چرا کهکشان ما می‌چرخد؟

فرادید | شاید پرسش این که «چرا کهکشان‌ها می‌چرخند؟» به نظر ساده بیاید، اما وقتی به جواب این سوال فکر کنید مشکلاتی پیش روی خود خواهید دید. فرض کنید یک سیستم بسته از گاز را رها کنید تا به خاطر گرانش خودش منقبض شده و به یک کهکشان بزرگ با انبوهی از ستارگان و سحابی‌ها تبدیل شود. به راحتی می‌توان نشان داد که اگر همه ذرات گاز در ابتدا ساکن باشند، یا حتی در حال انبساط با جهان باشند، آنگاه کهکشان نهایی هیچ گونه چرخشی نخواهد داشت.

جرج گاموفف فکرمی‌کرد که شاید شرایط ابتدایی کیهان ما که بسیار آشوبناک بوده، چرخشی اولیه به ذرات گاز بخشیده که تا کنون دوام آورده است. اما تحقیقات بعدی نشان داد که چنین چیزی ناممکن است، کیهان اولیه محیطی بسیار همگن و بدون آشوب بوده است.

فرد هویل در سال ۱۹۴۹ پیشنهاد دیگری مطرح می‌کند. یکی از فرض‌هایی که در ابتدا مطرح کردیم صحیح نیست: گازی که نهایتا قرار است تبدیل به کهکشان شود یک سیستم بسته» نیست و با گاز‌های اطراف که قرار است کهکشان‌های همسایه را تشکیل دهند در حال تعامل گرانشی است. گشتاوری که از طریق این تعامل گرانشی روی گاز در حال سقوط اثر می‌کند، نهایتا باعث ایجاد چرخش در کهکشان نهایی می‌شود.

جیمز پیبلز، در سال ۱۹۶۹ اولین محاسبات را بر مبنای همین تصویر هویل انجام داد. پیبلز از پیشروان نظریه تشکیل ساختار‌های کیهانی است، نظریه‌ای که تصویری دقیق از نحوه شکل گرفتن کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی به دست میدهد، ابزار‌های ریاضی و مفاهیم فیزیکی که به کمک پیبلز توسعه یافته بودند چنین محاسباتی را ممکن می‌ساخت (در واقع ۵۰ سال بعد یعنی در سال ۲۰۱۹، پیبلز به خاطر سهمی که در پیشبرد کیهانشناسی داشت برنده جایزه نوبل فیزیک شد).

کیهان شناسان دیگری همچون درشکویچ و وایت با ادامه دادن این مسیر و انجام شبیه سازی و محاسبات بیشتر نهایتا تصویر دقیقی از منشا چرخش اولیه کهکشان‌ها به دست دادند که بین کیهان شناسان به «نظریه گشتاور کشندی» معروف شد. قلب این نظریه همان پیشنهاد هویل است؛ ماده‌ای که قرار است نهایتا به کهکشان تبدیل شود، اگر تحت اثر میدان گرانشی مواد اطراف خودش قرار بگیرد، به خاطر گشتاور آن‌ها شروع به چرخش خواهد کرد.

این نظریه گرچه در توضیح منشا اولیه چرخش کهکشان‌ها نسبتا موفق است، اما توضیحی برای تحول چرخش کهکشان‌ها (یعنی تغییرات چرخش در طی زمان) ندارد. در تصویر نظریه گشتاور کشندی، چرخش کهکشان‌ها بعد از تشکیل شدن آن‌ها تغییر نمی‌کند چرا که اندازه آن‌ها بسیار کوچک شده و تعامل گرانشی موثری با ماده اطراف خود ندارند و چرخش آن‌ها ثابت می‌ماند.

واقعیت این است که محاسبات نظریه گشتاور کشندی تنها برای زمانی قابل اعتماد است که چگالی ماده هنوز بسیار کوچک باشد. اگر چگالی ماده کهکشان نسبت به چگالی کیهان بزرگ باشد محاسبات بسیار پیچیده میشود. این زمانی است که اثرات غیر خطی غالب شده اند و این دقیقا همان زمانی است که کهکشان تشکیل شده است. معمولا محاسبه اثرات غیر خطی بسیار مشکل و در بسیاری موارد حتی غیر ممکن است. همین امر باعث شده که ارائه تصویر دقیقی از تغییر و تحول چرخش کهکشان‌ها مشکل شود.

یکی از مهمترین موارد شناخته شده‌ای که چرخش کهکشان‌ها را دچار تغییرات بزرگی می‌کند ادغام کهکشان هاست. وقتی دو کهکشان با هم ادغام شوند چرخش کهکشان نهایی، برایند چرخش دو کهکشان به دور خودشان و دور یکدیگر خواهد بود. بر همین مبنا مدل‌هایی وجود دارد که از روی تاریخچه ادغام کهکشان‌ها میتواند تحول چرخش آن‌ها را توضیح دهد.

اما اثر دیگری هم هست که تا کنون به طور جدی در نظر گرفته نشده است، همان اثری که باعث شده ما همیشه یک روی ماه را ببینیم: اثر قفل گرانشی. قفل گرانشی در منظومه شمسی بسیار متداول است، غیر از ماه که به دلیل قفل گرانشی همیشه فقط یک سمت آن رو به زمین است، قمر‌های گالیل‌های مشتری و بیشتر قمر‌های زحل نیز به سیاره خودشان قفل شده اند و همیشه یک سمت آن‌ها رو به سیاره مادرشان است.

دلیل این پدیده اثرات جزر و مدی سیارات و قمرهایشان روی یکدیگر است، اثرات جذر و مدی زمین روی ماه سرعت گردش ماه به دور خودش را به تدریج تغییر داده است تا نهایتا همیشه یک سمت ماه رو به زمین باشد. همین حالا ماه در حال تغییر سرعت زمین است تا در آینده دور، شبانه روز زمین بلندتر از ۲۴ ساعت شود.

در مورد کهکشان‌ها ما شاهد چنین قفل دقیقی نیستیم، در واقع کهکشان‌هایی که در مدار دایره‌ای دور یکدیگر بگردند مثل سیارات بسیار نادر اند و با گذشت زمان نیز با یکدیگر ادغام خواهند شد. اما وقتی دو کهکشان از کنار یکدیگر عبور می‌کنند، با مکانیزمی مشابه می‌توانند سرعت چرخش یکدیگر را تغییر دهند بدون این که با هم ادغام شوند. معمولا سال‌های بسیاری طول می‌کشد تا سرعت چرخش سیارات درصد قابل توجهی تغییر کند، اما ابعاد بسیار بزرگتر و بافت بسیار رقیق‌تر کهکشان‌ها باعث می‌شود حتی یک بار عبور از کنار هم نیز موجب تغییر قابل ملاحظه‌ی چرخش کهکشان‌ها شود.

احسان ابراهیمیان، دانشجوی مقطع دکتری کیهان شناسی و نویسنده این مقاله می‌گوید: ما با در نظر گرفتن اثر قفل گرانشی و محاسبه تاثیر آن روی کهکشان‌ها و مقایسه نتیجه محاسبات با شبیه سازی TNG تاییدی برای وجود اثر قفل گرانشی یافته ایم.

نتایج این تحقیقات که در قالب پروژه دکتری تحت نظارت دکتر علی اکبر ابوالحسنی انجام شده، در ماه جاری در مجله The Astrophysical Journal چاپ و منتشر شده است. وجود این اثر درک بهتری از ارتباط شکل کهکشان‌ها با محیط پیرامون شان به دست میدهد و این به نوبه خود در تحلیل داده‌های ریزهمگرایی گرانشی بسیار با اهمیت خواهد بود.

از این به بعد هر وقت ماه در آسمان بود، به یاد داشته باشید برای یافتن بخشی از جواب این سوال که «چرا کهکشان ما می‌چرخد؟» باید به ماه نگاه کنیم.

منبع: Space.com , Nasa.gov