ساختار کهکشان راه شیری و چگونگی کشف آن

هزاران سال است مردم معمای نوارهای باریکی را که در طول گنبد آسمان کشیده شده‌اند، در سر می‌پرورانند. در عصر جدید، گالیلئو گالیله به این نکته پی برد تعداد ستارگان راه شیری بی‌شمار است. هرچند، منجمان تا قرن بیستم موفق به کشف شکل‌گیری و ماهیت حقیقی آن نشدند.

رصد سوم من به ماهیت راه شیری مربوط می‌شود (…) اهمیتی ندارد شخصی کدام بخش آن‌ را مورد هدف قرار دهد، در هر صورت تعداد بی‌شماری ستاره می‌یابد که تعدادی از آن‌ها بسیار بزرگ و قابل توجه هستند؛ از سوی دیگر، تعداد ستارگان کوچک نیز غیرقابل شمارش است.

مردی در سال ۱۶۱۰ این جملات را نوشته بود. او با تلسکوپ خودساخته‌اش سرزمین‌هایی را مطالعه کرد که متعلق به این جهان نبودند و این کار او را به جایگاهی در تاریخ رساند. آن شخص گالیلئو گالیله بود.

چرخ آتشی: سیستم راه‌شیری، همانند یک مارپیچ غول‌پیکر است. ۲۰۰ میلیارد ستاره در این منظومه تخمین زده شده است. یکی از این ستاره‌ها خورشید است. اعتبار: Robert Hurt/SSC/Caltech/JPL/NASA Robert Hurt

سرزمین وصفی او در خارج از جهان ما بود. آن اسناد و مدارک تحت عنوان Sidereus Nuncius (پیام‌رسان ستاره‌ای) قرار گرفتند. ریاضی‌دان و منجم ایتالیایی مشاهدات خود را از اقمار مشتری، قمر زمین و نیز راه شیری در محتوای این اسناد ارائه می‌کند. تا آن زمان ماهیت آن‌ها ناشناخته بود و مهمتر از همه در زمره‌ی موضوعاتی از قبیل اسطوره‌شناسی قرار می‌گرفت. دموکریت، فیلسوف طبیعت‌گرای یونانی در قرن پنجم قبل از میلاد ادعا کرد باریکه‌های نور پراکنده در آسمان ستاره‌های بی‌شمار ضعیفی را شامل می شوند؛ بوشمن‌های کونگ آفریقایی از آن‌ها به نامستون‌ شب یاد می‌کنند.

سنگ آسیاب در گنبد آسمان

پس از کشف گالیله، هرچند، حدود ۱۵۰ سال از این ساختار آسمانی گذشت تا دوباره موضوع مطالعات علمی قرار گرفت. توماس رایت از کانتی دورام، معتقد بود ستاره‌ها در ناحیه‌ای تخت مشابه سنگ آسیاب مرتب شده‌اند و اینگونه در طول آسمان گسترده شده‌اند. از نظر توماس، راه شیری، جز تصویری از سنگ آسیاب نبود. امانوئل کانت، فیلسوف آلمانی از این نظریه استفاده کرد و در شرف کشف حقیقت قرار گرفت.

کانت در کتاب تاریخچه طبیعی عمومی و نظریه بهشت‌ها General Natural History and Theory of the Heavens که در سال ۱۷۵۵ منتشر شد، راه شیری را به‌صورت لایه‌ای بسیار رقیق و گسترده از ستاره‌ها تعریف کرد. خورشید، زمین و دیگر سیارات بخشی از این لایه بودند؛ اما نه در مرکز آن. بسته به افق دید ما، در طول لایه‌ی این صفحه یا به طور عمودی خارج از آن، تعداد مختلفی از ستاره‌ها را می‌بینیم.

خمیدگی: از کنار، کهکشان شبیه یک چرخ خمیده است. قطری به اندازه ۱۰۰،۰۰۰ سال نوری دارد و ضخامتش ۵۰۰۰ سال نوری است. پیرامون مرکز یک برآمدگی درخشان و کروی وجود دارد. اعتبار: Helmut Rohrer

اما منجمان از کجا می‌دانستند نمای آشکار و معلوم راه شیری در آسمان، واقعا ساختار فضایی واقعی آن را بازتاب می‌دهد یا نه؟ فردریش هرشل در اواخر قرن ۱۸ با آمار و ارقام ستاره‌ای حاصل از کار خود، راه حلی را عرضه کرد: هرشل مختصات و درخشندگی همه‌ی ستاره‌هایی را که می‌توانست باتلسکوپ خود ببیند، ثبت کرد. هرچند که این روند هم با شکست مواجه شد.

جدا از موثق نبودن اندازه‌گیری‌ها، با اینکه برای مثال،  تعیین کردن درخشش ظاهری ستاره ممکن بود؛ اما تعیین درخشندگی مطلق و درنتیجه فاصله‌ی آن‌ها ممکن نبود، یک مشکل اساسی دیگری هم وجود داشت: راه شیری پر ازمواد میان-ستاره‌ای، ابرهای غبار و گازی است. این مواد نور ستارگان را جذب می‌کنند، دید ناحیه مرکزی را تار می‌کنند و باعث می‌شوند ساختار کلیدی داخلی را نتوانیم ببینیم. به همین خاطر، آمار ستاره‌ای نمی‌تواند سیستم را به‌عنوان یک کل دربر بگیرد و فقط ناحیه‌ی اطراف خورشید را تا شعاع ۱۰ هزار سال نوری پوشش می‌دهد. پیشرفت در این زمینه تا اواسط قرن بیستم حاصل نشد؛ تا اینکه منجمان آموختند با استفاده از تلسکوپ‌های رادیویی با دید دیگری به آسمان نگاه کنند.

نگاهی به آن سوی پرده‌های غبار

هیدروژن از عناصر بسیار متداول در جهان است. هیدورژن خنثی (H1) به‌عنوان بخشی از مواد میان-ستاره‌ای فضای بین ستاره‌ها و حتی راه شیری را پر می‌کند؛ یعنی توزیع ابرهای گاز هیدوژنی از شکل کل سیستم تبعیت می‌کنند، درست همانطور که استخوان‌ها بدن انسان را شکل می‌دهند.

اما این ستون‌های (استخوان‌ها) کیهانی چگونه قابل رؤیت خواهند بود؟ پاسخ این سؤال در حیطه‌ی جهان در ابعاد نانو قرار می‌گیرد. در یک هیدروژن در حالت پایه، جهت اسپین هسته‌ی اتمی و الکترونی که حول آن می‌چرخد ناموازی هستند؛ اگر دو اتم هیدروژن با هم برخورد کنند، جهت اسپین هسته و الکترون ممکن است وارونه شود؛ تا اینکه با هم موازی شوند و بعد از یک زمان مشخصی، دوباره به حالت ناموازی پایه خود برمی‌گردند.

این فرایند انرژی‌ را به شکل تابش‌های امواج الکترومغناطیسی آزاد می‌کند. این خط در گستره رادیویی طیف الکترومغناطیس قرار می‌گیرد. مواد میان‌ستاره‌ای چگالی کمی دارند، با این حال اتم‌ها دائماً در حال برخورد هستند. این فرایند باعث می‌شود نواحی H1 در نور این خط هیدروژنی بدرخشند.

این تابش‌ به درون پرده‌های غبار تقریباً بدون مانع نفوذ می‌کند و با تلسکوپ‌های رادیویی قابل شناسایی هستند. با افق‌های جدید پیشِ روی ما، منجمان قادر به کشف ساختار مارپیچی راه شیری شده‌اند. در دهه ۱۹۷۰، پژوهشگران دریافتند هیدروژن به تنهایی نمی‌توانست شاخص مناسبی برای ریخت‌شناسی کهکشان باشد، زیرا، برای مثال، غلظت آن در بازوهای مارپیچی کمتر از انتظار است. بنابراین، تحقیقات از سر گرفته شد.

نمای نزدیک: این تصویر از بخش مرکزی راه شیری ناحیه‌ای به ابعاد ۱۰۰۰×۵۰۰ سال نوری را نشان می‌دهد. تلسکوپ MeerKAT واقع در آفریقای جنوبی این تصویر را گرفته است؛ سیستمی حاوی ۶۴ آنتن رادیویی. اعتبار: SARAO

بازوهای در حال حرکت

مهم‌ترین شاخص ما ابرهای میان‌ستاره‌ای مولکولی هستند. این ابرها تابش‌هایی در نور مونواکسید کربن (CO) نشر می‌کنند. به این ترتیب، رسیدن به تصویری از راه شیری به‌تدریج ممکن می‌شد. کهکشان (برگرفته از واژه یونانی gala به معنای شیر) یک چرخ خمیده با قطر ۱۰ هزار سال نوری و ضخامت ۵۰۰۰ سال نوری است. در مرکز این چرخ سیاه‌چاله‌ای قرار دارد. این ناحیه با توده‌ای کروی از ستاره‌ها با ساختاری سیگارمانند محاصره شده است.

در فاصله حدود ۱۵ هزار سال نوری از مرکز، علاوه بر ستاره‌ها، حلقه‌ای از ابرهای گازی و غبار وجود دارد. کهکشان با تعدادی بازو تعریف می‌شود. بیشتر آن‌ها به اسم صورت‌های فلکی هستند که می‌شناسیم: بازوهای قوس (Sagittarius) و برساووش (Perseus)، بازوهای گونیا (Norma) و سپر-قنطورس (Scutum-Crux)، بازوهای ۳-کیلوپارسک و بازوی ماکیان (Cygnus).

منظومه‌ی شمسی ما در بازوی جبار (Orion)، در فاصله ۲۶ هزار سال نوری از مرکز و تقریباً‌ روی صفحه‌ی اصلی قرار دارد. این منظومه ۲۰۰ میلیارد ستاره دارد و هاله‌‌ی کروی و ناحیه کروی آن را احاطه می‌کنند. هاله‌، هزاران خوشه‌ی ستاره‌ای گوی‌مانند را شامل می‌شوند و ناحیه‌ کروی پلاسمای هیدروژنی بسیار نازک دارد. کل کهکشان در حال چرخش است، اجرام نزدیک به مرکز سریع‌تر و اجرام دور نسبت به مرکز کندتر می‌چرخند. خمیدگی این چرخش افتراقی، بی‌نظمی‌هایی را نشان می‌دهد که تنها از طریق جرم قابل مشاهده توضیح‌پذیر نیست.

به نظر ماده‌ی تاریک نامرئی در این روند نقش دارد. منجمان با مسئله‌ی دیگری مواجهه‌اند: با وجود چرخش، بازوهای مارپیچی تغییر نمی‌کنند و شکل خود را میلیاردها سال حفظ کرده‌اند. یکی از توضیحات انتشار امواج شوکدر سراسر منظومه شمسی است. امواج شوک، ماده‌ی موجود در بازوهای مارپیچی را متراکم می‌کنند، مانند ترافیک موجود در بزرگراه. پژوهشگران هنوز نمی‌دانند چه عاملی این امواج چگالی را سبب می‌شود.