اخترفیزیک‌دانان سرانجام به پاسخ‌هایی درباره چگونگی شکل‌گیری بزرگ‌ترین کهکشان‌ها رسیدند

من و همکارانم به تازگی یکی از معماهای دیرپای اخترفیزیک را حل کرده‌ایم: چگونه کهکشان‌های بیضوی عظیم شکل می‌گیرند.
اکنون، برای اولین بار، شواهد رصدی محکمی داریم که پاسخی ارائه می‌دهد. نتایج ما اخیراً در مجله Nature منتشر شده است.

کهکشان‌های موجود در جهان امروزی به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:

• کهکشان‌های مارپیچی، مانند کهکشان راه شیری، که پر از گاز هستند و به طور مداوم ستاره‌هایی را در دیسک‌های چرخشی خود شکل می‌دهند.
• کهکشان‌های بیضوی، که بزرگ و کروی هستند و شبیه توپ راگبی به نظر می‌رسند.

کهکشان‌های بیضوی ستاره‌های جدید تولید نمی‌کنند و عمدتاً از ستارگانی تشکیل شده‌اند که بیش از ۱۰ میلیارد سال پیش به وجود آمده‌اند.

توضیح شکل‌گیری کهکشان‌های بیضوی همواره چالشی برای مدل‌های کیهان‌شناختی بوده است که تکامل کیهان از مهبانگ تا کنون را توصیف می‌کنند. یکی از چالش‌ها این است که تصور می‌شد شکل‌گیری ستاره‌ها در دوره‌ای که این کهکشان‌های بیضوی به وجود آمدند (۱۰ تا ۱۲ میلیارد سال پیش)، در دیسک‌های بزرگ چرخشی شبیه کهکشان راه شیری رخ می‌دهد.
پس چگونه این کهکشان‌ها از دیسک‌های تخت به کهکشان‌های سه‌بعدی بیضوی تبدیل شدند؟

مشاهدات با آلما (ALMA)

ما با تحلیل داده‌های رصدخانه میلی‌متری/زیرمیلی‌متری بزرگ آتاکاما (ALMA) محل تولد کهکشان‌های بیضوی غول‌پیکر را شناسایی کردیم.
ما کشف کردیم که کهکشان‌های بیضوی محلی می‌توانند از طریق دوره‌های کوتاه و شدید شکل‌گیری ستاره‌ها در اوایل جهان شکل بگیرند، نه این‌که به‌صورت دیسک چرخشی آغاز شوند و به تدریج بیضوی شوند.

مطالعه ما توزیع غبار در بیش از ۱۰۰ کهکشان دوردست را بررسی کرد، که می‌دانیم زمانی که جهان بین ۲.۲ تا ۵.۹ میلیارد سال قدمت داشت، تعداد زیادی ستاره تولید می‌کردند.
غبار وجود گاز را نشان می‌دهد – ماده‌ای که ستاره‌های جدید از آن تشکیل می‌شوند – و به ما اجازه می‌دهد مناطقی را در یک کهکشان مطالعه کنیم که به‌طور فعال ستاره‌های جدید می‌سازند.

با استفاده از یک تکنیک رصدی نوین، دریافتیم که غبار در این کهکشان‌های دور بسیار فشرده است و برخلاف انتظار ما از کهکشان‌های دیسکی تخت است. افزون بر این، توانستیم هندسه سه‌بعدی مناطق انتشار غبار را استنباط کنیم.
این تحلیل نشان داد که بیشتر کهکشان‌های ستاره‌ساز اولیه در واقع کروی بودند، نه دیسکی شکل. در حقیقت، آن‌ها شباهت زیادی به کهکشان‌های بیضوی نزدیک به ما دارند.

شبیه‌سازی‌های کیهان‌شناختی

برای تفسیر این نتایج رصدی و درک مکانیسم‌های فیزیکی پشت این پدیده، از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری کیهان‌شناختی استفاده کردیم.
تحلیل ما نشان می‌دهد که عمل همزمان جریان‌های گاز سرد از کهکشان‌های اطراف به همراه تعاملات کهکشانی و ادغام‌ها می‌توانند گاز و غبار را به هسته‌های فشرده ستاره‌ساز درون این کهکشان‌ها هدایت کنند. این فرآیند در جهان اولیه رایج بود و توضیحی کلیدی برای شکل‌گیری سریع کهکشان‌های بیضوی ارائه می‌دهد.

تکنیک نوین رصدی

این کشف به لطف یک تکنیک جدید برای تحلیل داده‌های ALMA ممکن شد. داده‌های آلما متفاوت از تصاویر تلسکوپ‌های نوری معمولی هستند. آلما با ترکیب سیگنال‌های چندین آنتن که به‌صورت یک تلسکوپ غول‌پیکر عمل می‌کنند، کار می‌کند.
این تکنیک که به نام تداخل‌سنجی شناخته می‌شود، امکان به دست آوردن تصاویر دقیق از کهکشان‌های دوردست را فراهم می‌کند، اما تحلیل داده‌ها پیچیده‌تر از تصاویر نوری سنتی است.

برای این پژوهش از داده‌های آرشیوی و دسترسی آزاد آلما استفاده کردیم که طی سال‌ها جمع‌آوری شده بودند. این موضوع نشان‌دهنده قدرت داده‌های متن‌باز و همکاری‌های جهانی در پیشبرد اکتشافات علمی است.

مشاهدات آینده

رصدهای آینده با تلسکوپ‌های فضایی JWST و Euclid توزیع ستارگان در اجداد دور کهکشان‌های بیضوی امروزی را به طور دقیق‌تر ترسیم خواهند کرد. همچنین، تلسکوپ بسیار بزرگ (ELT) با آینه ۳۹ متری خود، جزئیات بی‌سابقه‌ای از هسته‌های ستاره‌ساز در کهکشان‌های دور فراهم خواهد کرد.
مشاهدات دقیق‌تر دینامیک گاز با آلما و تلسکوپ بسیار بزرگ نشان خواهد داد که چگونه گاز به سمت مرکز کهکشان‌ها حرکت می‌کند، شکل‌گیری ستاره‌ها را تغذیه می‌کند و شکل کهکشان‌هایی که امروز می‌بینیم را تعیین می‌کند.