علوم پایه، فیزیک، نجوم 676 بازدید

در مطالب قبلی ساختار کهکشان راه شیری و ستارگان کهکشان راه شیری را مورد بررسی قرار دادیم. در این مطلب قصد داریم در مورد اصلی‌ترین اجزای کهکشان راه شیری صحبت کنیم و آن‌ها را معرفی کنیم. اگر می‌خواهید اطلاعات‌تان در مورد کهکشانی که در آن سکونت دارید افزایش دهید مطالعه این مطلب را از دست ندهید.

اصلی‌ترین اجزای کهکشان راه شیری

در مطلب ساختار کهکشان راه شیری هاله ماده تاریک، دیسک، برآمدگی میانی و هاله ستاره‌ای را معرفی کرده و به صورت مختصر از مواد درون این ساختارها که شامل ماده تاریک، ستاره‌‏ها، گاز و گرد و غبار هستند صحبت کردیم. در این مطلب اجزای کهکشان راه شیری را با جزئیات بیشتری مورد مطالعه و بررسی قرار می‌دهیم. برای شروع این مطلب با عنصر اصلی کهکشان راه شیری یعنی ماده تاریک موضوع را آغاز می‌کنیم.

ماده تاریک

ماده تاریک به واسطه تاثیرات گرانشی ‌اش قابل ردیابی است اما به نظر می رسد نور و یا هیچ شکل دیگری از تابش الکترومغناطیس را جذب یا ساطع نمی‌کند. بر اساس داده‌ها جرم کلی ماده تاریک در راه شیری در حدود $$10^{12} M_{\odot}$$ است. با این حال هنوز از ماهیت این ماده اطلاع دقیقی در دست نیست.

موادی که در زمین هر روز با آن‌ها مواجه می‌شویم و تشکیل‌دهنده ستاره‌های عادی هستند از ذراتی به نام باریون تشکیل شده‌اند. شناخته شده‌ترین نوع باریون‌ها پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند. قسمتی از ماده تاریک ممکن است چگال، غیر درخشان و از مواد باریونیک باشد اما شواهد محکمی مربوط به مطالعه هستی در دوران اولیه وجود دارد که نشان می‌دهد قسمت عمده ماده تاریک از مواد غیر بایونیک است.

پس علاوه بر ماده تاریک باریونیک که به هر صورت شکل عادی‌ از ماده است و ردیابی آن بسیار دشوار و اطلاعات ما درباره آن بسیار اندک است، ماده تاریک غیر باریونیک نیز وجود دارد که تقریباً درباره آن چیزی نمی‌دانیم.

ماده تاریک

اگرچه ماهیت ماده تاریک غیر باریونیک هنوز یک راز است اما در مورد ترکیبات احتمالی آن نظراتی ارائه شده است. بیشتر این نظریات بر این باورند که ماده تاریک غیر باریونیک شامل ذرات بنیادی فرضی از یک یا چند نوع هستند. اگر یکی از این فرضیات درست باشد آن گاه هاله ماده تاریک باید ابری عظیم از این ذرات باشد. علاوه بر این از آن جهت که ما در درون این ابر قرار داریم، ذرات ماده تاریک باید از روی زمین قابل ردیابی باشند. در حال حاضر آزمایشات مربوط به این فرضیات در حال بررسی و تحقیق است.

برای آشنایی بیشتر با کهکشان‌ها، می‌توانید فیلم آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده، لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

  • برای دیدن فیلم آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی + اینجا کلیک کنید.

ستاره‌‏ها

در حدود $$10^{11}$$ ستاره در کهکشان راه شیری وجود دارد و از آنجا که اجرام کیهانی معمولاً به شکل ضریبی از جرم خورشید ($$M_{\odot}\approx 2\times 10^{30}$$) معرفی می‌شوند، این ستاره‌ها جرمی در حدود $$10^{11}M_{\odot}$$ دارند که تقریباً یک دهم جرم ماده تاریک است.

عمده این ستاره‌ها دیسک را اشغال کرده‌اند. ستاره‌ها از حیث جرم، سن و یا ترکیبات شیمیایی با یکدیگر متفاوت هستند. این تفاوت‌ها عامل اصلی سایر تفاوت‌ها از قبیل درخشش و دمای ستاره‌ها می‌‏باشد. طیف‌بندی یک ستاره ویژگی مهم آن است که رابطه نزدیکی با دمای ستاره دارد. با توجه به کاهش دمای روی سطح ستاره گروه‌های طیفی ستاره‌ای عبارت از O، B، A، F، G، K و M هستند. درخشان‌ترین ستاره‌‏های کهکشان راه شیری بزرگ و آبی-سفید هستند که به گروه O و B تعلق دارند.

اما اغلب ستاره‌ها کوچک، کم نور و قرمز هستند و به گروه M تعلق دارند. ستاره‌ها از ابرهای عظیم گاز تشکیل شده‌اند و بخش عمده زندگی درخشان خود را به عنوان ستارگان رشته اصلی می‏‌گذرانند. درخشش ستاره‌ها در این دوره با تبدیل هیدروژن به هلیم در هسته مرکزی‌شان رخ می‌دهد. مراحل بعدی تکامل یک ستاره بستگی به جرم آن (هرچه جرم ستاره بیشتر باشد عمر آن کوتاه‌تر خواهد بود) دارد، اما در بیشتر موارد شامل بزرگ شدن ستاره و تشکیل غول ستاره‌ای و تبدیل هلیوم به طیفی از عناصر سنگین‌تر می‌‏باشد.

ستاره‌ها در سه بخش اصلی راه شیری یعنی هاله ستاره‌ای، دیسک و برآمدگی میانی وجود دارند اما سوال این است که آیا این ستاره‌ها از نظر جرم، سن و ترکیبات نزدیک به هم هستند؟

مشاهدات نشان می‌دهد که پاسخ منفی است، به این معنی که هاله ستاره‌ای و برآمدگی میانی راه شیری در بردارنده ستاره‌‏های قدیمی‌تری نسبت به دیسک هستند و ستاره‌های هاله ستاره‌ای عناصری سنگین‌تر از هلیم در اختیار دارند. این تفاوت‌ها بین ستاره‌ها منجر به تعریف طبقات مختلف ستاره‌‏ای شده است که به این طبقات مختلف جمعیت‌های ستاره‌ای می‌گویند. برای مطالعه بیشتر در مورد ستارگان کهکشان راه شیری این مطلب را مطالعه کنید.

گاز و گرد و غبار

بیشترین میزان گاز و گرد و غبار در کهکشان راه شیری در دیسک این کهکشان قرار گرفته است. این گازها و گرد و غبار تا فاصله عمودی $$150\ pc$$ از صفحه میانی راه شیری ردیابی شده‌اند ولی با این حال مانند ستاره‌ها از صفحه میانی کهکشانی فاصله نگرفته‌اند. حدود $$70\%$$ جرم این گاز را هیدروژن و $$28\%$$ آن را هلیوم تشکیل داده و $$2\%$$ باقی مانده از سایر عناصر تشکیل شده است که ستاره شناسان به آن فلز می‌گویند.

هیدروژن با در نظر گرفتن چگالی، دما و شار تابش فرابنفش در هر ناحیه از فضا می‌تواند به اشکال مختلف وجود داشته باشد. در محیط‌های با چگالی بالا، دمای کم و شار پایین تابش فرابنفش، هیدروژن بیشتر به شکل مولکول هیدروژن ($$H_{2}$$) یافت می‌شود.

در محیط‌ هایی که دما و شار تابش فرابنفش به اندازه‌ای بالا است که می‌تواند تک الکترون اتم هیدروژن را آزاد کند، خصوصاً هنگامی که چگالی به حدی پایین است که اجازه باز ترکیب الکترون‌های آزاد شده را با یون‌های مثبت نمی‌دهد، هیدروژن بیشتر به شکل یونیزه ($$H^{+}$$ یا $$HII$$) یافت می‌شود.

اتم هیدروژن ($$H$$ یا $$HI$$) در شرایط مابین دو حالت بالا یافت می‌شود. جرم کلی گاز در کهکشان راه شیری در حدود $$10\%$$ جرم ستاره‌ها تخمین زده می‌شود.

آنچه ستاره شناسان گرد و غبار می‌نامند شامل ذرات جامد بسیار ریز فشرده است که از آن جمله می‌توان به کربن، اکسیژن، سیلیکون و سایر فلزات اشاره کرد. بیشتر حجم ذرات گرد و غبار شامل ترکیبات گرافیت یا سیلیکات است. این ذرات معمولاً توسط روکشی از ترکیبات غالباً فرار مثل آب یخ ($$H_{2}O$$)، آمونیاک ($$NH_{3}$$) و منواکسید کربن ($$CO$$) پوشیده شده‌اند.

ذرات غبار معمولاً $$10^{-6}$$ تا $$10^{-7}$$ متر ($$0.1$$ تا $$1$$ میکرومتر) عرض دارند که نزدیک به اندازه ذرات دود در زمین است. مجموع جرم غبار در کهکشان راه شیری در حدود $$0.1\%$$ جرم ستاره‌ها است. اندازه ذرات غبار با طول موج نور نیز قابل مقایسه است و این موضوع سبب می‌شود تا ذرات به همان خوبی که نور را جذب می‌کنند باعث پراکندگی آن نیز شوند.

همانگونه که در تصویر (1) نیز نشان داده شده است به دلیل آن که گرد و غبار عمدتاً در فاصله 150 پارسک از اطراف صفحه میانی راه شیری متمرکز شده است، تاثیرش هنگامی که در جهات نزدیک به صفحه میانی به آن نگریسته شود آشکار می‌شود.

اجزای کهکشان راه شیری
تصویر 1: اجزای کهکشان راه شیری و تصویر یکی از نیم کره‌های آسمان شب که نشان می‌دهد کهکشان راه شیری چگونه از افق تا افق گسترده شده است. قسمت مرکزی راه شیری در این تصویر به شکل روشن‌تر قابل ملاحظه است. نور مستقیماً از تعداد بی‌شمار ستاره‌های موجود در کهکشان ما ساطع می‌شود. در حدود $$10^{11}$$ ستاره در راه شیری موجود است، اما برخی بسیار کم نور هستند و برخی دیگر توسط غبار که بخشی از کهکشان ما است پنهان شده‌اند و قابل مشاهده نیستند.

وجود گرد و غبار در دیسک راه شیری، به شدت توانایی ما را در رصدهایمان در جهات معین محدود می‌کند (تصویر 2) و سبب ایجاد ناحیه‌ای به نام ناحیه تاریکی یا ناحیه استتار می‌شود. این نواحی تا حدود $$15^{\circ}$$ در امتداد استوای راه شیری گسترش یافته و در داخل آن‌ها کهکشان‌های بسیار محدودی قابل مشاهده است.

خوشبختانه پیشرفت تکنولوژی در دهه‌های گذشته به ستاره شناسان این امکان را داده تا مشاهدات خود را بر اساس طول موج فروسرخ یا سایر طول موج‌ها که تحت تأثیر تاریکی گرد و غبار قرار ندارند، انجام دهند.

رصد کهکشان راه شیری
تصویر 2: اجزای کهکشان راه شیری؛ در شکل اول به دلیل حضور گرد و غبار در دیسک راه شیری رصد کردن در ناحیه‌ای که به رنگ خاکستری کمرنگ نمایش داده شده است بسیار دشوار و در ناحیه‌‏ای که به رنگ خاکستری تیره نشان داده شده است اساساً غیرممکن است، به غیر از مجموعه‌های بسیار روشن که در فاصله 5 کیلوپارسک از ما قرار دارند. اجزای کهکشان راه شیری در شکل دوم نقشه کلی آسمان در مختصات راه شیری است که در آن استوای راه شیری به شکل افقی از مرکز نقشه عبور کرده است. این نقشه موقعیت کهکشان‌های درخشان خارج از کهکشان راه شیری را نمایش می‌دهد. وجود گرد و غبار در اجزای کهکشان راه شیری به ما امکان مشاهده کهکشان‌هایی که در جهاتی نزدیک به صفحه میانی راه شیری هستند را نمی‌دهد. این تصویر تأثیر ناحیه تاریکی را مشخص می‌کند.

پرسش: مجموع جرم گاز در اجزای کهکشان راه شیری چقدر است؟ (نسبت به جرم خورشید بیان کنید)

پاسخ: جرم گاز $$10\%$$ جرم ستاره‌ها در راه شیری و جرم ستاره‌ها در حدود $$10^{11}M_{\odot}$$ است. بنابراین جرم گاز عبارت خواهد بود از:

$$10\% \times 10^{11}M_{\odot}=10^{10}M_{\odot}$$

پرسش: مجموع جرم گرد و غبار در اجزای کهکشان راه شیری چقدر است؟ (نسبت به جرم خورشید بیان کنید)

پاسخ: جرم گرد و غبار $$0.1\%$$ جرم ستاره‌ها است و جرم ستاره‌ها در حدود $$10^{11}M_{\odot}$$ است. بنابراین جرم گرد و غبار برابر است با:

$$0.1\% \times 10^{11}M_{\odot}=10^{8}M_{\odot}$$

سحابی اوریون
تصویر 3: سحابی اریون (M42) یک ناحیه مهم $$HII$$ است که در آن هیدروژن به دلیل تابش‌های فرابنفش از گروهی ستاره جوان و درخشان یونیزه می‌شود. اندازه سحابی اریون در حدود pc 6 است و دربردارنده صدها برابر جرم خورشید گاز است. این سحابی فرمی دوکی شکل دارد.

واژه واسطه بین ستاره‌ای یا ISM برای توضیح گاز و گرد و غباری که فضای بین ستاره‌ها را اشغال کرده‌اند استفاده می‏‌شود. به طور متوسط ISM در هر متر مکعب در بردارنده $$10^{6}$$ ذره است اما چگالی و ماهیت ISM بسته به نواحی مختلف فضا تفاوت بسیاری دارد لذا مقدار ذکر شده ($$10^{6}$$ ذره) دقت چندانی ندارد و تقریبی است.

تقریباً نیمی از جرم ISM را ابرهای متراکمی که اغلب ابرهای مولکولی نامیده می‌شوند تشکیل داده است. این ابرها را از آن جهت که مولکول‌های فراوان هیدروژن ($$H_{2}$$) دارند ابرهای مولکولی می‌نامند. این ابرها با جرم‌های بسیار متفاوت یافت می‌شوند که سنگین‌ترین آن‌ها $$10^{7}$$ برابر جرم خورشید، گرد و غبار دارند.

ابرهای مولکولی معمولاً چندین هزار برابر چگالتر از متوسط چگالی ISM هستند و ابعادی در حدود 10 تا 100 پارسک دارند. با این حال این ابرها تنها در حدود $$1\%$$ از حجم ISM را به خود اختصاص داده‌اند در حالی که $$50\%$$ جرم ISM را در خود دارند. بخش دیگری از ISM را گازهای داغ و یونیزه شده (عرض آن‌ها در حد چند پارسک است) که به نواحی $$HII$$ معروف هستند تشکیل می‌دهند. این نواحی $$HII$$ درصد اندکی از حجم و جرم ISM را به خود اختصاص داده‎اند. سحابی اریون (تصویر 3) یکی از شناخته‌ شده‌ترین نواحی $$HII$$ است.

بیشتر حجم باقی مانده از ISM توسط واسطه‌های بین ابری که ممکن است بسته به شرایط و موقعیت قرارگیری‌شان داغ یا گرم باشند اشغال شده است. به سمت داخل دیسک واسطه بین ابری را می‌توان حدوداً بعنوان دیسکی که در حدود 300 پارسک ضخامت دارد، سرشار از اتم هیدروژن ($$HI$$) است و تقریباً به صورت یکنواخت توزیع شده است در نظر گرفت.

این دیسک به همراه هزاران ابر منفردی که در بردارد خود داخل یک واسطه بین ابری بزرگتر که حداقل بخشی از هاله را اشغال کرده است قرار می‌گیرد. هنوز در زمینه چگونگی توزیع واسطه‌های میان ابری ابهامات فراوانی وجود دارد اما چگالی پایین این جز از ISM بدین معنا است که این واسطه علیرغم حجم وسیعش بخش کوچکی از جرم ISM را در خود جای داده است.

ISM ارتباط اساسی با شکل‌گیری ستاره‌ها و تکامل آن‌ها دارند. ستاره‌ها از ابرهای مولکولی سرد و چگال متولد می‌شوند و به اشکال گوناگون مواد را به فضای بین ستاره‌ای باز می‌گردانند و با این عمل به تدریج میزان عناصر سنگین در کهکشان راه شیری را افزایش می‌دهند این فرآیند با عنوان غنی‌ سازی کهکشان راه شیری شناخته می‌شود. با توضیحات بالا اصلی‌ترین اجزای کهکشان راه شیری و ترکیبات آن‌ها شناخته شد. با در نظر گرفتن ماده تاریک، ستاره‌‏ها، گاز و گرد و غبار به عنوان مواد تشکیل‌دهنده کهکشان راه شیری و اینکه چگونه این کهکشان به هاله ماده تاریک، دیسک، هاله ستاره‌ای و برآمدگی میانی تقسیم شده است می‌توان از این داده‌ها برای پی بردن به تاریخچه کهکشان راه شیری استفاده کرد.

معرفی فیلم آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی

آموزش نجوم

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم  آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی کرده است. این مجموعه آموزشی از شش درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته فیزیک و افراد علاقه‌مند به نجوم و کیهان‌شناسی مفید است. پیش‌نیاز این درس آموزش فیزیک پایه ۱ و آموزش ریاضی پایه دانشگاهی است.

درس اول این مجموعه مروری بر نجوم باستان و درس دوم به روش های اخترشناسی می‌پردازد. درس سوم به تعریف و مطالعه ویژگی‌های منظومه شمسی و درس چهارم به بررسی اجزای دیگر منظومه شمسی غیر از ماه و سیارات اختصاص دارد. در درس پنجم اخترفیزیک و مفهوم‌های به کار برده در این موضوع را خواهید آموخت و در درس ششم ویژگی‌های سحابی‌ها و کهکشان‌ها بررسی می‌شود.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد کهکشان راه شیری و اصلی‌ترین اجزای کهکشان راه شیری صحبت کردیم. کهکشان راه شیری از آن جهت که کهکشان محل سکونت ما است از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این مطلب اصلی‌ترین اجزای کهکشان راه شیری را معرفی کردیم و جرم تقریبی هر یک را بر اساس مشاهدات و رصدها و بر حسب جرم ستارگان کهکشان راه شیری محاسبه کردیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای 7 نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *