت‌ها باشد و ستاره‌ها هم به‌دلیل ترکیب‌ فلزی مشابه تاریخچه‌ی یکسانی داشته باشند. دانشمندان با تهیه‌ی نقشه‌ای از سرعت‌ اولیه‌ی ستاره‌ها به یک شکل سوسیس‌مانند رسیدند و به این نتیجه رسیدند که یک کهکشان کوتوله میزبان این گروه ستاره‌ای سوسیس شکل بوده است.

نام‌گذاری مجدد این توده، باعث ایجاد آشفتگی و گیج شدن مخاطب‌ها شده است؛ اما این ادغام‌کننده‌ یا برخورد کهن هر اسمی که داشته باشد، می‌تواند سرنخی برای پی بردن به راز کهکشان راه شیری باشد. دیسک کهکشانی دارای دو بخش است (یک دیسک داخلی باریک شامل گاز، غبار و ستاره‌های جوانی که مانند یک بیسکوییت کرم‌دار داخل یک دیسک ضخیم خارجی قرار گرفته‌اند. دیسک خارجی از ستاره‌های قدیمی‌تر تشکیل شده است).

حالا این سؤال مطرح شده که آیا در ابتدا دیسک ضخیم از گاز و غبار تشکیل شده و سپس هسته‌ی باریک آن به وجود آمده است یا اینکه در ابتدا دیسک باریک شکل گرفته و سپس منبسط شده است. توده‌ی سوسیس شکل گایا، انسلادوس بخش زیادی از راه‌شیری را در طول برخورد تشکیل می‌داده؛ به همین دلیل پس از برخورد انرژی زیادی در دیسک کهکشانی آزادشده، منجر به افزایش دما و انبساط این دیسک شده است. گروه هلمی این رویداد را به‌عنوان یک نقطه‌ی شاخص در سناریو انبساط و اثباتی برای انحراف چشم‌گیر کهکشان راه‌شیری می‌دانند.

انفجار اطلاعات

سرعت بالای نتیجه‌گیری از داده‌های گایا، پژوهشگران را شگفت‌زده کرده است. ستاره‌شناسی به‌نام کاترین جانستون از دانشگاه کلمبیای نیویورک، درست یک روز پس از انتشار داده‌های گایا در ماه آوریل، مقاله‌ای جنجالی را منتشر کرد، این مقاله به حرکت تقریبا ۶ میلیون ستاره نزدیک به خورشید اشاره می‌کند که درست هماهنگ با الگوی مارپیچی و عجیب لاک حلزون است.

به‌گفته‌ی جانستون این الگو، مانند اثر انگشتی است که توسط یک کهکشان ماهواره‌ای کوچک موسوم به ساگیتاریوس حک شده است. با هر بار حرکت نزولی ساگیتاریوس، ستاره‌های کهکشانی توزیع می‌شوند و این روند منجر به ایجاد نوسان و لرزش در دیسک کهکشانی می‌شود. پژوهشگرها قبلا در مورد این نشانه‌ها به بحث و بررسی پرداخته‌اند اما به نظر می‌رسد داده‌های گایا اولین نشانه‌ی شفاف از تأثیر ساگیتاریوس باشند. جانستون می‌گوید:

برای من این لحظه بسیار شگفت‌انگیز است. این مارپیچ بسیار تمیز و شفاف است؛ مانند یک پیشگویی تئوری از یک شبیه‌سازی ایده‌آل به نظر می‌رسد نه نقشه‌ی داده‌ای واقعی.

به‌لطف چشمان گایا، می‌توان این آشفتگی‌ها را به‌سادگی رصد کرد. این بی‌نظمی‌ها روایتگر داستانی متفاوت درباره‌ی گذشته‌ی کهکشان راه‌شیری هستند. قبلا اغلب ستاره‌شناسان تصور می‌کردند بااینکه هاله‌ی خارجی راه‌شیری سابقه‌ی برخورد با ماهواره‌های کوچک‌تر را دارد اما بخش عظیم آن زندگی آرامی را تجربه کرده‌اند.

ویژگی‌هایی مثل بازوهای مارپیچی و نوار ستاره‌هایی ک تصور می‌شود از برآمدگی مرکزی عبور می‌کنند، نتیجه‌ی تغییرات داخلی راه شیری هستند؛ اما نوسان‌هایی که به نظر می‌رسد توسط ساگیتاریوس به وجود آمده‌اند، نشان می‌دهند نیروهای خارجی نسبت به آنچه قبلا تصور می‌شد، تأثیر بیشتری بر شکل راه‌شیری داشته‌اند.

به‌گفته‌ی پرایس ولان، اخترفیزیک‌دان دانشگاه پرینستون، پژوهشگرها با بررسی داده‌ها گایا به این نتیجه می‌رسند که باید در فرضیه‌های متداول مدل‌سازی و ساده‌سازی آن‌ها بازنگری کنند. او می‌گوید:

از خطای این فرضیه‌ها آگاهیم؛ اما امروز گایا به ما نشان می‌دهد این فرضیه‌ها تا چه اندازه اشتباه بوده‌اند.

تهیه‌ی نقشه از سمت تاریک

نقشه‌برداری از اجرام درخشان راه شیری می‌تواند به شناسایی ماده‌ی تاریک کمک کند؛ ماده‌ای که بیش از ۹۰ درصد جرم کهکشان را تشکیل می‌دهد. براساس یک نظریه، کهکشان راه‌شیری در یک هاله‌ی بیضی شکل و عظیم از ماده‌ی تاریک قرار دارد که مانند ماده‌ی معمولی بر اثر جاذبه متراکم شده است. براساس شبیه‌سازی‌های کیهانی هزاران توده‌ی ماده‌ی تاریک به دور کهکشان در حال چرخش هستند که گاهی اوقات توسط ماده‌ی تاریک مرکز کهکشان بلعیده می‌شوند. این فرایند مشابه بلعیده‌ شدن ماهواره‌های مرئی توسط کهکشان راه‌شیری است.

ممکن است بخش زیادی از زیرساختارهای ماده‌ی تاریک دارای تعداد کمی ستاره یا حتی فاقد هیچ ستاره‌ای باشند؛ اما گایا نشانه‌ای از GD-1 پیدا کرده است، GD-1 رشته‌ای طویل از ستاره‌هایی است که در سال ۲۰۰۶ کشف شدند و نیمی از آسمان شمالی را در بر می‌گیرند. این رشته‌ی ستاره‌ای پدیده‌ی جدید یا عجیبی نیست؛ اما پرایس والن و آنا بوناکا در مرکز اخترفیزیک هاروارد اسمیتسونیان (در کمبریج ماساچوست) مأمور بررسی دقیق‌تر آن شده‌اند.

نوامبر گذشته این دو ستاره‌شناس به همراه دو همکار دیگر خود موفق به شناسایی ویژگی‌های ساختاری از جمله یک شکاف شدند. این شکاف می‌تواند خراش ناشی از برخورد عظیم کهکشان با یک جرم بزرگ در حدود ۵۰۰ میلیون سال قبل باشد. با عبور این مزاحم از رشته‌ی ستاره‌ای، قطاری از ستاره‌ها بر اثر کشش جاذبه‌ای از همراهان خود جلو افتاده‌اند.

به‌گفته‌ی بوناکا محتمل‌ترین دلیل این مسئله می‌تواند توده‌ی متراکمماده‌ی تاریک باشد که احتمالا جرم آن ۱ میلیون تا ۱۰۰ میلیون برابر جرم خورشید است. این تخمین مقدمه‌ای برای مفاهیم جدید مدل‌های فیزیکی ماده‌ی تاریک خواهد بود. جرم ذرات ماده‌ی ‌تاریک، میزان سرعت و اندازه‌ی خوشه‌های ستاره‌ای وابسته به آن را تعیین می‌کند. به میزان سرعت و اندازه‌ی خوشه‌های وابسته به آن کمک می‌کند. به‌گفته‌ی بوناکا، محدوده‌ی اندازه‌ی GD-1 مناسب است و می‌تواند کاندیدهای کم جرم ماده‌ی تاریک را حذف کند.

هدف بوناکا و تیم او استفاده از داده‌های گایا برای تعیین سرعت اولیه‌ی ستاره‌های توزیع‌شده در رشته‌ی ستاره‌ای است؛ نتیجه‌ی این بررسی می‌تواند شواهدی از مدار توده‌ی ماده‌ی تاریک فراهم کند. اگر آن‌ها بتوانند یافته‌های امروز خود را ثابت کنند، می‌توانند تأثیرات گرانشی بر مواد دیگر را هم آشکار کنند.

این احتمال نیز وجود دارد که آن‌ها تلسکوپ‌های اشعه‌ی گاما را به‌گونه‌ای آموزش دهند که به وجود مواد تاریک که یکدیگر را از بین می‌برند، پی ببرند؛ این فرآیندها معمولا منجر به نشر فوتون‌های پرانرژی می‌شوند. هر کدام از این روش‌ها می‌توانند کاوش مستقیمی برای پی بردن به خواص این ماده‌ی نامرئی باشند.

پرایس والن معتقد است نتیجه‌گیری صرفا از یک مثال یا یک کشف کار دشواری است. او امیدوار است بررسی‌های سیستماتیک مجموعه‌ی گایا و رصدهای آینده (از جمله رصدهای تلسکوپ زمینی سینوپتیکی در شیلی که انتظار می‌رود در اوایل دهه‌ی ۲۰۲۰ به جمع‌آوری داده‌ها بپردازد) ستاره‌های کم‌نورتر و دیگر رشته‌های ستاره‌ای را آشکار کنند.

اگر این رشته‌ها نشانه‌هایی از برخورد با توده‌های ماده‌ی تاریک را آشکار کنند، ستاره‌شناس‌ها شواهد بهتری برای بررسی فراوانی و اندازه‌ی خوشه‌های ستاره‌ای و در نتیجه پی‌ بردن به ویژگی‌های ماده‌ی تاریک به دست خواهند آورد.

ستاره‌شناسان امیدوارند با استفاده‌ی داده‌های گایا در رابطه با حرکت‌های ستاره‌ای به یک نقشه‌ی کلی از سمت تاریک کهکشان برسند. براساس نوع ذرات، میزان تقارن و کروی بودن هاله‌ی ماده‌ی تاریک متفاوت است. بلوکوروف امیدوار است اطلاعات گایا از مدارهای ستاره‌ای محلی برای ردیابی جرم و شکل هاله‌ی ماده‌ی تاریک در ۲ تا ۴ سال آینده کافی باشند.

این یافته‌ها در مورد راه‌شیری منحصر‌به‌فرد هستند. نتایج به‌دست‌آمده از تاریخچه‌ی راه شیری و توزیع ماده‌ی تاریک به مدل‌های کیهانی بازمی‌گردند که برای بررسی رشد و تغییر ساختارهای بزرگ کیهان به کار می‌روند. مأموریت گایا تا انتهای سال ۲۰۲۰ تمدید شده است و ستاره‌شناسی به‌نام آنتونی براون از دانشگاه لیدن هلند (کرسی‌دار کنسرسیوم تحلیل و پردازش‌داده‌های مأموریت) معتقد است ماهواره‌ی گایا می‌تواند تا انتهای سال ۲۰۲۴ یعنی تا تکمیل یک دوره‌ی ده ساله به مأموریت خود ادامه دهد. به عقیده‌ی براون با تمدید این مأموریت، دقت داده‌های مربوط‌به حرکت خاص ستارگان بالا می‌رود و همچنین اطلاعاتی در مورد ستاره‌های دورتر به دست خواهد آمد.

گایا میراث قابل‌توجهی را از خود به‌جای گذاشته است. داده‌های مربوط‌به بررسی‌های تمام‌نما مانند داده‌هایی که توسط SDSS اجرا شدند، اکتشافات مفیدی را در مورد یک دهه پس از تکمیل کیهان ارائه می‌دهند. با توسعه‌ی کاتالوگ گایا و افزایش جزییات آن، هلمی به‌دنبال بررسی دقیق‌تر تاریخچه‌ی راه‌ شیری است.