کهکشان راه شیری شاید زمانی از هزاران کهکشان کوچک تشکیل شده بود

شبیه‌سازی‌های جدید نشان می‌دهند راه شیری شاید از هزاران کهکشان آغاز شده باشد.

در نخستین دوره‌های شکل‌گیری جهان، خانه کیهانی ما ظاهری کاملاً متفاوت با امروز داشت. در آن دوران، منطقه‌ای از جهان که بعدها به همسایگی کهکشان راه شیری تبدیل شد، مجموعه‌ای از هزاران کهکشان کوچک‌تر بود؛ برخی از آنها به‌سرعت ستاره‌های تازه تولید می‌کردند، در حالی که بعضی دیگر عمدتاً از گاز تشکیل شده بودند یا مملو از ستاره‌های مرده و سیاه‌چاله‌ها بودند.

گروهی از دانشمندان به سرپرستی هارلی کاتز، استادیار نجوم و اخترفیزیک دانشگاه شیکاگو، با مجموعه‌ای تازه از شبیه‌سازی‌ها امکان مشاهده روند به‌هم‌پیوستن این کهکشان‌ها و شکل‌گیری دیسک مارپیچی آشنای راه شیری امروزی را فراهم کرده‌اند.

اجرای این شبیه‌سازی‌ها حتی روی ابررایانه‌های قدرتمند سه سال زمان برده و به گفته پژوهشگران، جزئی‌ترین مدل ساخته‌شده تاکنون از چگونگی تکامل کهکشانی مانند راه شیری در چند میلیارد سال نخست عمر آن به شمار می‌رود.

هارلی کاتز گفت

راه شیری در دوره‌ای که آن را سپیده‌دم کیهانی می‌نامیم چه شکلی داشته؟ برای نخستین بار می‌توانیم مستقیماً پیش‌بینی کنیم که راه شیری اولیه از نگاه تلسکوپ‌هایی مانند هابل یا تلسکوپ فضایی جیمز وب چگونه دیده می‌شده است.

شش مقاله حاصل از این پروژه که مگاترون نام دارد، اطلاعات تازه‌ای درباره ساختار کهکشان‌های اولیه و چگونگی شکل‌گیری عناصر در طول زمان ارائه می‌دهند. این مقالات در نشریه اوپن ژورنال آو آستروفیزیکس منتشر شده‌اند.

تکامل راه شیری در گذر زمان

از آنجا که امکان سفر به دوران آغازین جهان و مطالعه مستقیم آن وجود ندارد، یکی از معدود راه‌های شناخت تحول کیهان، ساخت مدل‌های رایانه‌ای دقیق بر پایه قوانین شناخته‌شده طبیعت محسوب می‌شود. کاتز گفت

اساس کار این است که تمام فرایندهای فیزیکی مرتبط را وارد مدل می‌کنیم؛ از جمله گرانش، هیدرودینامیک، تابش و شیمی. سپس اجازه می‌دهیم این سامانه تکامل پیدا کند تا ببینیم آیا نتیجه با چیزی که امروز در جهان اطراف خود مشاهده می‌کنیم مطابقت دارد یا نه.

داده‌های تازه‌ای که تلسکوپ فضایی قدرتمند جیمز وب ارسال کرده، ابعاد جدیدی به درک دانشمندان از جهان افزوده است. به همین دلیل، سه سال پیش گروهی از پژوهشگران پروژه‌ای را آغاز کردند تا این اطلاعات جدید را در مدلی از ظاهر احتمالی کهکشان راه شیری در نخستین میلیارد سال عمر آن وارد کنند. اکنون آنها می‌توانند نتایج مدل را با داده‌هایی که جیمز وب امروزه ثبت می‌کند مقایسه کنند تا مشخص شود کدام بخش‌ها با مشاهدات مطابقت دارد و چه مواردی همچنان در مدل دیده نمی‌شود.

پژوهشگران با بازگرداندن ساعت کیهانی به گذشته، شبکه‌ای از کهکشان‌های بزرگ و کوچک با انواع گوناگون را مشاهده می‌کنند که در نهایت با ادغام یکدیگر، راه شیری امروزی را شکل داده‌اند. کاتز گفت

ما هزاران زیرسامانه را در این مدل دنبال می‌کنیم و مستقیماً محاسبه می‌کنیم که هرکدام از آنها با قدرتمندترین تلسکوپ‌های فضایی ما چگونه دیده می‌شدند؛ مقیاسی که چندین مرتبه بزرگ‌تر از شبیه‌سازی‌های قبلی است. درون این مجموعه، تنوع شگفت‌انگیزی دیده می‌شود. برخی کهکشان‌ها با شدت در حال تشکیل ستاره هستند، بعضی کاملاً خاموش شده‌اند و گروهی دیگر در حال از دست دادن فعالیت خود هستند.

یکی از یافته‌های منحصربه‌فرد مدل، پیش‌بینی وجود ساختارهایی شبیه کهکشان است که هیچ ستاره‌ای ندارند اما همچنان می‌درخشند. برخی از این ساختارها احتمالاً زمانی ستاره داشته‌اند که بعداً منفجر شده یا مستقیماً به سیاه‌چاله تبدیل شده‌اند. برخی دیگر نیز شاید از ابتدا فقط حاوی گاز بوده‌اند.

یافته دیگری به یکی از معماهای قدیمی اخترفیزیک ستاره‌ای مربوط می‌شود. در راه شیری معمولاً مشاهده می‌کنیم که کهکشان‌های کوچک‌تر و کم‌نورتر آهن کمتری دارند. با این حال، این روند در سامانه‌های بسیار کم‌نور از بین می‌رود و مقدار آهن در آنها ظاهراً مستقل از جرم، تقریباً ثابت باقی می‌ماند. شبیه‌سازی‌های قبلی تاکنون نتوانسته بودند این رفتار را بازسازی کنند.

بر اساس نتایج شبیه‌سازی، عامل اصلی این پدیده انفجار نوعی ستاره غیرعادی است که از دوران بلافاصله پس از مهبانگ باقی مانده. این ستاره‌ها که ستارگان جمعیت سوم نام دارند، آن‌قدر قدیمی هستند که تنها از نخستین عناصر موجود در جهان، یعنی هیدروژن و هلیوم، تشکیل شده‌اند. هنگام انفجار، آنها می‌توانند آهن بیشتری نسبت به دیگر ابرنواخترها تولید کنند. اگر یک کهکشان به اندازه کافی بزرگ باشد، گرانش آن می‌تواند این آهن را در خود نگه دارد؛ اما در سامانه‌های کوچک‌تر، آهن به فضای میان‌کهکشانی می‌گریزد.

ستارگان جمعیت سوم آن‌قدر کهن هستند که تاکنون هیچ‌کدام از آنها مستقیماً توسط تلسکوپ‌ها مشاهده نشده‌اند. یکی دیگر از مقالات این مجموعه برای نخستین بار نشان می‌دهد این ستارگان چگونه می‌توانند در محیطی مشابه راه شیری شکل گرفته باشند و پیش‌بینی می‌کند در صورت باقی ماندن نمونه‌ای از آنها، احتمال یافتنشان در کدام نواحی بیشتر خواهد بود. این پیش‌بینی می‌تواند به اخترشناسان برای جست‌وجوی این ستارگان باستانی کمک کند.

فیزیک ستارگان و شکل‌گیری عناصر

یکی از ویژگی‌های برجسته این شبیه‌سازی‌ها، پیچیدگی بسیار بیشتر آنها در مقایسه با مدل‌های پیشین است.

هارلی کاتز گفت

ویژگی منحصربه‌فرد شبیه‌سازی ما این است که برای نخستین بار غنی‌شدن تک‌تک عناصر شیمیایی ناشی از ستاره‌های منفرد پس از مهبانگ را مدل‌سازی کرده‌ایم و آن را با مدل‌های دقیق گرانش، شیمی، تابش و فرایندهای ستاره‌ای در کنار هم قرار داده‌ایم.

این مدل برای نمونه نخستین شبیه‌سازی بزرگ‌مقیاسی محسوب می‌شود که محاسبه دقیق فیزیک خارج از تعادل را در خود جای داده است. بسیاری از مدل‌های فیزیکی برای ساده‌تر شدن محاسبات فرض می‌کنند شیمی یک سامانه کم‌وبیش در حالت تعادل قرار دارد. در جهان واقعی، کهکشان‌ها دائماً در حال تحول هستند و این روند اغلب چنین فرضی را برهم می‌زند.

پژوهشگران در ابتدا نمی‌دانستند این موضوع تا چه اندازه بر نتیجه نهایی اثر خواهد گذاشت. از سوی دیگر، افزودن چنین جزئیاتی سرعت محاسبات شبیه‌سازی را نیز به شکل قابل توجهی کاهش می‌دهد.

با این حال، دو مقاله از مجموعه پژوهش نشان می‌دهند اضافه کردن فیزیک خارج از تعادل واقعاً تفاوت ایجاد کرده؛ به‌ویژه هنگام بررسی جریان گازها در اطراف کهکشان‌ها که به محیط پیرامون‌کهکشانی معروف است.

افزودن این سطح از پیچیدگی به دانشمندان امکان می‌دهد مشاهدات را دقیق‌تر تفسیر کنند و دامنه پاسخ‌های احتمالی برای بسیاری از پرسش‌های مربوط به شکل‌گیری جهان را محدودتر سازند.

کاتز گفت

با نگاه کردن به این نتایج، کاملاً روشن است که فرایندهای فیزیکی رخ‌داده بلافاصله پس از مهبانگ، تأثیر مستقیمی بر چیزی دارند که امروز در جهان محلی مشاهده می‌کنیم. اما بخش‌هایی نیز وجود دارد که هنوز آنها را به‌درستی توضیح نمی‌دهیم و همین موضوع هم جالب است. اینکه دقیقاً چه بخش‌هایی را همچنان از دست داده‌ایم، می‌تواند ما را به مسیرها و پرسش‌های تازه‌ای هدایت کند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.