توده‌های پنهان در کهکشان ما؛ راه شیری از آنچه فکر می‌کردیم پیچیده‌تر است

اخترشناسان روشی نو برای ترسیم دقیق نقشه دیسک گازی بیرونی کهکشان راه شیری یافته‌اند؛ آن‌ها از موقعیت ستارگان جوان برای این کار استفاده کرده‌اند. در این فرآیند، آن‌ها دریافتند که ساختار کهکشان ما بسیار پیچیده‌تر از چیزی است که تاکنون تصور می‌شد، و شامل ابرهایی از گاز است که ظاهری پرزدار و توده‌توده دارند — پدیده‌ای که از آن با عنوان گاز “پرزدار” یا flocculent یاد می‌شود.

«سوکانیا چاکرابارتی» از دانشگاه آلاباما و «پیتر کریگ» اخترشناس دانشگاه ایالتی میشیگان، با اندازه‌گیری فاصله‌ی ستارگان بسیار جوان در دیسک بیرونی کهکشان، نقشه‌ای از گاز هیدروژن این ناحیه ترسیم کرده‌اند. آن‌ها برای این منظور از داده‌های ماهواره گایا متعلق به آژانس فضایی اروپا بهره گرفتند؛ ماهواره‌ای که روشنایی، موقعیت، حرکت و فاصله‌ی نزدیک به دو میلیارد ستاره را در کهکشان راه شیری اندازه‌گیری کرده است. از میان این ویژگی‌ها، فاصله مهم‌ترین عامل برای ترسیم نقشه توزیع گاز است.

چاکرابارتی می‌گوید: «فاصله یکی از بنیادی‌ترین چیزهایی است که در جهان می‌توان اندازه‌گیری کرد، و برای اخترشناسی نقش پایه‌ای دارد. اگر فاصله‌ها را ندانید، نمی‌توانید چیزی را نقشه‌برداری کنید. نقشه‌ی دانشگاه برکلی بر اساس روش سنتی به‌نام “فاصله‌های حرکتی” تهیه شده بود که به‌طور ضمنی یک مدل برای میدان سرعت کهکشان را در نظر می‌گیرد.»

اهمیت اندازه‌گیری دقیق فاصله

نقشه‌برداری از مناطقی که سرشار از گاز هیدروژن (HI) هستند، برای درک ساختار و پویایی راه شیری اهمیت بالایی دارد. دانستن محل و مقدار این گازها می‌تواند دیدگاه ما درباره‌ی فرآیند شکل‌گیری ستارگان، فراوانی سامانه‌های پرتوی ایکس (که معمولاً در بازوهای مارپیچی یافت می‌شوند) و مدل‌سازی دقیق تابش‌های گاما در محیط میان‌ستاره‌ای را دگرگون کند.

اما اندازه‌گیری فاصله در کهکشان چالش‌برانگیز است. تعیین موقعیت اجرام آسمانی — و شکل کلی کهکشان — وابسته به اندازه‌گیری دقیق موقعیت و سرعت آن‌هاست. راه شیری سامانه‌ای چرخان و پیچیده است؛ ستارگان و سحابی‌های آن هر یک در فاصله‌ای خاص به دور مرکز می‌گردند و حرکت‌های مستقل خود را دارند. یکی از داده‌های کلیدی برای این اندازه‌گیری، سرعت شعاعی (radial velocity) اجرام است — یعنی سرعت حرکت آن‌ها به سمت ما یا دور شدن از ما، که با استفاده از اثر داپلر نور آن‌ها محاسبه می‌شود. از این داده‌ها، اخترشناسان منحنی چرخش کهکشان را استخراج می‌کنند.

چاکرابارتی توضیح می‌دهد که این روش برای برخی اجرام ستاره‌ای خوب عمل می‌کند، اما برای گازها چندان کارآمد نیست. «در مورد ستارگان، روش‌های خوبی برای اندازه‌گیری وجود دارد. اما برای گاز، عملاً هیچ چیز مطمئنی نداریم.»

نقشه‌برداری دقیق‌تر با تطبیق الگوها و استفاده از ستارگان تپنده

او و کریگ تصمیم گرفتند راهی بهتر برای ترسیم نقشه ابرهای گازی پیدا کنند. چاکرابارتی می‌گوید: «ساختار ستارگان هموارتر از ساختار گاز است. گاز ظاهری پرزدار و ناپایدار دارد.»

اندازه‌گیری‌های حرکتی می‌توانند دقت پایینی داشته باشند، زیرا به فرض‌هایی درباره‌ی منحنی چرخش دیسک وابسته‌اند. در برخی مناطق کهکشان، مانند بازوهای مارپیچی، مدل‌های سرعت‌ دقت لازم را ندارند و همین باعث می‌شود فاصله‌ها به‌صورت سیستماتیک اشتباه برآورد شوند و نقشه‌های گازی اشتباهی تولید گردد.

برای حل این مشکل، آن‌ها به سراغ مقایسه‌ی الگوها در کهکشان‌های دیگر رفتند. آن‌ها دریافتند ساختار مارپیچی در گاز کهکشان‌های نزدیک، بسیار شبیه به ساختار مارپیچی ستارگان جوان (با سن کمتر از ۴۰۰ میلیون سال) است. چاکرابارتی توضیح می‌دهد: «این موضوع عجیب نیست، چون ستارگان جوان از همین گازها شکل می‌گیرند و الگوی مکانی‌شان شبیه هم باقی می‌ماند.»

نقش ستارگان متغیر قیفاووسی

روش تطبیق الگو، با جفت‌سازی موقعیت ستارگان جوان و توده‌های گازی اطراف آن‌ها، نقشه‌ای دقیق‌تر ارائه می‌دهد که دیگر وابسته به خطاهای روش کینماتیکی نیست. برای تعیین دقیق فاصله‌ها، آن‌ها از ستارگان متغیر قیفاووسی (Cepheid variables) بهره گرفتند. این ستارگان با الگویی منظم می‌تپند و روشنایی‌شان در بازه‌هایی مشخص تغییر می‌کند. اخترشناسان می‌توانند با استفاده از رابطه‌ی بین دوره‌ی تپش و درخشندگی ذاتی، فاصله آن‌ها را با دقت بالا محاسبه کنند. این همان روشی است که «ادوین هابل» با آن نشان داد که کهکشان آندرومدا در خارج از راه شیری است.

کشف ساختار پرزدار و پیچیده راه شیری

روش جدید چاکرابارتی و کریگ — ترکیب تطبیق الگو با اندازه‌گیری دقیق فاصله ستارگان — به آن‌ها امکان داد که ابرهای گازی در دیسک بیرونی راه شیری را با دقت بیشتری بررسی کنند. آن‌ها نشان دادند که این ابرها بسیار پرزدارتر و توده‌ای‌تر از آن چیزی هستند که قبلاً تصور می‌شد.

کریگ می‌گوید: «نقشه‌های جدید ما به‌خوبی نشان می‌دهند که ساختار مارپیچی در دیسک گازی راه شیری بسیار flocculent (پرزدار و تکه‌تکه) است و کل ساختار دیسک پیچیده‌تر از مدل‌های ساده‌ی چرخش است. این روش می‌تواند ویژگی‌هایی از گاز را آشکار کند که با مدل‌های ساده‌ی چرخش نادیده گرفته می‌شوند.»

علاوه بر این، آن‌ها در مقاله خود اشاره می‌کنند که دقت بیشتر در فاصله‌ها می‌تواند نقشه‌های سه‌بعدی دقیق‌تری از غبار در سراسر کهکشان ارائه دهد — نه فقط در نواحی نزدیک خورشید. همچنین، نقشه‌برداری دقیق‌تر به اخترشناسان کمک می‌کند تا اختلالات در دیسک کهکشانی — از جمله اثرات برخورد کهکشان‌های کوتوله‌ی اطراف یا تأثیر ماده‌ی تاریک — را بهتر شناسایی کنند.