نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه هشتم

اهداف جلسه:

• آشنایی با کهکشان ها
• آشنایی با انواع کهکشان ها
• آشنایی با کهکشان راه شیری

وسایل مورد نیاز:

• اینترنت پر سرعت
• کاغذ مقوایی 5 عدد
• چسب
• اکلیل یا مروارید ریز
• ماژیک

مقدمه

تمام اطاعاتی که تاکنون درباره آسمان شب، ستارگان و تولد و مرگ آنها، نظریه نسبیت خاص، نظریه نسبیت عام و سیاهچاله ها آموختید کمک بزرگی در درک بهتر مباحث این درس که مبحث پایانی می باشد، خواهد نمود. می توان گفت بیش ترین جرم قابل مشاهده جهان، در دل کهکشان ها نهفته است و بیش ترین جرم هر کهکشان را ستارگانش تشکیل می دهد. در این جلسه با ماهیت کهکشان و انواع آن آشنا خواهید شد. هم چنین درباره کهکشانی که در آن زندگی می کنیم، یعنی کهکشان راه شیری، اطلاعات مفیدی کسب خواهید کرد.

8-1 کهکشان چیست؟

تمام اجرامی که در آسمان شب می بینیم اعم از ستارگان، سیارات، سحابی ها، همه و همه متعلق به سامانه‌هایی بزرگ با اندازه و مرزی مشخص هستند که به آنها کهکشان گفته می شود. در حقیقت کهکشان ها توده های بسیار بزرگی از ستارگان، گاز و غبار هستند، که همه‌ی اینها به وسیله ‌ی نیروی گرانشی در کنار همدیگر قرار می‌گیرند. کلمه کهکشان به انگلیسی  Galaxy  برگرفته از ریشه یونانی Galaxias به معنی شیری است و کهکشان راه شیری به انگلیسیWay galaxy  Milky از ریشه این نام می‌باشد. خورشید ما یکی از ستارگان کهکشان راه شیری است.

جهان ما از بیلیون‌ها کهکشان تشکیل شده است که این کهکشان ها در سراسر عالم پراکنده شده‌اند و دارای سایز و اندازه ‌ی بسیار بسیار بزرگی هستند. جالب است بدانید کهکشان ها بیش ترین جرم قابل مشاهده جهان را در خود جای داده اند و بیش ترین جرم هر کهکشان را ستارگانش تشکیل می دهد. باید توجه داشت که تمام کهکشان‌ها شبیه یکدیگر نیستند و هر کدام از آنها شکلی مخصوص به خود دارند.
كهكشان ها با شکل های متفاوت و به صورت نابرابر در فضا پراکنده شده اند. به طوری كه بعضی از كهكشان ها همسایه نزدیكی ندارند. كهكشان هایی هستند كه با هم جفتند و به این ترتیب همراه با كهكشان دیگری با هم می گردند. اما بیش تر كهكشان ها در گروه هایی به نام خوشه (Cluster) پیدا می شوند. یك خوشه ممكن است حاوی چند تا چندین هزار كهكشان باشد. خوشه ها ممكن است قطری به بزرگی ده میلیون سال نوری داشته باشند.

خوشه های كهكشان ها در ساختارهای بزرگ تری به نام "ابرخوشه ها" گروه بندی شده اند. در مقیاس های حتی بزرگ تر، كهكشان ها در شبكه های بسیارعظیم مرتب شده اند. شبكه ها شامل  كهكشان هایی هستند كه به هم متصل اند و با مناطق نسبتاً خالی احاطه شده اند. یكی از بزرگ ترین ساختارهایی كه تاكنون نقشه برداری شده، شبكه ای از كهكشان ها است كه به عنوان "دیوار بزرگ" شناخته می شود. این ساختارها بیش از 500 میلیون سال نوری درازا و 200 میلیون سال نوری پهنا دارد.

فیلم کهکشان

8-2 انواع کهکشان ها

در سال 1926 میلادی، اختر شناسی معروف به نام ادوین هابل، تصمیم گرفت برای نخستین بار کهکشان‌ها را بر اساس یک طرح منطقی گروه ‌بندی کند. این گروه بندی بر اساس شکل ظاهری کهکشان ها اصورت گرفت، اگر چه او می‌ توانست این تقسیم ‌بندی را بر اساس رنگ کهکشان‌ها انجام دهد، زیرا کهکشان‌ها دارای رنگ‌های مختلفی هستند. هم چنین می‌توانست این تقسیم‌بندی را بر اساس سایز کهکشان‌ها انجام دهد، به این صورت که کهکشا‌ن‌های کوچک را "کهکشان‌های کوتوله" و کهکشان‌های بزرگ را "کهکشان‌های عظیم الجثه" بنامد .اما هابل تصمیم گرفت که این تقسیم‌بندی را بر اساس تفاوت شکل ظاهری کهکشان‌ها انجام دهد. این گروه بندی به شناخت ما از تکامل کهکشان ها کمک زیادی کرده است.
با توجه به گروه بندی هابل، چهار نوع اصلی کهکشان وجود دارد.

الف) کهکشان‌های بیضوی: این کهکشان‌ها کاملاً به شکل بیضی. نمای خارجی آنها صاف و همانند بیضی های کامل هندسی است. این کهکشان ها از شکل بیضی‌گون (شبیه توپ راگبی) تا شکل کروی متغیر هستند و اشکالی میان این دو نیز یافت می‌شوند. شکل کامل و یکنواخت ساختار کهکشان های بیضوی، نشانه پیری و آرامش آنهاست. یعنی از زمانی بسیار دراز، رویداد قابل ملاحظه ای در آنها اتفاق نیافتاده است. با اندازه گیری سن این کهکشان ها، در می یابیم که شکل گیری ستارگان در آنها، حدود 10 میلیار سال پیش متوقف شده است. برعکس کهکشان‌های دیگر که نوری آبی از ستاره های فروزان و کم عمر منعکس می‌کنند، کهکشان‌های بیضوی زرد-قرمز رنگ دیده می‌شوند. علت این امر ساخته شدن ستاره‌ها در این کهکشان‌ها می‌باشد که در نتیجه همه نور آنها از ستاره‌های غول سرخ که دارای طول عمر زیادی هستند به دست می‌آید.

ویژگی یکسان دیگر در کهکشان های بیضوی این است که تقریباً تمام ماده آنها به صورت ستاره است و مواد بین ستاره ای مانند ابرهای گاز یا غبار ندارند. این ویژگی نشان می دهد که در حال حاضر، هیچ ستاره ای در کهکشان های بیضوی شکل نمی گیرد. زیرا آنها فاقد گاز و غباری هستند که مواد خام را برای شکل گیری ستارگان آماده می سازد. پیدایش ستارگان در این کهکشان ها متوقف شده است و آنها اجرامی پایدار هستند.

ب) کهکشان‌های مارپیچی: کهکشان‌های مارپیچی دارای مرکز نوانی و بازوهای مارپیچی پر ستاره هستند. این بازوها شکلی مارپیچی در پیرامون بر آمدگی میانه‌ای یا هسته، قرصی ایجاد می‌کنند که چرخش هسته با چرخش بازوهای آن همراه می‌شود. کهکشان های مارپیچی کاملاً پهن هستند و تنها نواحی مرکزی آنها برآمدگی دارد. جوان‌ترین ستاره های کهکشان‌های مارپیچی در بازو های کم توده یافت می‌شوند و ستاره‌های پیرتر معمولاً در هسته فشرده جای دارند. پیر‌ترین ستاره‌ها در هاله‌های کروی پراکنده جای دارند و پیرامون قرص کهکشانی را فرا گرفته‌اند. این بازوها همچنین دارای غبار و گاز فراوانی هستند که منجر به ساخته شدن ستاره های تازه می‌شود.
چون ستارگان و ابر های گاز، پیوستگی سختی باهم ندارند، گردش بخش های بیرونی کهکشان های مارپیچی همانند گردش سیارات به دور خورشید است، به این معنی که هرچه از کهکشان دور می شویم، سرعت گردش رو به کاهش می گذارد. در نواحی درونی، سرعت زاویه ای گردش ستارگان، تقریباً یکسان است، زیرا کشش گرانشی نه تنها در هسته کهکشان بلکه در تمام مناطق مرکزی آن وجود دارد.

بیش تر کهکشان های مارپیچی دو بازو دارند و گاهی این بازو ها چند شاخه اند. همچنین بعضی از آنها گسترده اند و برخی دیگر پیچ خورده. آنها مقادیر زیادی ستاره جوان و گاز و غبار را شامل می شوند. غبار مانند حباب های تاریکی از ماده، ستارگان مجاور خود را تیره می کند. ولی ستارگان جوان درخشان و واضح هستند و به رنگ آبی دیده می شوند. بنابراین نتیجه می گیریم که بازوها، مکانی برای شکل گیری ستارگان هستند زیرا گاز و غبار موجود در ابرها، مواد اولیه را برای شکل گیری ستارگان جدید مهیا می سازند.

ج) کهکشان‌های مارپیچی میله‌ای: کهکشان مارپیچی میله‌ای دارای یک هسته برآمدگی میانه‌ای کشیده شده و میله‌ای شکل است. هسته این کهکشان ها مشابه کهکشان بیضوی است. معمولاً بازوها نه از مرکز کهکشان، بلکه از دو سر این میله سرچشمه می گیرند. همزمان با چرخش هسته این طور به نظر می‌رسد که در هر سوی هسته یک بازو نیز می‌چرخد. برخی ستاره‌شناسان بر این باورند که کهکشان راه شیری نیز یک کهکشان مارپیچی میله‌ای است. شکل کهکشان‌های مارپیچی و کهکشان‌های مارپیچی میله‌ای از کهکشان‌های با برآمدگی های میانه‌ای بزرگ با بازوهای نه چندان به هم پیوسته تا کهکشان های با برآمدگی‌های مرکزی کوچک و بازوهای آزاد متغیر است. اگر چه کهکشان‌های مارپیچی و مارپیچی میله‌ای پیش از این به عنوان دو گونه کهکشان جدا دسته بندی می‌شدند، ولی امروزه ستاره‌شناسان آنها را همانند می‌دانند.

د) کهکشان‌های نامنظم: سومین نوع اصلی کهکشان ها، کهکشان های نامنظم هستند. کهکشان‌های ناهمگون یا بی قائده ای که هیچ شکل یا ساختار سامان‌مندی ندارند. ترکیب ستاره ی آنها عموماً مشابه کهکشان های مارپیچی است ولی در ساختارشان بازوهای مشخصی وجود ندارد. آنها هسته واضحی هم ندارند، اما در صورت وجود، گاهی به شکل میله دیده می شوند. این کهکشان ها دارای جرم بیش تری نسبت کهکشان‌های دیگر هستند و بیش تر ستاره های موجود در آنها دارای طول عمر کم و درخشان می‌ باشند. خوشه های ستاره ای موجود در آنها، در مقایسه با یک کهکشان مارپیچی که همان جمعیت کلی را دارد، بسیار زیاد است.

با وجود اینکه بسیاری از کهکشان‌های ناهمگون در بر گیرنده نواحی تابان گازی هستند که ستاره ها در آنها ساخته می‌شوند،اما بیش تر گاز میان ستاره ای کهکشان‌ها بایستی فشرده شوند تا ستاره های تازه‌ای بسازند. کهکشان های نا منظم همانند کهکشان های مارپیچی می چرخند ولی به دلایلی که تاکنون ناشناخته مانده است، بازوهای مارپیچی در آنها شکل نمی گیرد.

اما در برخی از آنها چیزی شبیه به بازوهای ابتدایی دیده می شود. نزدیک به پنج درصد از هزار کهکشان درخشان را کهکشان‌های ناهمگون تشکیل می‌دهند. این در حالی است که یک چهارم کهکشان‌های شناخته شده نیز کهکشان‌های ناهمگون هستند.

8-3 کهکشان راه شیری

حتماً این سئوال برایتان پیش آمده که ما کجای این عالم بزرگ و لایتناهی قرار داریم؟ در بین این کهکشان های غول پیکر و متفاوت محل زندگی ما و کهکشان ما به چه شکل است؟
کهکشان راه شیری همان جایی است که سیاره ی ما به همراه 7 سیاره دیگر در منظومه خورشیدی و تمام آنچه در آسمان شب می بینیم به آن تعلق دارد. گرچه کاوش های زیادی در مورد کهکشان محلی ما یعنی راه شیری انجام گرفته است ولی باز هم آن را به عنوان یکی از کهکشان های ناشناخته فضای اطراف خود می دانیم. واقع شدن ما در درون کهکشان، اندازه گیری ها و بررسی ها را امکان پذیر می سازد که این امر، در مورد کهکشانی دور دست مقدور نیست.

ما می توانیم بخشی از کهکشان راه شیری را به شرط نبود آلودگی نوری و ماه بدر، در آسمان شب ببینیم. کهکشان راه شیری مانند نوار شیری رنگی است که در شب های تیره در نواحی بدون آلودگی نوری، در آسمان شب به ویژه درتابستان دیده می شود.

این نوار شیری رنگ که در برخی نواحی پهنای بیش تری دارد، در حقیقت مکان هندسی ستارگان تشکیل‌ دهنده قرص کهکشان ما است که از آسمان به صورت دو بعدی دیده می‌شود. انتخاب نام "راه شیری" برای کهکشان ما نیز به همین دلیل بوده است که کهکشان راه شیری، از روی زمین همچون نواری پر ستاره و مه‌ آلود و روشن در بالای آسمان در سراسر فلک به نظر می‌رسد. این رد پر نور از ستاره‌ها و دیگر موادی که در درون سطح هموار کهکشان قرار دارند سرچشمه می‌گیرد.

کهکشان ما از نوع کهکشان مارپیچی است،متشکل از یک هسته مرکزی و چهار بازوی ستاره ای شکل می‌باشد. حتی با یک تلسکوپ کوچک می‌توان میلیون‌ها ستاره آن را دید که البته این ستارگان همه متعلق به یک بازوی آن هستند. فاصله خورشید ما از مرکز کهکشان بین ۷۰ تا ۱۰۰ هزار سال نوری می باشد. احتمال می رود در مرکز کهکشان ما یک سیاه‌چاله کلان‌جرم و خوشه‌های ستاره‌ای کروی زیادی وجود داشته باشد.

اندازه حقیقی کهکشان ما، نخستین بار در حدود سال 1917 توسط هارلو شیپلی آشکار شد. قطر صفحه ی ستاره‌ای راه شیری درحدود ۱۰۰۰۰۰سال نوری است و ضخامت آن به طور میانگین ۱۰۰۰ سال نوری می باشد.  تخمین زده شده که کهکشان راه شیری ۲۰۰بیلیون و یا احتمالاً بالای ۴۰۰ بیلیون ستاره دارد. رقم دقیق بسته به ستاره‌های با حجم بسیار کم است، که تعدادشان بسیار زیاد است. این را می‌توان با یک تریلیون ستاره ی کهکشان مجاور، آندرومدا، مقایسه کرد. صفحهٔ ستاره‌ای لبه ی تیزی ندارد و شعاع آن تا جایی است که هیچ ستاره‌ای وجود ندارد.

اندازه‌گیری‌های اخیر نشان داده ‌است که کهکشان راه شیری بسیار حجیم تر از آن است که قبلاً تصور می‌شد. جرم کهکشان ما در حال حاضر مشابه با جرم بزرگ ترین کهکشان همسایه، آندرومدا، در نظر گرفته می‌شود. محققان قادر به اندازه‌ گیری تغییرات ظاهری کهکشان و مناطق پرت و دور افتاده ‌ای که ستاره‌ها در آنجا شکل می‌گیرند، هستند. البته در زمانی که زمین در سمت مخالف خورشید باشد.

جدیدترین و دقیق‌ترین سرعتی که برای چرخش کهکشان در نظر گرفته می‌شود، در حدود ۲۵۴ کیلومتر بر ثانیه‌است، و این به میزان قابل توجهی بیش تر از مقدار قبلی یعنی ۲۲۰کیلومتر بر ثانیه‌است؛ و این موضوع به روشنی بیان می‌کند که راه شیری جرم کلی در حدود ۳ تریلیون برابر جرم خورشید دارد، که حدود ۵۰ در صد بیش تر از جرمی است که قبلاً برای آن در نظر گرفته می‌شد.

تکلیف: با توجه به وسایلی که در بخش "وسایل مورد نیاز" ذکر شد، ماکت انواع کهکشان را با دقت و ظرافت بسازید. ماکت کهکشان راه شیری را جداگانه تهیه نمایید و محل قرار گیری منظومه شمسی را در آن مشخص کنید. از نمونه کار خود عکس گرفته و برای ما ایمیل نمایید.
محل بازدید/ اردو/ خرید:  برای این جلسه می توانید از موزه تاریخ کانون پرورش فکری کودکان و نوجوانان بازدید نمایید و اطلاعات مفیدی در این مرکز کسب نمایید. آدرس و مشخصات کامل این مرکز را در آدرس زیر مطالعه نمایید.

http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=154540

منابع مطالعه:  برای کسب اطلاع بیش تر در زمین کهکشان ها و کهکشان راه شیری کتاب ستارگان و کهکشان ها، نوشته: یام گراهام و ترجمه: مجید عمیق را مطالعه نمایید.

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان
تهیه: الهام گارسچی - تنظیم: علی سرمدی

مطالب مرتبط

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه اول
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه دوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه سوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه چهارم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه پنجم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه ششم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هفتم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هشتم