نگاه آغازین
در نگاه اول، پرسش درباره علت تشکیل کهکشانها و فرآیند شکلگیری آنها یکی از بنیادیترین سوالات کیهانشناسی است؛ میپرسیم چرا ساختارهای عظیمی مثل راه شیری یا کهکشان آندرومدا وجود دارند و چگونه از مواد اولیهٔ پس از بیگ بنگ پدید آمدند.
پاسخ نه تنها به تاریخ نخستین ثانیههای کیهان پیوند دارد، بلکه به نقش مادهٔ تاریک، گرانش، گازهای سرد و بازخورد ستارهای و سیاهچالهها نیز وابسته است. در این مقدمه کوتاه، یک تصویر کلی از مراحل اصلی شکلگیری کهکشانها میدهم تا در بخشهای بعدی وارد جزئیات علمی، شواهد رصدی و نتایج شبیهسازیها شویم.
🙏 اگر محب اهل بیت هستید یک صلوات بفرستید و اگر کورش بزرگ شاه شاهان را قبول دارید برای سرافرازی میهن عزیزمان دعا کنید
پرداخت میانی
برای فهم علت تشکیل کهکشانها و فرآیند شکلگیری آنها باید چند اصل کلیدی را روشن کنیم: نوسانات چگالی اولیه، گرانش و مادهٔ تاریک، آشکارسازی و خنکسازی گازهای باریونی، و تأثیر بازخوردها. این فرایندها بر هم تأثیر میگذارند و نتیجتاً کهکشانها با طیف گستردهای از اندازهها و مورفولوژیها شکل میگیرند.
1) نوسانات چگالی و آغاز کار پس از بیگ بنگ، کیهان تا حد زیادی یکنواخت بود اما نوسانات چگالی بسیار کوچک در تابش زمینهٔ کیهانی (CMB) ثبت شدهاند. این نوسانات—که شواهدشان را ماهوارههای COBE، WMAP و پلانک مشاهده کردهاند—به عنوان بذرهایی عمل کردند که گرانش آنها را رشد داد.
تصور کنید سطح آب بسیار آرامی که در نقاطی کمی فرو رفتگی دارد؛ در طول زمان، این فرو رفتگیها بزرگتر میشوند.
دقیقاً همین اتفاق برای چگالی ماده افتاد و هستههای نخستینِ ساختارها شکل گرفتند. 2) نقش مادهٔ تاریک یک نکتهٔ کلیدی که علت تشکیل کهکشانها را روشن میکند، وجود مادهٔ تاریک است.
مادهٔ تاریک با ورودش به بازی، چارچوب گرانشی مورد نیاز برای تجمع مادهٔ باریونی (گازهای هیدروژن و هلیوم) را فراهم میآورد. این ماده نور ساطع نمیکند اما از طریق اثرات گرانشیاش قابل تشخیص است—مثلاً در سرعت چرخش کهکشانها یا عدسیهای گرانشی.
هالههای مادهٔ تاریک ابتدا شکل میگیرند و سپس گاز باریونی به داخل آنها سقوط میکند؛ بدون هالههای تاریک، گاز به تنهایی زمان زیادی نیاز داشت تا به چگالیهای لازم برای تشکیل ستاره برسد.
3) خنکسازی و تشکیل ستاره وقتی گاز به هالهٔ تاریک وارد میشود، باید انرژی گرماییاش را از دست بدهد تا متراکم شود؛ این خنکسازی از طریق تابش الکترونیکی، خطوط اتمی و مولکولی و برخوردها صورت میگیرد.
در هالههای کوچکتر و در دورهٔ اولیه کیهان، خنکسازی مولکولی (مثلاً H2) حیاتی بود. وقتی گاز خنک شد، دیسکها یا هستههای مرکزی شکل گرفتند و نخستین ستارگان متولد شدند.
نرخ تشکیل ستاره و بازخوردهای حاصل (انرژی و بادهای ستارهای، انفجارهای اَبَرنواختری) نقش تعیینکنندهای در ادامهٔ فرآیند داشتند: بازخورد میتواند گاز را بیرون براند یا جلوی خنکسازی مجدد را بگیرد. 4) انتقال تکاملی و ادغامها (mergers) کهکشانها معمولاً بهطور ایستا رشد نمیکنند؛
آنها در شبکهٔ کیهانی به هم پیوستهاند و برخوردها و ادغامها بخش مهمی از تاریخشان است. مدل سلسلهمراتبی (hierarchical formation) نشان میدهد ساختارهای کوچکتر با هم ادغام شده و ساختارهای بزرگتر را پدید میآورند.
ادغامها میتوانند دیسکهای مارپیچی را مختل کنند و کهکشانهای بیضوی شکل دهند، یا موجی از تشکیل ستاره را در مرکزی از کهکشان راه بیندازند. مشاهدهٔ کهکشانهای دارای دنبالهٔ گازی یا ساختارهای غیرمعمول، شاهدی بر این فرآیندهاست.
5) توزیعهای مورفولوژیک و نقش تکانه زاویهای چرا برخی کهکشانها مارپیچیاند و برخی بیضوی؟ یکی از عوامل اصلی، مقدار تکانه زاویهای به هنگام تجمع گاز است.
گاز با تکانه زاویهای بالا در دیسک گسترده میشود و در نتیجه کهکشان مارپیچی شکل میگیرد؛ اگر ادغامهای خشونتآمیز رخ دهد، تکانه زاویهای پخش شده و ساختار بیضوی پدید میآید.
همچنین نرخ تشکیل ستاره و تاریخچهٔ گازِ قابل دسترس تعیینکنندهٔ رنگ و روشنایی هستند: کهکشانهای آبی فعال ستارهسازی و کهکشانهای قرمز معمولاً پیر و ستارهایافتنداند. 6) اثرات بازخورد اَبَرسیاهچالهها و محیط هستههای فعال (AGN) که توسط سوخترسانی به سیاهچالهٔ مرکزی ایجاد میشوند، میتوانند با پرتوها و جتها، گاز اطراف را گرم یا برافشانند و به این ترتیب رشد ستارهای را محدود کنند.
در خوشههای کهکشانی، خنکسازی گاز داغِ محیط میتواند با فشردهسازی آن را در اختیار کهکشانها قرار دهد یا بالعکس باعث خروج ماده شود. بنابراین، علت تشکیل کهکشانها و چگونگی تکامل آنها پیوند محکمی با فیزیک مقیاس بزرگ و کوچک دارد.
7) شواهد رصدی و شبیهسازیها برای اعتبار بخشیدن به نظریهها، رصدها و شبیهسازیهای عددی ضروریاند. تابش زمینه کیهانی نوسانات اولیه را نشان میدهد؛
نقشههای توزیع کهکشانها در پیمایشهای قرمزشدگی (redshift surveys) مانند SDSS ساختارهای بزرگمقیاس را نمایان کردهاند؛ طیفهای کهکشانها اطلاعاتی دربارهٔ سن و ترکیب شیمیایی ستارگان میدهند.
از سوی دیگر، شبیهسازیهایی مثل Millennium، Illustris و EAGLE با شبیهسازی مادهٔ تاریک و فرآیندهای باریونی، توانستهاند بسیاری از ویژگیهای مشاهدهشده را بازتولید کنند و بینش عمیقتری دربارهٔ علت تشکیل کهکشانها فراهم کنند. البته هنوز سوالات باز بسیاری هست: مثلاً رفتار مادهٔ تاریک در مقیاسهای کوچک، یا جزئیات فیزیک بازخوردها که به دقت قابل مدلسازی نیست.
8) مثال عملی و تجربهٔ شخصی اگر یک شب صاف را کنار تلسکوپ کوچک یا حتی با چشم غیرمسلح به آسمان نگاه کنید و راهشیری را ببینید، در واقع نور میلیونها ستاره و تاریخ میلیاردها سالهٔ کهکشانتان را مشاهده میکنید. من خودم عملاً وقتی تصاویر عمیق میدان هابل را دیدم متوجه شدم که کهکشانها نه موجودات ایستا، بلکه نتیجهٔ تاریخچهای پیچیده از رشد، ادغام و بازخوردند؛
هر لکهٔ نور یک داستان از شکلگیری ستاره و ردپای فرایندهای کیهانی را در بر دارد. 9) نتیجهگیری روندی در یک نگاه کلان، علت تشکیل کهکشانها ترکیبی از نوسانات اولیه و گرانش مادهٔ تاریک است که با فیزیک باریونی و بازخوردها در هم میآمیزد تا ساختارهای بزرگمقیاس را شکل دهد.
فرآیند شکلگیری آنها نیز شامل جذب و خنکسازی گاز، تشکیل ستاره، ادغامها و تأثیرات محیطی است. پیشرفت در رصد و محاسبات عددی هر ساله جزئیات بیشتری فاش میکند و تصاویر جدیدی از تاریخ کیهان ارائه میدهد.
نگاه پایانی
علت تشکیل کهکشانها و فرآیند شکلگیری آنها مجموعهای از مکانیسمهای درهمتنیده است که از نوسانات ابتدایی تا تعاملات پیچیدهٔ گاز و سیاهچالهها را دربرمیگیرد. هر کهکشان حاصل تاریخچهای منحصربهفرد از تجمع، خنکسازی، ستارهسازی و ادغام است.
مطالعهٔ این فرآیندها نه تنها به شناخت ساختارهای آسمانی کمک میکند، بلکه کمک میکند جایگاه زمین و کهکشان ما را در تاریخ بلند کیهان بهتر بفهمیم. اگر کنجکاوید، پیگیری اخبار رصدی و تصاویر جدید از تلسکوپها و شبیهسازیها راه خوبی برای دیدن زندهٔ این فرایندهاست.