آسایشگاهی برای ستارگان پیر

اخترشناسان بر این باورند كه ستارگان درون ابرهایی از گاز در حال رمبش هیدروژن به وجود می آیند. این گاز به طور عمده از مولكول های هیدروژن تشكیل شده است. هر مولكول هیدروژن از دو اتم هیدروژن متصل به هم به وجود می آید. دیدن این ابرها بسیار دشوار است، زیرا جو زمین بخش عمده نور گسیل شده از آن را جذب می كند. با این همه گاز دیگری به نام كربن منواكسید همیشه وجود دارد كه می توان به سادگی آن را از زمین مشاهده كرد. اخترشناسان رادیواخترشناسی موسسه ماكس پلانك نقشه دقیقی از این منطقه تشكیل ستارگان در كهكشان آندرومدا تهیه كرده اند.
ستارگان چگونه به وجود آمدند؟ این یكی از مهمترین پرسش های اخترشناسی است. می دانیم كه فرآیند تشكیل ستاره ها در ابرهای گازی سرد كه دمایشان كمتر از oc ۲۲۰- (k ۵) است، روی می دهد. فقط در چنین منطقه هایی با گازهای چگال است كه گرانش می تواند به رمبش و تشكیل ستارگان منجر شود. ابرهای گازی سرد كهكشان ها به طور عمده از مولكول های هیدروژن یا H۲ تشكیل شده اند. (مولكول های هیدروژن از دو اتم هیدروژن متصل به هم به وجود می آیند.) این مولكول ها یك خط طیفی در محدوده زیر قرمز طیف منتشر می كنند كه به وسیله تلسكوپ های زمینی نمی توان آن را مشاهده كرد، زیرا جو زمین این تابش را جذب می كند. بنابراین اخترشناسان مولكول دیگری را بررسی می كنند كه همیشه همراه H۲ است. این مولكول كربن منواكسید (CO) است. خط طیفی شدید CO در طول موج mm ۲‎/۶را می توان به وسیله رادیوتلسكوپ های زمینی مستقر در مكان های مناسب جوی مشاهده كرد. كوهستان های مرتفع و خشك صحراها یا قطب جنوب برای این منظور مناسب است. وجود كربن منواكسید در فضای كیهانی نشانی است بر وضعیت مطلوب برای تشكیل ستارگان و سیاره های جدید.
پژوهش های مربوط به توزیع كربن منواكسید در كهكشان راه شیری ما مدت های زیادی انجام شده است. اخترشناسان مقدار زیادی گاز سرد یافته اند كه برای تشكیل ستاره طی میلیون ها سال آینده كفایت می كند. اما هنوز پرسش های بسیاری بدون پاسخ مانده است، برای مثال چگونه این مولكول های گاز كه ماده خام تشكیل ستاره است، به وجود آمده اند. آیا این ماده خام در مراحل ابتدایی تشكیل كهكشان ها به وجود می آید؟ آیا این ماده خام از گازهای اتمی داغ به وجود می آید؟ آیا ابرهای مولكولی خود به خود می رمبند یا لازم است كه از بیرون كاری صورت گیرد تا آن را ناپایدار كند و باعث رمبش شود؟ از آنجایی كه خورشید در صفحه راه شیری واقع است، به دست آوردن بینشی از فرآیندهای انجام شده در كهكشان ما بسیار دشوار است. نگاه از «بیرون» در این مورد كمك خوبی است و به همین دلیل نگاهی به همسایه كیهانی ما می تواند بسیار مفید باشد.
كهكشان آندرومدا كه آن را با نام M۳۱ نیز می شناسند، منظومه ای از میلیاردها ستاره است كه به كهكشان راه شیری ما شباهت دارد. فاصله M۳۱ از ما فقط ۵/۲ میلیون سال نوری است و نزدیكترین كهكشان مارپیچ محسوب می شود. پهنای این كهكشان در آسمان حدود ۵ درجه است و می توان آن را با چشم غیرمسلح هم دید كه به صورت ابر كمرنگی مشاهده می شود. بررسی این همسایه كیهانی به ما كمك می كند فرآیندهای انجام شده در كهكشان خودمان را درك كنیم.
در سال ۱۹۹۵ گروهی از اخترشناسان رادیواخترشناسی میلی متری (IRAM) و گروهی از بخش رادیواخترشناسی موسسه ماكس پلانك (MPIfR) طرح بلندپروازانه نقشه برداری از كل كهكشان آندرومدا در خط طیفی كربن منواكسید را آغاز كردند. ابزاری كه در این طرح به كار رفت، رادیوتلسكوپ ۳۰ متری IRAM بود كه در پیكو وله تا (۲۹۷۰ متر) در نزدیكی گرانادای اسپانیا مستقر است. با توجه به قدرت تفكیك زاویه ای ۲۳ ثانیه قوسی (در فركانس مشاهده ای ۱۱۵GH۲ و طول موجmm ۲‎/۶) ۵/۱ میلیون مكان مجزا و منفرد باید اندازه گیری می شد. برای تسریع فرآیند مشاهده، از شیوه جدیدی برای اندازه گیری استفاده شد. رادیوتلسكوپ در این شیوه به جای مشاهده جداگانه هر موقعیت، اطلاعات را به طور پیوسته از تمام كهكشان جمع آوری می كند. این شیوه رصد كه «در حركت» (on the fly) نامیده می شود، به طور اختصاصی برای طرح M۳۱ ابداع شد كه امروزه روشی استاندارد نه فقط در رادیوتلسكوپ پیكو وله تا بلكه در دیگر رادیوتلسكوپ هایی است كه در طول موج های میلی متری رصد می كنند.
برای هر مكان مشاهده شده در M۳۱ فقط یك مقدار برای شدت CO ثبت نشد، بلكه به طور همزمان ۲۵۶ مقدار به دست آمد كه پهنای باند آن ۲/۰ درصد طول موج مركزی ۶/۲ میلی متری است. بنابراین كل اطلاعات رصدی مجموعه ای ۴۰۰ میلیونی را به وجود آورد! مكان دقیق خط CO در طیف، اطلاعاتی در مورد سرعت گاز سرد به ما می دهد. اگر گاز به سمت ما حركت كند، خط به سمت طول موج های كوتاه تر می رود. هنگامی كه منبع از ما دور می شود، جابه جایی به سمت طول موج های بزرگتر روی می دهد. این پدیده كه اثر داپلر نام دارد، همان پدیده ای است كه هنگام آژیر كشیدن آمبولانسی كه به سمت ما می آید، یا از ما دور می شود به وقوع می پیوندد. در اخترشناسی با استفاده از اثر داپلر حركت ابرهای گاز را بررسی می كنند. حتی در مواردی كه ابرهایی با سرعت های متفاوت در خط واحدی مشاهده می شوند، تمایز آنها امكان پذیر است. اگر خط طیفی پهن باشد، یا ابر در حال انبساط است، یا ابرشامل چندین بخش است كه هر كدام سرعت متفاوتی دارند.
این رصدها در سال ۲۰۰۱ به پایان رسید. با توجه به بیش از ۸۰۰ ساعت كار تلسكوپ این طرح یكی از بزرگترین طرح هایی است كه به وسیله تلسكوپ های IRAM یا MPIfR انجام شده است. پس از پردازش و تحلیل كامل مقدار زیادی از اطلاعات، توزیع كامل گاز سرد در M۳۱ منتشر شد. (شكل بالا سمت چپ)
خط CO در طیف گاز سردM۳۱ در جای مناسبی واقع شده و بررسی ساختار بازوی مارپیچ را امكان پذیر می سازد. بازوهای مارپیچ مجزا در فاصله ۲۵ هزار تا ۴۰ هزار سال نوری از مركز آندرومدا واقع شده اند كه بیشتر ستاره ها در این منطقه تشكیل می شوند. در منطقه مركزی كه ستارگان پیر متمركز شده اند، خط های CO بسیار ضعیف ترند. با توجه به شیب زیاد M۳۱ نسبت به خط دید (حدود ۷۸ درجه) بازوهای مارپیچ حلقه بیضوی بزرگی را می سازند. در حقیقت مدت های زیادی به اشتباه آندرومدا را كهكشانی حلقوی در نظر می گرفتند.
نقشه سرعت گازها (شكل زیر) شبیه به عكس یك حلقه آتش است. در یك سمت (در بخش پایین، چپ) گاز CO با سرعت حدود ۵۰۰ كیلومتر بر ثانیه به سمت ما حركت می كند (بخش آبی) اما در سمت دیگر (بالا، راست) با سرعت ۱۰۰ كیلومتر بر ثانیه (قرمز) حركت می كند. از آنجایی كه كهكشان آندرومدا با سرعت ۳۰۰ كیلومتر بر ثانیه به سمت ما حركت می كند، حدود دو میلیارد سال دیگر از كهكشان راه شیری كاملاً عبور می كند. علاوه بر آن M۳۱ با سرعت حدود ۲۰۰ كیلومتر حول محور اصلی می گردد. از آنجایی كه ابرهای داخلی CO مسیر كوتاه تری نسبت به ابرهای بیرونی را می پیمایند، می توانند سبقت بگیرند. این پدیده به ساختار مارپیچ منجر می شود.چگالی گازهای مولكولی سرد در بازوهای مارپیچ بیشتر از چگالی گازها بین این بازوها است، اما گازهای اتمی به طور یكنواخت تری توزیع شده است. این پدیده بیانگر آن است كه گازهای مولكولی از گازهای اتمی موجود در بازوهای مارپیچ به ویژه در حلقه های باریك تشكیل ستاره به وجود آمده است. منشاء این حلقه هنوز نامعلوم است. شاید گاز موجود در حلقه موادی باشد كه هنوز برای تشكیل ستارگان استفاده نشده است، شاید هم میدان مغناطیسی M۳۱ موجب تشكیل ستارگان در بازوهای مارپیچ شود. رصدهای انجام شده با تلسكوپ افلسبرگ (Effelsberg) نشان داد كه میدان مغناطیسی از همان بازوهای مارپیچ دیده شده درCO تبعیت می كند.حلقه تشكیل ستارگان (ناحیه تولد) در كهكشان راه شیری ما از ۱۰ تا ۲۰ هزار سال نوری از مركز كهكشان وسعت دارد كه از منطقه مشابه M۳۱ كوچكتر است. اما به رغم آن، مولكول های گاز راه شیری ۱۰ برابر بیشتر است. با توجه به اینكه سن كهكشان ها برابر است، بازدهی كهكشان راه شیری نسبت به مواد اولیه اش بیشتر است. از طرف دیگر تعداد زیاد ستارگان پیر در مركز M۳۱ بیانگر آن است كه سرعت تشكیل ستارگان در گذشته بسیار بیشتر از زمان حال بوده. از این رو بیشتر گازها پیش از این مصرف شده اند. نقش جدید CO نشان می دهد كه فرآیند تشكیل ستارگان در آندرومدا در گذشته بسیار كارآمد بود. شاید میلیاردها سال پس از این، كهكشان راه شیری ما به وضعیت فعلی آندرومدا شبیه شود.

www.universetoday.com
ترجمه: سلیمان فرهادیان

منبع : روزنامه شرق