در طول این زمان بسیار طولانی، راه شیری دستخوش دگرگونیهای فراوانی شده و با کهکشانهای دیگر ادغام یافته است تا به کهکشانی تبدیل شود که امروز آن را میشناسیم. در یک پژوهش تازه، گروهی از اخترشناسان کانادایی دقیقترین بازسازیِ انجامشده تاکنون از روند تکامل کهکشان راه شیری را، از مراحل آغازین شکلگیری تا وضعیت کنونی آن، ارائه کردهاند. این گروه با استفاده از دادههای تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، به بررسی ۸۷۷ کهکشان پرداختهاند که جرم و ویژگیهای آنها شباهت زیادی به آنچه اخترشناسان انتظار دارند راه شیری در دورههای مختلف تاریخ خود داشته باشد، دارد؛ که به این کهکشانها «دوقلوهای راه شیری» گفته میشود.
کهکشانهای این نمونه، بازهٔ بسیار گستردهای از زمان کیهانی را در بر میگیرند؛ از زمانی که عمر جهان تنها ۱٫۵ میلیارد سال بوده تا زمانی که به ۱۰ میلیارد سال رسیده است (یعنی حدود ۱۲٫۳ تا ۳٫۵ میلیارد سال پیش). با مشاهدهٔ کهکشانهای دوردستتر ــ که متعلق به دوران جوانتر جهان هستند ــ پژوهشگران توانستند یک خط زمانی تصویری از تکامل کهکشان راه شیری ایجاد کنند. نتیجهای که آنها را شگفتزده کرد این بود که راه شیری در دوران جوانی خود، بسیار پرتلاطم و آشفتهتر از آن چیزی بوده که پیشتر تصور میشد، پیش از آنکه به مارپیچ پایدار و ساختارمند امروزی تبدیل شود.
سرپرستی این پژوهش را دکتر ویویَن تان بر عهده داشت؛ او این تحقیق را اندکی پس از پایان دورهٔ دکتری خود در دانشگاه یورک و تحت راهنمایی پروفسور آدام موزین انجام داد. در این پروژه، پژوهشگرانی از مؤسسهٔ دانلپ برای اخترشناسی و اخترفیزیک، مؤسسهٔ اخترفیزیک محاسباتی دانشگاه SMU، مؤسسهٔ اخترشناسی کاپتین، آزمایشگاه اخترفیزیک کلمبیا، مؤسسهٔ علمی تلسکوپ فضایی (STScI)، مرکز پژوهشی اخترشناسی و اخترفیزیک هرتزبرگ و چندین دانشگاه دیگر مشارکت داشتند. مقالهٔ علمی این پژوهش در نشریهٔ معتبر The Astrophysical Journal منتشر شده است.
بر اساس توالی هابل، اخترشناسان کهکشانها را با توجه به شکل ظاهریشان به سه گروه اصلی تقسیم میکنند: بیضوی، مارپیچی و مارپیچی میلهای. کهکشانهای بیضوی نمایانگر مراحل اولیهٔ تکامل هستند و معمولاً ساختار مشخص و مقدار قابل توجهی گاز و غبار میانستارهای ندارند. کهکشانهای عدسیشکل که مرحلهای میانی در تکامل کهکشانی به شمار میآیند، از یک برآمدگی مرکزی درخشان تشکیل شدهاند که توسط یک دیسک گسترده احاطه شده است. کهکشانهای مارپیچی که با شکل چرخمانند خود شناخته میشوند، دارای برآمدگی مرکزی و دیسکی تخت هستند که ستارگان در آن الگوی مارپیچی ایجاد میکنند. کهکشانهایی که در هیچیک از این دستهها نمیگنجند، با عنوان کهکشانهای نامنظم شناخته میشوند.
کهکشانهای موجود در این نمونه به دورهای بسیار کلیدی تعلق دارند؛ دورهای که در آن، کهکشانها از تودههای کوچک و بیضویشکل ستارهای به کهکشانهای دیسکی پایدار ــ که امروزه رایج هستند ــ تبدیل میشدند. برای انجام این پژوهش، تیم تحقیقاتی تصاویر با وضوح بالای تلسکوپ جیمز وب و همچنین تلسکوپ کهنهکار هابل را با هم ترکیب کرد تا سرشماری دقیقی از ۸۷۷ کهکشان اولیه انجام دهد. دادههای جیمز وب در قالب برنامهٔ رصدی کانادایی CANUCS (پیمایش خوشهای بیطرف NIRISS کانادا) به دست آمدهاند. این برنامه از ابزار تصویربردار و طیفسنج بدون شکاف فروسرخ نزدیک (NIRISS) تلسکوپ وب استفاده میکند.
این ابزار بهوسیلهٔ آژانس فضایی کانادا و با همکاری دانشگاه مونترآل، مرکز ملی پژوهشهای هرتزبرگ در اخترشناسی و اخترفیزیک و شرکت Honeywell Robotics ساخته شده است. برنامهٔ CANUCS با استفاده از NIRISS، پنج خوشهٔ کهکشانی را رصد میکند؛ این خوشهها بهعنوان عدسیهای گرانشی طبیعی عمل میکنند و به اخترشناسان اجازه میدهند که کهکشانهای بسیار کمنور و دوردست را مشاهده کنند.
پژوهشگران با ترکیب دادههای فروسرخ جیمز وب و مشاهدات نور مرئی هابل، برای هر کهکشان نقشههای تفکیکشدهٔ جرم ستارهای و نرخ شکلگیری ستاره (SFR) تهیه کردند. این نقشهها نشان میدهند که ستارگان موجود در کدام نواحی قرار دارند و ستارگان جدید در کدام بخشها و در چه دورههایی در حال شکلگیری بودهاند. نتایج حاکی از یک الگوی روشن در کل نمونه بود: دوقلوهای کهکشان راه شیری بین ۳ تا ۴ میلیارد سال پس از مهبانگ بهصورت رشد از درون به بیرون تکامل یافتهاند. آنها ابتدا با هستههای مرکزی متراکم شکل میگیرند و سپس از طریق ادغامها و شکلگیری ستارههای جدید، جرم خود را در نواحی بیرونی افزایش میدهند و بهتدریج ساختارهای مارپیچی گسترده را پدید میآورند.
در ادامه، تان و همکارانش از شبیهسازیهای پیشرفتهٔ رایانهای استفاده کردند که روند تکامل کهکشانهایی مشابه راه شیری را دنبال میکند. این شبیهسازیها تا حد زیادی مدل رشد از درون به بیرون را تأیید کردند، اما در برخی موارد نتوانستند تمرکز شدید جرم در نواحی مرکزی کهکشانهای اولیه یا سرعت بالای انباشت جرم در بخشهای بیرونی را بازتولید کنند. این نتایج محدودیتها و قیود ارزشمندی برای مدلهای نظری تکامل کهکشانی فراهم میکند و به درک بهتر سازوکارهایی مانند بازخورد، نرخ ادغامها و شکلگیری دیسکها کمک میکند.
دکتر تان در این باره میگوید: «اخترشناسان دهههاست که شکلگیری راه شیری و دیگر کهکشانهای مارپیچی را مدلسازی میکنند. شگفتانگیز است که اکنون با تلسکوپ جیمز وب میتوانیم این مدلها را بهطور مستقیم بیازماییم و ببینیم پیشسازهای راه شیری چگونه همزمان با خود جهان رشد کردهاند.»
یکی از نتایج مهم این پژوهش آن است که تاریخ اولیهٔ راه شیری آشوبناکتر از آن چیزی بوده که پیشتر تصور میشد. مشاهدات نشان میدهد که کهکشانها در این دوره بهطور مداوم در حال برخورد و جذب ماده بودهاند و همین امر باعث فورانهای شدید شکلگیری ستاره میشده است. این موضوع با شکلهای بهشدت آشفته و نامتقارن که در تصاویر مشاهده شده، تأیید میشود. در مقابل، دوقلوهای راه شیری در دورههای کیهانی بعدی بسیار پایدارتر به نظر میرسند و ساختارهایی هموارتر و توزیع یکنواختتری از شکلگیری ستاره دارند.
پروفسور آدام موزین، اخترفیزیکدان دانشگاه یورک و از نویسندگان این مقاله، میگوید: «این پژوهش گامی بسیار مهم در جهت درک مراحل اولیهٔ شکلگیری کهکشان ماست. البته هنوز به عمیقترین حد توان تلسکوپ نرسیدهایم. در سالهای آینده، با ترکیب دادههای جیمز وب و عدسیهای گرانشی، میتوانیم دوقلوهای راه شیری را نه در ۱۰ درصد سن کنونیشان، بلکه زمانی مشاهده کنیم که تنها ۳ درصد از سن فعلی خود را دارند؛ یعنی مراحل واقعاً جنینی شکلگیری آنها.»
این مطالعه نقطهٔ عطفی مهم برای همکاری CANUCS و دیگر اخترشناسان کانادایی فعال در پژوهشهای مرتبط با تلسکوپ جیمز وب به شمار میآید. در ادامه، تیم CANUCS در حال گسترش این تحقیق و ساخت تصویری کاملتر از چگونگی تکامل کهکشانهایی شبیه راه شیری است. این کار با ترکیب دادههای فوقالعاده دقیقتر و شبیهسازیهای بهروز انجام خواهد شد تا نمونههای بزرگتری از دوقلوهای راه شیری بررسی شوند. هدف نهایی آنها این است که بهدقت مشخص کنند کهکشانهایی مانند راه شیری چه زمانی به دیسکهای پایدار تبدیل شدند، این فرایند چه مدت طول کشید و چه فرایندهای فیزیکیای محرک این گذار بودهاند.
