نقشه‌ای برای کهکشان

بیش از ۵۰۰ سال قبل، تمام تخته‌سنگ‌های روی زمین کشف و گوشه گوشه جهان روی نقشه ثبت شده بود. با وجود اين رویای اکتشاف همچنان زنده است. امروزه انسان نه‌تنها خورشید بلکه نور ستارگان کهکشان راه شیری را نیز دنبال مي‌کند. کشتی‌ها و قطب نما‌ها جای خود را به فضاپیماها و تلسکوپ‌هایی داده‌اند که مي‌توانند مناطق ناشناخته در کهکشان راه شیری را رصد کنند و شاید پاسخی برای این سوال فراهم کنند که «آیا ما در جهان تنها هستیم؟»

تلسکوپ فضایی Gaia یکی از موفق‌ترین ماموریت اکتشافی کهکشان راه شیری است. این ابزار فضایی از زمان ارسال به فضا (از گینه فرانسوی در آمریکای جنوبی) در سال ۲۰۱۳ میلادی میلیون‌ها ستاره و هزاران سیاره، سیارک و سیاهچاله را رصد کرده است.

در آوریل ۲۰۱۸ میلادی دانشمندان نخستین بخش اطلاعات این تلسکوپ را تحلیل کردند و نقشه‌ای از دقیق و بی‌سابقه از کهکشان راه شیری فراهم کردند و به این‌ترتیب از تعداد نقاط سفید ناشناخته در نقشه جهان کاسته شد.

به گفته محققان هنگامی که تلسکوپ گایا ماموریت خود را در ۲۰۲۰ میلادی تکمیل کند، اطلاعات حدود 7/1میلیارد ستاره مختلف را ثبت کرده است.

تلسکوپی که کهکشان راه شیری را شخم مي‌زند!

Gaia به‌عنوان یک ماموریت ستاره‌سنجی به آسمان ارسال شد. ستاره‌سنجی درحقیقت علمی است که مکان ستارگان در آسمان را تعیین مي‌کند. در عمل مکان‌یابی ستارگان زمانی اتفاق مي‌افتد که تلسکوپ فوتون‌های ذرات نور را به‌وسیله حسگرهای CCD رصد مي‌کند. این حسگر هم مانند یک قطعه خاص در دوربین‌های دیجیتال تلفن‌همراه تصویر را به وجود مي‌آورد اما به جای یک‌تراشه با وضوح ۱۰میلیون پیکسل، تلسکوپ گایا حسگرهایCCD با وضوح کلی یک میلیارد پیکسل دارد.

این تجهیزات به ابزار فضایی کمک مي‌کند تا نور ستارگانی را رصد کنند که ۶۵۰ هزار بار کم‌نورتر از ستارگانی هستند که با چشم غیرمسلح در آسمان شب دیده مي‌شوند.

علاوه برآن، این تلسکوپ مکان منبع نور را با دقت یک میلیونم ثانیه قوسی مشخص مي‌کند. ثانیه قوسی یک واحد اندازه‌گیری زاویه‌های کوچک و برابر با یک شصتم دقیقه قوسی یا یک سه هزاروششصدم درجه قوسی است.

تلسکوپ گایا به‌وسیله ابزارهای دیگری شدت چند رنگ نور را اندازه‌گیری و حرکات یک شئ را بررسی مي‌کنند اطلاعات ستاره‌سنجی خود را قدرت مي‌بخشد. بنابراین تلسکوپ فضایی مي‌تواند فاصله ستاره، دما، سن، ‌ترکیبات شیمیایی و بقیه مشخصات آن را تعیین کند.

ستارگان پایان جهان را آشکار مي‌کنند

هنگامی که کلمب جهان قدیمی را به سمت یک قاره جدید‌ترک کرد، به گسترش و اشتراک‌گذاری دانش درباره زمین کمک کرد. هنگامی که نسل‌های جدید از کاوشگران نیز به سمت کهکشان راه شیری سفر کنند، نه‌تنها درباره سیاره خود بلکه درباره کل جهان به دانشی جدید دست مي‌یابیم.

در سال دوهزارمیلادی تلسکوپHipparcos که قبل از گایا فعالیت مي‌کرد، کاتالوگ اطلاعات بیش از 5/2میلیون ستاره را جمع‌آوری کرد. مدت کوتاهی پس از آن تعداد رکوردهای مختلف درباره هرچیزی از عصر یخی روی زمین گرفته تا ‌ترکیبات داخلی خوشه‌های ستارگان تا احتمال کشف حیات در فضا به‌وسیله اشعه‌های گاما به‌طور ناگهانی افزایش یافت.

هرچند تلسکوپ گایا فقط پنج سال است که جهان را رصد مي‌کند اما دانشمندان توانستند اطلاعات مربوط به ۲۲ماه اولیه فعالیت آن یعنی از جولای ۲۰۱۴ تا مي‌۲۰۱۶ میلادی را ذخیره کنند. ۴۵۰ دانشمند این اطلاعات عظیم را بررسی کردند و در نتیجه آن در نقشه کهکشان راه شیری انبوهی از اکتشافات جدید رصد شد.

یکی از جالب‌ترین اکتشافات، کوتوله سفید Gaia J1738-0826 بود که شبیه خورشید در سال‌های جوانی بود.

هنگامی که دانشمندان طیف ستاره (توزیع اشعه‌ها در طول موج‌های مختلف) را بررسی کردند، با یک سیگنال عجیب روبه‌رو شدند که نشان داد برخلاف انتظارات این ستاره دارای کلسیم است.

تلسکوپ روزانه چهار بار اسکن مي‌کند

حسگرهاو آینه‌های حساس تلسکوپ گایا کمک مي‌کنند این دستگاه دوتنی اندازه‌گیری‌های دقیقی انجام دهد. نور ستارگان به وسیله۱۰آینه منعکس مي‌شود و سپس حسگری با دقت یک میلیارد پیکسل آن را ردیابی مي‌کند.

حسگری با یک میلیارد پیکسل

این حسگرها نور خورشید را به‌وسیله تلسکوپی ردیابی مي‌کنند که دقت آن یک میلیارد پیکسل است. این حسگرها با جمع‌آوری اطلاعات نور سن ستاره، نوع و بقیه مشخصات آن را تعیین مي‌کنند.

آنتنی که بدون حرکت ارتباط برقرار مي‌کند

آنتن هرمی شکل این ابزار فضایی با ارتفاع 5/1متر مي‌تواند انرژی رادیویی را به‌طور مستقیم به سمت زمین هدایت کند. این آنتن بدون حرکت اطلاعات را منتقل مي‌کند و هرگونه ارتعاشی کیفیت اطلاعات گایا را خراب مي‌کند.

پوشش محافظی که گرما را مي‌راند

 یک پوشش دومتری بدنه خارجی ابزار فضایی را در مقابل گرما محافظت مي‌کند. این حفاظ نیز مانند بقیه تلسکوپ از کاربید سیلیکون ساخته شده که مي‌تواند تغییرات شدید دمایی را بدون منقبض شدن تحمل کند.

 آینه

دماغه

۱۰ آینه نور را منعکس مي‌کنند

 ۱۰ آینه نور ستارگان را به تلسکوپ منعکس مي‌کنند. این نور به تصاویر تبدیل مي‌شود. آینه‌ها نور هریک از 7/1میلیارد ستاره را ۷۰ بار ردیابی مي‌کنند تا دقت بیشتری فراهم کنند.

چتر خورشیدی از تلسکوپ محافظت مي‌کند

 این چتر خورشید با قطر۱۰متر به محض آن‌که تلسکوپ در مکان درست گرفت، باز شد. چتر خورشیدی همیشه رو به خورشید است و دمای تجهیزات را ثابت نگه مي‌دارد تا بهترین شرایط کاری را فراهم کند.

 

کلسیم منبعی معمول در سیاراتی شبیه زمین است و در شئ آسمانی کوتوله سفید نیز یافت مي‌شود، زیرا این جسم آسمانی سیارات اطراف خود را مي‌بلعد. بنابراین کوتوله سفید نمونه‌ای از آینده زمین است و احتمالا در آینده جسم آسمانی مشابهی زمین را مي‌بلعد.

گایا همچنین اطلاعات زیادی درباره ستاره‌های مشهور آسمان شب مانند ستاره شمال در اختیار انسان‌ها قرار داده است. ستاره‌شناسان با وجود درخشندگی بسیار زیاد این ستاره در آسمان شب، همیشه برای اندازه‌گیری مسافت زمین تا آن دچار مشکل بودند. تا پیش از این ستاره‌شناسان تخمین مي‌زدند فاصله تا این ستاره ۳۲۲تا ۵۲۰ سال نوری باشد اما مشاهدات گایا نشان داد فاصله تا ستاره شمالی ۴۴۵.۵ تا ۴۴۸.۵ سال نوری است.

نقشه دقیق کهکشان راه شیری فرصت بهتری برای دانشمندان فراهم کرد تا میزان مواد کیهانی را با دقت اندازه‌گیری کنند. دانشمندان مي‌توانند با تحلیل دقیق مدار کهکشان‌های کوتوله‌ای که دور راه شیری مي‌چرخند، گرانش کهکشان میزبان را اندازه‌گیری کنند.

دانش بیشتر درباره گرانش کهکشان به محاسبه دقیق‌تر حجم آن کمک مي‌کند.

آپدیت علمی:

نقشه ستارگان به آشکار شدن ماهیت کهکشان راه شیری کمک مي‌کند

 مشاهدات گایا از کهکشان‌های کوتوله، خوشه‌های ستاره‌ای کروی بدون سیاره و ستاره‌های سرگردان به دانشمندان کمک مي‌کند درباره کمیت ماده تاریک در کهکشان راه شیری به درک بهتری برسند. این اطلاعات همچنین نشان مي‌دهند احتمالا راه شیری از کهکشان‌های در حال گذر ستاره مي‌دزدد.

وجود اجسام کوتوله در کهکشان‌های کوتوله از نظریه انفجار بزرگ پشتیبانی مي‌کند

طبق مدل استاندارد اتفاق افتادن انفجار بزرگ، پیش‌بینی مي‌شود کهکشان‌های کوتوله حتی کهکشان‌های کوچک‌تری دارند که دور آن‌ها مدار مي‌زنند. اکنون دانشمندان با توجه به مشاهدات گایا متوجه شده‌اند این امر صحت دارد.

 خوشه‌های بدون سیاره‌ترکیب شیمیایی اشتباه دارند 

خوشه ستاره‌ای کروی 47 Tucanaeهیچ سیاره و هیچ حیاتی ندارد. دانش جدید درباره ‌ترکیبات 47 Tucanae سبب شد دانشمندان هنگام جست‌وجو برای حیات در فضا با سرعت بیشتری خوشه‌های مشابه را جدا کنند.

بازوهای مارپیچ کهکشان به دلیل برخورد به وجود آمده‌اند

اطلاعات گایا نشان داد ستارگان جدید که حرکات و‌ ترکیبات شیمیایی آن‌ها از نظریات درباره کهکشان راه شیری پشتیبانی مي‌کند، بازوهایی مارپیچ دارند. این بازوها هنگام برخورد با کهکشانی دیگر حدود ۱۰ میلیارد سال قبل به وجود آمده‌اند.

 طبق دقیق‌ترین تخمین ستاره‌شناسان حجم کل کهکشان راه شیری ۹۶۰ میلیارد برابر خورشید است اما فقط ۱۵درصد حجم آن به ستارگان تعلق دارد و بقیه آن در ماده تاریک و انرژی تاریک جهان مخفی شده است.

گایا علاوه بر وظیفه نقشه‌کشی کهکشان راه شیری ماموریت‌های مهم دیگری دارد مانند تعیین سرعت گسترش جهان.

جریان‌های ستارگان کمیت ماده تاریک را نشان مي‌دهد

جریان‌های ستاره‌ای کهکشان‌های کوتوله یا خوشه‌های ستاره‌ای کروی هستند که راه شیری بخش‌هایی از آن‌ها را جذب کرده است. اطلاعات جدید گایا درباره جریان‌ها به دانشمندان اجازه مي‌دهد درصد ماده تاریک در کهکشان راه شیری را محاسبه کنند.

دیسک نازک

دیسک ضخیم

هاله

ستارگانی که از کهکشان‌های دیگر سرقت شده‌اند

تحلیلی از حرکات در ابرهای ستارگان در اطراف کهکشان نشان مي‌دهد آن‌ها در مرکز کهکشان راه شیری در مسیری اشتباه مي‌چرخند. این ستاره‌ها احتمالا در کهکشان راه شیری متولد نشده‌اند بلکه از کهکشان‌های در حال گذر سرقت شده‌اند.

تصاویری که ساختار کهکشان را آشکار مي‌کنند

کهکشان راه شیری را مي‌توان به سه عنصر کلی تقسیم کرد که عبارتند از: صفحه‌ای نازک، صفحه ضخیم و یک ابرشبیه توپ یا همان‌هاله. اطلاعات جدید تلسکوپ گایا از درخشندگی و حرکت ستارگان به ستاره‌شناسان کمک کرد تا چهارمیلیون ستاره را براساس حجم، سن و‌ ترکیبات شیمیایی تقسیم کنند. تصویر خانوادگی جدید کهکشان راه شیری همه اجسام آسمانی از کوتوله‌های سفید تا کوتوله‌های قرمز را در دیاگرام Hertzprung Russell گنجانده که ستارگان را براساس دما و درخشندگی‌شان دسته‌بندی مي‌شوند.

صفحه نازک

قلم بازی و نقاشی کهکشان است

صفحه نازک در مرکز کهکشان قرار دارد و شامل ستارگان داغ، جوان و بزرگ است. این روند نشان مي‌دهد بسیاری از ستارگان جدید به‌طور مداوم در مرکز کهکشان راه شیری به وجود آمده‌اند.

 صفحه ضخیم 

فاقد مواد برای ستارگان جدید

در محیط اطراف صفحه ضخیم بر عکس صفحه نازک (گوشه سمت راست نمودار) به‌طور پراکنده موادی دیده مي‌شود. این امر نشان مي‌دهد مواد زیادی برای تشکیل ستاره‌های جوان و بزرگ وجود ندارد.

هاله

شامل دو خانواده از ستارگان است

برای نخستین‌بار دانشمندان نشان دادند ستارگان در بخش اصلی‌هاله از دو خانواده تشکیل شده‌اند. طبق نظریه‌ای، دلیل این امر آن است که یک خانواده از ستارگان پس از برخورد با کهکشانی دیگر به راه شیری آمده است.

گایا دانش جدیدی از کهکشان راه شیری فراهم مي‌کند

گسترش جهان یکی از بقایای انفجار کیهانی است که انفجار بزرگ در 8/13میلیارد سال به وجود آورد. این انفجار مواد را به تمام جهات پرتاب کرد و این حرکت به‌طور مداوم تا به امروز ادامه دارد و جهان مدام در حال گسترش است.

دانشمندان گسترش جهان را به وسیله شاخص Hubble Constant توضیح مي‌دهند. این شاخص به یاد« ادوین‌هابل» نامگذاری شده است. این شاخص نشان مي‌دهد اشیای آسمانی با چه سرعتی از یکدیگر فاصله مي‌گیرند. هرچه فاصله آن‌ها از یکدیگر دورتر شود، با سرعت بیشتری حرکت مي‌کنند. دلیل این امر آن است که جهان به‌طور مداوم در تمام جهات گسترده مي‌شود.

در سال ۲۰۰۹ میلادی ماهواره Planck این شاخص را ۶۷ کیلومتر برثانیه در هر مگاپارسک(megaparsec) اندازه‌گیری کرد اما طبق اطلاعات گایا جهان حتی با سرعتی بیشتر از این در حال گسترش است. اندازه گیری‌های تلسکوپ جدید نشان مي‌دهد شاخص Hubble constant حدود 5/73کیلومتر به ازای هر مگاپارسک است.

دانشمندان دقیقا نمی‌دانند چه چیزی بین این دو فرایند اندازه‌گیری رخ داده است. آیا ویژگی‌های ناشناخته ماده تاریک به افزایش سرعت منجر شده است؟ آیا این تغییر مربوط به کمیت انرژي تاریک در جهان است؟ یا شاید به دلیل وجود ذرات ناشناخته در جهان باشد؟

به هرحال هرچند گایا دقیقا انتظارات دانشمندان را برآورده کرده اما عملکرد آن بدون مشکل نیز نبوده است. این تلسکوپ از همان آغاز با مشکلاتی روبه‌رو بود، زیرا مشخص شد اشعه‌های خطرناک وارد ابزار اصلی فضاپیما شده‌اند و اندازه‌گیری‌ها را دستکاری کرده‌اند. این اشعه‌ها مربوط به فیبرهای رها در انتهای چتر خورشیدی هستند. دانشمندان به محص آن‌که منبع انرژی را یافتند، توانستند مشاهدات را اصلاح کنند.

هنگامی‌که این مشکل برطرف شد، عملکرد گایا به‌طور دقیق و راحت ادامه یافت اما در ۱۸فوریه ۲۰۱۸میلادی این تلسکوپ به‌طور ناگهانی خاموش شد. بررسی‌ها نشان داد دستگاه گیرنده و فرستنده این تلسکوپ که با زمین ارتباط برقرار مي‌کند، خراب شده و به اختلالی مهم در کل سیستم منجر شده است.

خوشبختانه یک دستگاه جایگزین داشت و ۱۰ روز بعد فرایند نقشه کشی کهکشان راه شیری ادامه یافت.

 تلسکوپ‌های جدید مسیر را ادامه مي‌دهند

هنگامی که کریستف کلمب پس از اکتشاف خود در سال ۱۴۹۲ به اروپا بازگشت، دریانوردانی مانند «واسکو داگاما» و «فردیناند ماژلان» به گسترش نقشه جهان کمک کردند. 

 هنگامی که در ۲۰۲۰ گایا نیز بازنشسته شود، ابزارهای دیگری مسئولیت نقشه‌کشی نقاط سفید راه شیری را ادامه خواهند داد.

در سال ۲۰۲۱ میلادی تلسکوپ‌های Euclid و جیمز وب جهان را رصد مي‌کنند. تلسکوپ Euclid با هدف تعیین سرعت دقیق گسترش جهان به فضا ارسال خواهد شد. تلسکوپ جیمز وب نیز جایگزین‌هابل مي‌شود که دردهه ۱۹۹۰ میلادی به فضا فرستاده شد و به اکتشافاتی بنیادین درباره تاریخ جهان منجر شد.

ستاره‌شناسان با توجه به نقشه ستارگان که تلسکوپ گایا آن را تهیه کرده، به دقت مي‌دانند تلسکوپ را به کدام سمت هدف بگیرند تا دورافتاده‌ترین اشیا در جهان را کشف کنند. 

ستارگان درخشان نیز به کاشفان جدید راه شیری کمک مي‌کنند نخستین تمدن فضایی را کشف کنند.

تلسکوپ گایا از زمان پرتاب تاکنون ۱۴۰۹۹ سیارک را ثبت کرده است. 

 فاصله از زمین

5/1میلیون کیلومتر

موقعیت گایا برای اندازه‌گیری:

مسافت: 5/1میلیون کیلومتر

مشاهدات گایا از یک نقطه در فضا انجام مي‌شود که45/1میلیون کیلومتر با زمین فاصله دارد و Lagrange point 2 نام دارد. موقعیت حساس تلسکوپ و فاصله آن تا زمین سبب شده اشعه‌هایی از زمین روی اندازه‌گیری‌ها تاثیر نگدارند.

مشاهدات

گایا به عمق چند میلیارد سال نوری فضا نفوذ مي‌کند

این تلسکوپ فضایی سیارک‌هایی را ردیابی مي‌کند که نزدیک زمین هستند و بارهای توپ مانند کهکشان راه شیری را رصد مي‌کند. حتی کهکشان‌هایی که در مرکزشان سیاهچاله وجوددارد و سه میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارند نمی‌توانند از تیررس این تلسکوپ مخفی بمانند.

 ۷۶۰ میلیون کیلومتر

اشیای منظومه شمسی

۷۵۰ میلیون کیلومتر

حسگرهای تلسکوپ چنان حساس هستند که سیارک‌هایی را ردیابی مي‌کنند که نور خورشید را منعکس مي‌کنند. این حسگرها مي‌توانند صخره‌های درحال حرکت را براساس ویژگی‌های حرکت‌شان را شناسایی کنند.

 ۱۰ سال نوری 

ستارگانی نزدیک منظومه شمسی

 ۱۰ سال نوری

 ستارگان نزدیک به منظومه شمسی تحت تمرکز هستند، زیرا آن‌ها در آینده به ما بسیار نزدیک مي‌شوند. دانشمندان به‌خصوص به ستاره Gliese710 علاقه‌مندند که 3/1میلیون سال دیگر از کنار خورشید مي‌گذرد.

۳۰ هزار سال نوری

ستارگان کهکشان راه شیری

 ۳۰ هزار سال نوری

هنگامی كه گایا در ۲۰۲۰ ماموریت خود را تمام کند، تلسکوپ 7/1میلیارد ستاره کهکشان راه شیری را مکان‌یابی کرده است. حال آن‌که این تعداد، فقط یک درصد کل ستارگان این کهکشان هستند.

۱۰۰ هزار سال نوری

کهکشان‌های کوتوله و خوشه‌های ستاره‌ای

 ۱۰۰ هزار سال نوری

گایا همچنین نور ستارگان موجود در ‌هاله کهکشان راه شیری و خوشه‌های ستاره‌ای کروی و کهکشان‌های کوتوله اطراف ‌هاله را بررسی مي‌کند. دانشمندان امیدوارند این مشاهدات به آن‌ها نشان دهد انفجار بزرگ چگونه رخ داده است.

پنج میلیون سال نوری

کهکشان‌های همسایه

پنج میلیون سال نوری

 کهکشان‌های همسایه را راحت‌تر از راه شیری مي‌توان رصد کرد. زیرا گایا مي‌تواند آن‌ها را از خارج بررسی کند. این تلسکوپ مي‌تواند ستارگان در کهکشان آندرومدا در فاصله 5/2میلیارد سال نوری را رصد کند.

سه میلیارد سال نوری

 کوازرهای دورافتاده

سه میلیارد سال نوری 

کوازرها کهکشان‌هایی با سیاهچاله در مرکز خود هستند. این سیاهچاله‌ها مقادیر کلانی اشعه آزاد مي‌کنند. کوازرها دورافتاده‌ترین و قدیمی‌ترین اشیایی هستند که ستارگان در جهان شناسایی کرده‌اند.