راه شیری شاید از هزاران کهکشان کوچک آغاز شده باشد

شبیه‌سازی‌های جدید ابررایانه‌ای، تصویری متفاوت از دوران کودکی راه شیری ارائه می‌کنند؛ ناحیه‌ای که امروز خانه ماست، ممکن است در نخستین میلیاردهای سال عمر کیهان مجموعه‌ای آشفته از هزاران سامانه کوچک بوده باشد که به‌تدریج در کنار یکدیگر قرار گرفتند و ساختار کنونی راه شیری را شکل دادند.

دانشمندان دانشگاه شیکاگو با استفاده از یکی از دقیق‌ترین شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای انجام‌شده از شکل‌گیری کهکشان‌های شبیه راه شیری، روند تحول این کهکشان را از نخستین دوره‌های عمر کیهان بازسازی کرده‌اند.

این پروژه که MEGATRON نام دارد، سه سال زمان برد تا روی ابررایانه‌ها اجرا شود و شش مقاله علمی حاصل از آن در The Open Journal of Astrophysics منتشر شده است.

راه شیری در آغاز چه شکلی داشت؟

بر اساس این شبیه‌سازی، حدود ۱۸۰ میلیون سال پس از مهبانگ، ناحیه‌ای که بعدها به محیط کیهانی راه شیری تبدیل شد، شباهت چندانی به کهکشان مارپیچی امروزی نداشت.

در آن زمان، هزاران سامانه کوچک با ویژگی‌های متفاوت در این منطقه وجود داشتند؛ برخی به‌شدت در حال تولید ستاره بودند، برخی عمدتاً از گاز تشکیل شده بودند و برخی دیگر ستاره‌های خود را از دست داده یا میزبان بقایای ستاره‌ای و سیاهچاله‌ها بودند.

مدل MEGATRON سپس این محیط را برای حدود دو میلیارد سال دنبال می‌کند و نشان می‌دهد چگونه گاز، تحت تأثیر گرانش، سرد و متراکم می‌شود، ستاره‌های جدید شکل می‌گیرند و انفجارهای ستاره‌ای دوباره محیط اطراف را گرم می‌کنند. ادغام کهکشان‌ها نیز در این فرآیند نقش مهمی دارد.

شبیه‌سازی برای تلسکوپ‌های جدید طراحی شده است

یکی از ویژگی‌های مهم این پروژه آن است که پژوهشگران فقط به دنبال بازسازی جرم و ساختار کهکشان‌ها نبوده‌اند؛ بلکه تلاش کرده‌اند پیش‌بینی کنند چنین کهکشان‌هایی از دید تلسکوپ‌هایی مانند جیمز وب و هابل چگونه به نظر می‌رسیده‌اند.

این امکان به دانشمندان اجازه می‌دهد پیش‌بینی‌های مدل را با داده‌هایی که امروز از کهکشان‌های بسیار دور و بسیار قدیمی دریافت می‌شود، مقایسه کنند.

به گفته هارلی کاتز، استاد نجوم و اخترفیزیک دانشگاه شیکاگو و از رهبران این پروژه، شبیه‌سازی جدید برای نخستین بار امکان پیش‌بینی مستقیم ویژگی‌هایی را فراهم می‌کند که می‌توان انتظار داشت تلسکوپ‌های قدرتمند امروزی از «طلوع کیهانی» یک کهکشان شبیه راه شیری ثبت کنند.

کهکشان‌هایی که شاید اصلاً ستاره نداشتند

یکی از نتایج جالب این شبیه‌سازی، پیش‌بینی وجود سامانه‌هایی است که ممکن است هیچ ستاره‌ای نداشته باشند اما همچنان قابل مشاهده باشند.

برخی از این سامانه‌ها ممکن است زمانی ستاره داشته‌اند و ستاره‌هایشان در انفجارهای عظیم از بین رفته یا مستقیماً به سیاهچاله تبدیل شده باشند. برخی دیگر نیز ممکن است اساساً تنها از گاز تشکیل شده باشند.

این پیش‌بینی می‌تواند در جست‌وجوی سامانه‌های بسیار کم‌نور و کم‌ستاره در کیهان اولیه اهمیت داشته باشد.

راز آهن و نخستین ستاره‌های کیهان

این شبیه‌سازی همچنین به یکی از پرسش‌های قدیمی اخترفیزیک درباره مقدار آهن در کهکشان‌های کوچک پاسخ احتمالی ارائه می‌دهد.

دانشمندان مدت‌هاست می‌دانند که کهکشان‌های کوچک و کم‌نور معمولاً آهن کمتری دارند، اما در کم‌نورترین سامانه‌ها این رابطه از بین می‌رود و میزان آهن تقریباً ثابت می‌ماند.

مدل MEGATRON پیشنهاد می‌کند که انفجارهای نسل نخست ستاره‌ها، موسوم به ستاره‌های جمعیت سوم یا Population III، می‌توانند بخشی از این رفتار را توضیح دهند.

این ستاره‌ها از قدیمی‌ترین ستاره‌های احتمالی کیهان هستند و تقریباً از هیدروژن و هلیوم اولیه تشکیل شده‌اند. بر اساس این مدل، انفجار برخی از آنها می‌توانسته مقادیر قابل توجهی آهن تولید کند. کهکشان‌های بزرگ‌تر توانایی بیشتری برای نگه داشتن این عناصر داشته‌اند، در حالی که کهکشان‌های کوچک‌تر ممکن است آنها را به فضای میان‌کهکشانی از دست داده باشند.

نکته مهم این است که هیچ ستاره جمعیت سومی تاکنون به‌طور مستقیم مشاهده نشده است. شبیه‌سازی جدید با پیش‌بینی محیط‌هایی که احتمال وجود چنین ستاره‌هایی در آنها بیشتر است، می‌تواند به جست‌وجوی آینده برای یافتن آنها کمک کند.

چرا این شبیه‌سازی اهمیت دارد؟

MEGATRON تنها یک تصویر رایانه‌ای زیبا از گذشته راه شیری نیست. پژوهشگران در این مدل، گرانش، هیدرودینامیک، تابش، شیمی و فرآیندهای ستاره‌ای را به‌صورت هم‌زمان وارد محاسبات کرده‌اند.

مدل همچنین برای نخستین بار در چنین مقیاسی، شکل‌گیری و توزیع عناصر شیمیایی مختلف را در کنار فرآیندهای پیچیده‌ای مانند فیزیک خارج از تعادل دنبال می‌کند؛ شرایطی که در آن گاز و شیمی محیط کهکشانی دائماً در حال تغییر است و نمی‌توان آن را در حالت تعادل فرض کرد.

نتیجه اصلی این است که گذشته بسیار دور کیهان همچنان در ساختارهایی که امروز مشاهده می‌کنیم ردپای خود را حفظ کرده است.

به بیان ساده‌تر، راه شیری از ابتدا یک کهکشان کامل و منظم نبوده است؛ بلکه ساختار امروزی آن نتیجه میلیاردها سال ادغام، تولد و مرگ ستاره‌ها، حرکت گاز و اثر متقابل هزاران سامانه کوچک بوده است.

و شاید جالب‌ترین بخش داستان همین باشد: وقتی به آسمان شب نگاه می‌کنیم، آنچه یک کهکشان واحد و آرام به نظر می‌رسد، در واقع محصول تاریخی بسیار طولانی از برخورد، ادغام و تحول کیهانی است.