ساختار کهکشان راه شیری چگونه است؟ | هر آنچه باید بدانید

وقتی از توصیف ساختار کهکشان راه شیری سخن به میان می‌آید، اغلب افراد تعداد بیشماری ستاره که با جمع شدن در کنار هم یک دیسک تخت را تشکیل داده‌اند به ذهن می‌آورند. در حقیقت این نقطه‌ای است که می‌توان از آن آغاز کرد.

در حدود $$10^{11}$$ يا هزار میليارد ستاره در کهکشان ما وجود دارد که اغلب آن‌ها در دیسک قرار دارند و نور مرئی كه از کهکشان ساطع می‌شود را کنترل می‌کنند. ستاره‌ها درخشانند و از این رو به راحتی قابل مشاهده‌اند اما آنچه كه ما می‌بينيم تنها بخش كوچكی از یک مجموعه بسیار عظیم تر است.

در این مطلب قصد داریم با جزئیات بیشتری ساختار کهکشان راه شیری را مورد بررسی قرار دهیم.

ساختار کهکشان راه شیری

کهکشان راه شیری بسیار وسیع‌تر از آن چیزی است كه ما قادر به ديدن آن هستيم. دیدگاه مدرن در زمینه ساختار کهکشان راه شیری بر این باور است که سنگین‌ترین و بزرگترین جزء راه شیری یک ابر عظیم حدوداً کروی است که نوعی ماده غیر درخشان دارد. از انجا که این ماده غیر درخشان هرگز به شکل مستقیم در هیچ طول موجی مشاهده نشده است به اسم ماده تاریک نامگذاری شده است.

فیلم آموزش مقدماتی کیهان شناسی و نجوم در فرادرس

کلیک کنید

تاکنون ماهیت ماده تاریک شناخته نشده است ولی حضور ماده تاریک به کمک تاثیر گرانشی آن بر سایر شکل‌های شناخته شده ماده قابل مشاهده و لمس است. با اینکه اطلاعات چندانی از ماده تاریک در دست نیست اما اغلب ستاره شناسان پذیرفته‌اند که مجموع جرم ماده تاریک در راه شیری 10 برابر بزرگتر از مجموع جرم ستاره‌های این کهکشان و در حدود 100 برابر بزرگتر از مجموع جرم گاز و گرد و غبار است. به علاوه ماده تاریک برای سایر کهکشان‌ها نیز موضوع بررسی و تحقیق شده است. در حقیقت ماهیت، توزیع و مقدار ماده تاریک اهمیت بسیاری در مطالعه کهکشان‌ها و علم کیهان شناسی دارد. برای مطالعه بیشتر در مورد نحوه محاسبه جرم کهکشان‌ها مطلب مرتبط به همین موضوع در مجله فرادرس را مطالعه کنید.

ابر عظیم ماده تاریک که تصور می‌شود جزء ساختار اصلی راه شیری باشد اغلب با عنوان هاله ماده تاریک شناخته می‌شود. جرم ماده تاریک بسیار عظیم است به گونه‌ای که در درجه اول نیروی جاذبه جرم ماده تاریک است که سبب می‌شود تا یک كهكشان در کنار هم نگه داشته شود و این موضوع به دلیل نیروی جاذبه حاصل از جرم ستاره‌های آن کهکشان نیست.

تاثیر گرانشی ماده تاریک بر مواد درخشان این امکان را به ستاره شناسان می‌دهد که شکل هاله آن را حدس بزنند. ستاره شناسان به این نتیجه رسیده‌اند که هاله ماده تاریک شکلی شبه کروی دارد، شبه کره‌ای که در قطبین تخت شده است.

نسبت قطر کوتاه به قطر بلند در هاله ماده تاریک در حدود 0/8 است. ستارگان کهکشان راه شیری که عمده نور خروجی از این کهکشان را تولید می‌کنند در مرکز این هاله واقع شده‌اند.

با نگاهی دقیق‌تر به چگونگی توزیع این مواد درخشان و بررسی بخش قابل مشاهده کهکشان راه شیری مشخص می‌شود اغلب ستارگان از جمله خورشید درون حجمی تخت و دیسکی شکل را اشغال كرده‌اند.

این حجم تخت را دیسک کهکشانی و یا به شکل ساده‌تر دیسک می‌نامند. دیسک دومین جزء اصلی ساختار کهکشان راه شیری است. جرم دیسک در حدود $$10^{11}M_{\odot}$$ است. علاوه بر ستاره‌ها دیسک راه شیری شامل مقدار قابل توجهی گاز و گرد و غبار در فضای بین ستاره‌ای است.

صفحه میانی دیسک، صفحه راه شیری را مشخص می‌کند. این صفحه نقش مهمی در پایه‌ریزی سیستم مختصات به منظور موقعیت یابی درون راه شیری دارد. خورشید در فاصله بسیار نزدیک به صفحه میانی راه شیری حدوداً میان مرکز دیسک و لبه بیرونی آن قرار گرفته است.

سیستم مختصاتی در ساختار کهکشان راه شیری

ستاره شناسانی که ساختار کهکشان راه شیری را مطالعه می‌کنند، دریافته‌اند تعریف سیستم مختصاتی که تقارن کهکشان را در ارتباط با صفحه میانی آنگونه که از زمین دیده می‌شود معین کند، مفید است. در سیستم مختصاتی راه شیری، جهت هر شی در آسمان با دو پارامتر عرض کیهانی (b) و طول کیهانی (L) مشخص می‌شود که هر دو از جنس زاویه هستند و واحد آن‌ها درجه است. تصویر (1) نشان می‌دهد که این پارامترها چگونه تعریف شده‌اند. استوای راه شیری تقریباً از مرکز دیسک این کهکشان عبور می‌کند.

مرکز این سیستم مختصاتی یعنی نقطه $$b=0^{\circ}$$ و $$L=0^{\circ}$$ در نزدیکی (نه کاملاً منطبق با) مرکز کهکشان و در راستای صورت فلکی قوس یا کمان (Sagittarius) تعریف شده است.

عرض کیهانی در شمال (مقدار مثبت برای b) و جنوب (مقدار منفی برای b) استوای کهکشانی اندازه‌گیری می‌شود بنابراین مقدار آن بین $$b=+90^{\circ}$$ و $$b=-90^{\circ}$$ در نوسان است.

طول کیهانی در بازه $$l=0^{\circ}$$ (تقریباً در جهت مرکز کهکشانی) به سمت شرق و مقدار $$l=90^{\circ}$$ (تقریباً در جهت چرخش کهکشان) تا $$l=360^{\circ}$$ تغییر می‌کند.

از روی زمین ما می‌توانیم لبه‏‌های دیسک را از داخل مشاهده کنیم. به دليل موقعیت ما بیشتر ستاره‌های دیسک راه شیری متمرکز در نواری که اطراف ما را احاطه کرده‌اند به نظر می‌رسند. اگر دیسک از روبه‌رو قابل مشاهده بود به دليل حضور ترکیبات روشنی که بازوهای مارپیچ نامیده می‌شوند الگویی مارپیچ را از کهکشان راه شیری مشاهده می‌کردیم. چنین بازوهایی در بسیاری از کهکشان‌ها وجود دارند.

تصویر از کنار و تصویر از روبروی دو کهکشان که تصور می‌شود به راه شیری بسیار شبیه باشند در ادامه (تصویر ۲) نشان داده شده‌اند. شکل کلی مارپیچ در شکل دوم تصویر (2) روشن است اما در واقعیت و به شکل جزئی‌تر بازوها چند پاره و تغییر شکل یافته هستند.

فیلم آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی در فرادرس

کلیک کنید

بازوهای مارپیچ نه به دلیل داشتن تعداد زیادی ستاره بلکه به دلیل وجود ستاره‌هایی که به شکل غیر معمول داغ و درخشان هستند پایدار مانده‌‏اند. بازوهای مارپیچ نشانگر این هستند که کهکشان در حال گردش است.

خورشید و ستاره‌های همسایه آن در دیسک با سرعتی در حدود $$220\frac{km}{s}$$ حول مرکز راه شیری در حال گردش هستند. البته همانگونه که در ادامه توضیح خواهیم داد ستاره‌ها و بخش‌های مختلف بازوهای مارپیچ با سرعت‌های متفاوت در حال گردش حول مرکز راه شیری هستند.

تصویر (3) نموداری شماتیک از اجزای اصلی راه شیری که در این بخش به آن‌ها پرداخته شد را نشان می‌دهد. این اجزا شامل هاله ماده تاریک، دیسک، هاله ستاره‌ای و برآمدگی میانی هستند.

در این تصویر ابعاد تقریبی این اجزاء نیز نشان داده شده است. این دیاگرام باید با تصاویر نشان داده شده در تصویر (2) که تا حد زیادی شبیه به راه شیری هستند قابل مقایسه باشد.

با حرکت به سمت مرکز راه شیری تراکم ستاره‌ها افزایش می‌یابد و این کهکشان در آنجا ضخیم‌تر از سایر نقاط به نظر می‌رسد. این ناحیه پهناور مرکزی، برآمدگی میانی نامیده می‌شود و سومین جزء اصلی ساختار کهکشان راه شیری است. نمونه‌ای از برآمدگی میانی كه در مرکز کهکشان ديده می‌شود در شکل اول تصویر (2) نمایش داده شده است.

جرم برآمدگی میانی راه شیری در حدود $$10^{10}$$ برابر جرم خورشید ($$10^{10}M_{\odot}$$) است. مشاهده ناحیه مرکزی راه شیری از نقطه دید ما در زمین و نزدیک به خورشید بسیار دشوار است، اما شواهدی وجود دارد که برآمدگی میانی راه شیری شکلی کشیده و امتداد یافته دارد و در این صورت این کهکشان به مانند آنچه در شکل دوم تصویر (2) نمایش داده شده یک کهکشان مارپیچ بسته است. راه شیری در این زمینه بی همتا نیست و رصدها از سایر کهکشان‌های مارپیچ مشخص کرده است که در اغلب آن‌ها نشانه‌‏ای از برآمدگی میانی وجود دارد.

در اطراف دیسک جزء ساختاری کم تراکم دیگری وجود دارد که هاله ستاره‌ای یا هاله نامیده می‌شود جرم آن تنها در حدود $$10^{9}$$ برابر جرم خورشید ($$10^{9}M_{\odot}$$) است. به علت آنکه تراکم ستاره‌ها در واحد حجم در هاله ستاره‌ای بسیار کمتر از تراکم آن‌ها در دیسک است این هاله در تصاویر (2) قابل رویت نیست.

این تصاویر به وضوح برآمدگی میانی و دیسک را نشان می‌دهند اما نشان کمی از هاله ستاره ای که تنها با مطالعات و مشاهدات پردامنه قابل ردیابی است، از خود دارند. این جزء راه شیری به مانند دیسک مسطح و تخت نیست بلکه شکلی کروی با میزان ناچیزی از تراکم دارد.

به همین دلیل هاله ستاره‌ای (و اغلب برآمدگی میانی به همراه آن) کره راه شیری یا به اختصار کره نامیده می‌شوند. از نام هاله ستاره‌ای چنین برمی‌آید که در این ناحیه تنها ستاره‌ها موجودند و گازی وجود ندارد اما در واقع مقداری گاز با تراكم بسيار پايين در هاله ستاره‌ای وجود دارد. علاوه بر این بخشی از گازی که در هاله ستاره‌ای قرار دارد ممکن است اصولاً به راه شیری مربوط نباشد. با استفاده از این نکته این دیدگاه تقویت می‌شود که راه شیری احتمالاً کهکشانی ايزوله و کاملاً بسته نیست بلکه در محیطی احاطه شده و این محیط بر آن اثر می‌گذارد.

اجزای اصلی ساختار کهکشان راه شیری به صورت خلاصه

هاله ماده تاریک که دیسک راه شیری را که اکثر ستارگان، گاز و گرد و غبار در آن قرار دارند در بر گرفته است. ناحیه مرکزی راه شیری كه از بقیه نقاط دیسک ضخیم‌تر است و برآمدگی میانی نامیده می‌شود. اطراف دیسک که بخش کم تراکم هاله ستاره‌ای در آن قرار گرفته است.

فیلم آموزش رصد آسمان و نجوم رصدی در فرادرس

کلیک کنید

دیسک راه شیری که در بردارنده بازوهای مارپیچ و برآمدگی میانی است و شکلی کشیده و امتداد یافته دارد. در حقیقت ساختار کهکشان راه شيری يك كهكشان مارپيچ بسته است.

پرسش: شکل و جرم تقريبی هر چهار جزء اصلی و ساختاری راه شیری چیست؟

پاسخ: هاله ماده تاریک و هاله ستاره‌ای هر دو به شکل کره‌هایی هستند که در قطبین کمی تخت شده‌اند. دیسک همانگونه که از نامش پیداست شکلی مدور و تخت دارد و برآمدگی میانی کشیده و ممتد است. به شکل کلی جرم هاله ستاره‌ای $$10^{9}M_{\odot}$$، جرم برآمدگی میانی $$10^{10}M_{\odot}$$، جرم دیسک $$10^{11}M_{\odot}$$ و جرم هاله ماده تاریک $$10^{12}M_{\odot}$$ است، هرچند جرم هاله ماده تاریک قطعی نیست.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد ساختار کهکشان راه شیری و ویژگی‌های آن صحبت کردیم. همانگونه که بیان شد کهکشان راه شیری یک کهکشان مارپیچ بسته است که از چهار قسمت اصلی تشکیل شده است. در حقیقت چهار قسمت هاله ماده تاریک، هاله ستاره‌ای، دیسک راه شیری و برآمدگی میانی ساختار کهکشان راه شیری را تشکیل می‌دهند. در ادامه این مطلب ویژگی‌ها و جزئیات هر یک از این بخش‌ها بررسی شد.