تصادم راه شیری با کهکشان آندرومدا

سحابی بزرگ در صورت فلکی آندرومدا یکی از حیرت‌آورترین اجرامی‌است که حتی با چشم غیرمسلح در آسمان نیمکره ی شمالی زمین دیده می‌شود.

پدر شرایط مناسب، این کهکشان به صورت لکه‌ای مه‌آلود با اندازه تقریبی نصف ماه بدر در 20 درجه‌ای کهکشان راه شیری جای گرفته است.

کهکشان مارپیچی بزرگ M31 عظمت خود را در عکس‌های نجومی ‌نشان می‌دهد. اما در آینده دور با چشم غیر مسلح می‌توان تا حدودی جزئیاتی که در این عکس نمایان است را دید. راه شیری و آندرومدا با هم برگروه محلی تسلط دارند؛ گروهی با بیش از 45کهکشان شناخته شده.
رویارویی نزدیک: در بالا 4 مدار ممکن برای آندرومدا و راه شیری کشیده شده است که هر کدام نظریات متفاوتی در مورد سرعت شعاعی و مماسی آندرومدا، جرم دو کهکشان و مرکز جرم دو کهکشان می‌دهد. اما هیچ شکی نیست که این دو جرم در حال نزدیک شدن به هم هستند و به طور حتم یک رویارویی نزدیک را در 3میلیارد سال آینده خواهند داشت. حتی اگر آنها همدیگر را از مسیر خارج کنند در عبور بعدی به هم برخورد خواهند کرد.

طبق اطلاعات به‌دست آمده از عهد باستان، این کهکشان برای اولین بار در قرن دهم پس از میلاد توسط منجم ایرانی، عبدالرحمان صوفی رازی، دیده شد که او این جرم را در کتاب صور الکواکب خود، ابر کوچک نامید که در جلوی دهانه  صورت فلکی حوت قرار داشت.

اکنون ما می‌دانیم که این بیضی مه‌آلود، در حقیقت یک کهکشان مارپیچی بزرگ است.

کهکشان آندرومدا یا Messier31 زادگاه میلیاردها ستاره با حدود 5/2 میلیون سال نوری فاصله از کهکشان ما، در حقیقت دورترین جرمی‌است که می‌توانید با چشم غیرمسلح ببینید.

اما نوری که ما اکنون از این کهکشان می‌بینیم سفرخود را در دوران انسانهای نخستین به سمت ما آغاز کرده است.

این ابر کوچک نورانی در حالی که ما را به گذشته متصل می‌کند، همزمان ما را به آینده خود نیز علاقه‌مند می‌کند.

دنباله‌های کشندی در کهکشان‌های الحاقی NGC4038 و NGC 4039 تا صدها و هزار‌ها سال کشیده شده‌اند. اختر شناسان این مجموعه را با نام شاخک می‌شناسند به خاطر شباهت زیاد دنباله‌های کشندی به شاخک‌های حشرات. هر دو کهکشان بسیار شبیه به راه شیری و آندرومدا هستند.

حقیقتا، سرنوشت راه شیری و شاید خود زمین با این کهکشان گره خورده است. شواهد نجومی‌اخیر ثابت کرده که این دو کهکشان مارپیچی بزرگ در آینده به هم برخورد خواهند کرد که باعث به هم پیوستن این دو کهکشان در زمانی حتی قبل از تبدیل شدن خورشید به یک غول سرخ می‌شود.

روند ‌تصادم

کشف متغیرهای قیفاووسی در M31 ادوین‌هابل را توانا ساخت تا بتواند فاصله زیاد این کهکشان مارپیچی که خواهر راه‌شیری نیز نامیده می‌شود را با ما، تخمین زده و با استفاده از آن چندی بعد نظریه جهان در حال انبساط را اعلام کند.

اما آندرومدا همراه تعدادی کهکشان‌های کوچکتر در گروه محلی خودمان از این قانون‌ هابل پیروی نمی‌کنند. گر چه کهکشان‌های دورتر با سرعتهایی که بستگی به فاصله‌شان دارند از ما دور می‌شوند، آندرومدا و تعدادی از همسایگان ما به سمت ما در حال حرکتند.

 برخورد میان دو کهکشان امروزه به دلیل انبساط جهان که کهکشان‌ها را از هم دور می‌کند، بسیار نادر است. همان طور که این عکس از NGC 4676 از تلسکوپ فضایی ‌هابل نشان می‌دهد، بر هم کنش‌های متقابل گرانشی دو کهکشان می‌تواند بر نیروی انبساط جهان فائق شود و دو کهکشان را در یک برخورد سهمگین به یکدیگر پیوند دهد. این برخورد که در 300 میلیون سال نوری زمین و در صورت فلکی غراب اتفاق افتاده نشان دهنده  دنباله‌های کشندی مشخصی است.

هنگامی‌که راه شیری به آندرومدا ملحق شود، مرکز کهکشان جدید بسیار شبیه به مرکز Arp 220 درصورت فلکی مار می‌شود که در این عکس از ‌هابل نشان داده شده است. بیش از200 خوشه ستاره‌ای جوان که از الحاق دو کهکشان به وجود آمده‌اند مانند لکه‌های سفید- آبی در این کهکشان الحاقی در 250 میلیون سال نوری از ما دیده می‌شود.

نتیجه برخورد راه شیری با آندرومدا یک کهکشان بیضوی است که بسیار شبیه به کهکشان‌NGC 5128 خواهد بود. این عکس که با تلسکوپ چهارمتری Blanco در چین گرفته شده است توسط کامپیوتر پردازش شده تا جزئیات نمایان شود، مخصوصاً مسیر سیاه و قوس‌های کشندی آبی باقی مانده از این کهکشان کوچک.

بعد از اصلاحات در مورد حرکت انتقالی خورشید به دور مرکز کهکشان، کهکشان آندرومدا با سرعتی تقریباً برابر 120 کیلومتر بر ثانیه به سمت راه‌شیری در حرکت است.

Franz Kahn  و Lodewijk Woltjer در سال 1959 این اوضاع غیر منتظره را درک کردند و با پیشنهادی شجاعانه اعلام کردند که شاید آندرومدا و راه شیری از لحاظ گرانشی به هم مرتبط هستند، که باعث ایجاد یک سیستم دوتایی کهکشانی شده است.

آنها اعلام کردند که این دو کهکشان بعد از انفجار بزرگ خیلی نزدیک به هم شکل گرفته‌اند و بر اثر انبساط کیهانی از هم جدا شده‌اند. این دو جرم پرستاره در حقیقت به خاطر وابستگی متقابل گرانشی که دارند شروع به حرکت به سمت یکدیگر کرده‌اند.

این ایده‌ها و محاسبات را با نام استدلال زمان‌بندی می‌شناسند و اطلاعاتی از قبیل مجموع جرم حدود 7/4 تریلیون جرم خورشیدی را بدست می‌دهد. آنها مدعی بودند که باید منبع جرم دیگری اطراف کهکشان‌ها باشد، در حالی که ستارگان، گازها و گرد و غبارها فقط 10درصد از این مقدار را شامل می‌شوند.

این اولین اثبات برای وجود ماده سیاه در گروه محلی ماست. تخمین‌های Kahn و Woltjer که بر اساس استدلال زمان‌بندی بود، بسیار نزدیک به مقادیر امروزی هستند که نشان دهنده حدود 3تریلیون جرم خورشیدی است که از تجزیه و تحلیل حرکت کهکشان‌های در حال چرخش پیرامون راه شیری و M31 به دست آمده است.

ستاره‌شناسان امروزی می‌توانند استدلال زمان‌بندی را یک گام به جلو بیاورند. آندرومدا در حال نزدیک شدن است، اما چه موقع برخورد خواهد کرد؟ راه حل مداری (که مداری با گریز از مرکز زیاد را متصور است) برخوردی در 3 میلیارد سال آینده از هم اکنون را پیش‌بینی می‌کند.

شاید به نظر بسیار دور باشد اما باید گفت که این پدیده قبل از یک پدیده  قریب‌الوقوع دیگر اتفاق می‌افتد، مرگ خورشید ما. خورشید یک کوتوله با رده طیفی G2 است که عمری معمولی تقریبا برابر با 10 میلیارد سال دارد.

باید گفت که خورشید هم اکنون 5 میلیارد ساله است و اگر این کهکشانها مداری با گریز از مرکز زیاد مانند مدار یک دنباله دار داشته باشند، ستاره شناسان می‌توانند با استفاده از فاصله و سرعت M31 طی 7/13میلیارد سال عمر جهان مدار حرکت و از همه مهم‌تر جرم کل را حساب کنند.

ستاره‌شناسان نمی‌توانند زمان این برخورد بزرگ را با دقت محاسبه کنند، اما سرانجام این اتفاق خواهد افتاد. فرضیه مدار غیرعادی و برخورد، همگی بستگی به حرکت غیرقابل پیش‌بینی یا سرعت مماسی کهکشان آندرومدا دارد.

اگرM31 حرکت مماسی قابل پیش بینی داشته باشد، دو کهکشان ممکن است با فاصله  چند صد هزار سال نوری از کنار هم بگذرند. اما از دست دادن انرژی مداری هنگام رویارویی نزدیک باعث این برخورد در چند میلیارد سال آینده خواهد شد.

از ابتدای استدلال زمان‌بندی، ستاره شناسان توانسته‌اند حرکت کهکشان‌های گروه محلی را مدل‌سازی کنند.

هنگامی‌که گرانش دیگر اعضای گروه محلی و نیز اثرات کشندی گروه‌های‌ دیگر نزدیک خود را در نظر بگیرند، سرعت مماسی آندرومدا را چیزی بین 0 تا 150 کیلومتر بر ثانیه تخمین می‌زنند که برابر حرکتی از 0 تا 42میکرو ثانیه قوسی در آسمان در هر سال می‌شود.

ماموریت طیف سنجی ناسا یا ماموریت Gala در سازمان فضایی اروپا ممکن است بتوانند این حرکت را در هر ده سال نمایان کنند. اما هم اکنون این موضوع ناشناخته است. عجالتاً برخورد روبرو بین راه شیری و آندرومدا واقعه‌ای مشخص است که قبل از فنا شدن زمین انجام خواهد گرفت.

برخورد کهکشان‌ها

برخورد راه شیری و آندرومدا یک شگفتی بزرگ است که ستاره‌شناسان را متوجه الحاق کهکشان‌ها در دور و نزدیک کرده است. در حال حاضر این پدیده یک واقعه  معمولی نیست.

تقریباً یکی در صدها کهکشان بزرگ در جهان‌های نزدیک است که در یک برخورد بزرگ شرکت  می‌کند. اما اگر به عقب تر نگاهی بیندازیم، تعداد برخورد‌ها به طور چشمگیری افزایش می‌یابد.

در عکس لکه‌هایی از گاز و ماده  سیاه منقبض شده توسط افت و خیز چگالی نخستین، در ابتدا با هم تلفیق شده و ساختارهای بزرگتری می‌سازند که سرانجام تبدیل به کهکشان می‌شوند، فرایند برخورد و ملحق شدن هستند که مکانیسم تولد و یا تکامل آنها را تشکیل می‌دهند.

مولف و همکارانش توانسته‌اند شبیه‌سازی را از برخورد آندرومدا و راه شیری طراحی کنند. این فریم‌ها تعامل دو کهکشان را در 44 میلیون سال نشان می‌دهد. کهکشان‌ها به یک دیگر می‌رسند و تشکیل دنباله و پل‌های کشندی را می‌دهند. آنها سپس از یکدیگر جدا می‌شوند تا خود را برای برخورد دوم و الحاق آماده کنند. نتیجه به صورت یک کهکشان بیضوی احاطه شده توسط لایه‌ها و امواج است. هر فریم ناحیه‌ای به اندازه عرض 1 میلیون سال نوری و ارتفاع 590 هزار سال نوری را نشان می‌دهد.

ادغام راه شیری و آندرومدا فقط گام دیگری است در فرایند مداوم شکل گرفتن ساختار‌های جدید. در حقیقت، در حالی که ما برخورد کهکشانها را مخرب می‌شماریم، بهتر است این پدیده به صورت یک دگرگونی نشان داده شود.

شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهند که الحاق دو کهکشان مارپیچی به ناچار منجر به تبدیل شدن به یک کهکشان بیضوی است. گرچه هنوز بحث‌های زیادی در مورد این که همه کهکشان‌های بیضوی از این راه شکل می‌گیرند وجود دارد، اما بعضی از آنها از این قانون پیروی می‌کنند.

اخترشناسان شیفته  بحث در مورد برخورد کهکشا‌نها و اثرات آنها در تکامل    کهکشانها و کیهان شده‌اند. در اوایل سال1970، مطالعات گوناگون نشان داد که رشته‌های ستارگان نزدیک به جفت‌های کهکشان‌ها ناشی از برهمکنش‌های کشندی گرانشی آنها است.

دو برادر به‌نام‌های Alar Toomre از MIT و Juri Toomre از دانشگاه کلرادو که تحقیقات اولیه‌ای در این باره انجام دادند و کمک شایانی به پیشرفت این تحقیقات کردند، این ساختارها را دنباله‌های کشندی و پل نامیدند. 

کار آنها نشان می‌دهد که این رشته‌ها چگونه شکل می‌گیرند. در یک کهکشان مارپیچی منفرد، نیروی گرانشی مرکزی سعی در این دارد که ستارگان را در  مدارهایی به شکل دایره اطراف خود نگه دارد تا بتواند شکل صفحه‌ای خود را حفظ کند.

اما موقعی که دو کهکشان نزدیک هم می‌آیند، نیروی کشندی آنها بسیار زیاد می‌شود که می‌تواند نیروی مرکزی را خنثی کند.

در نتیجه ستارگان در دو سر مخالف کهکشان‌ها مانند سنگ‌هایی که از میلیاردها قلاب سنگ رها می‌شوند به سمت بیرون پرتاب می‌شوند، جزئیات برخورد به جهت دو کهکشان هنگام برخورد بستگی دارد. اما عموماً حاصل برخورد یک الگوی کهکشانی مارپیچی با دو بازوی باز است.

در مدل‌ها، کهکشان‌هایی که فقط شامل ستارگان هستند، بسیار زود به هم ملحق می‌شوند (با یک گردش) و به شکل یک کهکشان بیضوی درمی‌آیند.

شاید غیر قابل تصور باشد، اما ستارگان منفرد در این الحاق به هم برخورد نمی‌کنند چون که اندازه ستارگان نسبت به فاصله آنها از هم بسیار کوچک است. دو کهکشان که از کنار هم می‌گذرند مانند دو روح هستند که در شب از کنار هم عبور می‌کنند.

بر هم کنش نیروی گرانشی حاصل از دو کهکشان به طوری گسترش می‌یابد که دو کهکشان نهایتاً به هم می‌پیوندند. 

اما حدود 10درصد از جرم یک کهکشان مارپیچی واقعی به حالت گاز است که این کسر در اوایل تشکیل کهکشان بیشتر است. هنگامی ‌که مدل ساز‌ها گاز را به شبیه سازی‌های خود اضافه کردند، فهمیدند که بلافاصله این گازها به سمت هسته کهکشان الحاقی کشیده می‌شوند و باعث به وجود آمدن ستارگان یکی پس از دیگری می‌شوند. 

اسناد، بسیار شبیه به انفجار ستارگان در کهکشان‌های ملحق شونده Arp 220 در صورت فلکی مار است.

کهکشان‌های بزرگتر همچنین دارای یک سیاهچاله بسیار چگال در مرکزشان هستند. طی الحاق دو کهکشان، دو سیاهچاله به سمت مرکز کهکشان بیضوی تازه شکل گرفته کشیده می‌شوند و باعث به‌وجود آمدن یک دوتایی بسیار نزدیک می‌شوند که باعث از دست دادن انرژی مداری و فرستاده شدن ستارگان به مدارهای بلندتر می‌شود. 

گازهای کشیده شده به داخل سیاهچاله  عظیم‌الجثه، تشکیل صفحه‌ای یکپارچه را می‌دهد که به طور باور نکردنی شروع به درخشیدن می‌کند که مانند یک کوازار درخشان یا یک هسته فعال معمولی به نظر می‌رسد.

تمام این پدیده‌های جذاب هنگام برخورد آندرومدا با راه شیری اتفاق می‌افتد و خورشید باید از همه  آنها جان سالم به در ببرد. برای گشتن به دنبال جزئیات بیشتر در مورد این نمایشنامه، ما مجبوریم که یک مدل بسازیم.

در یک دهه گذشته Chris Mihos ، Lars Hernquist و من مدل ساده‌ای از اجزای سیستم راه شیری- آندرومدا که نمایانگر جرم آن ستارگان و ماده سیاه بودند ساختیم. هدف ما تحقیق در مورد خواص دنباله کشندی بود.

این مدل شامل فاصله، سرعت شعاعی و جهت دو کهکشان و همچنین سرعت مماسی 20 کیلومتر در ثانیه در جهت گردش کهکشانی بود. این شرایط که اجازه  رویارویی نزدیکی که باعث ایجاد دنباله کشندی بود را می‌داد.

در طی سالها، من هر گاه که ابرکامپیوتر‌های جدید در دسترس بودند روی این مدل کار کرده‌ام. ظاهراً به عنوان آزماینده مسئله که می‌توانستم به ماشین‌ها و برنامه‌های جدید دسترسی داشته باشم. اما بیشتر برای سرگرمی‌خودم بود.

شبیه‌سازی‌ها از حدود 30 هزار جزء در اواسط 1990 به 300 میلیون جزء رشد کرده‌اند که در محاسبات این مقاله به کار گرفته شده است. همچنین من نمایشی را از روی مدلمان طراحی کردم که از منظر زمین است.

چگونگی برخورد

در حالی که خورشید به گردش خود دور هسته کهکشان ادامه می‌دهد، و همچنان که کهکشان ما به M31 نزدیک می‌شود، آسمان شب ما دائما به اجزای کوچک تر قسمت می‌شود.

در حالی که گردش خورشید تقریبا شبیه دایره است، شکل معروف راه شیری به طور قابل توجهی تغییر نمی‌کند. اما ابر کوچک صوفی تبدیل به ابر بزرگ خواهد شد، و هر تماشاگر آسمان از نمای بسته کهکشان دیگری که آسمان را در بر گرفته، لذت خواهد برد.

شکل و بافت آندرومدا مانند راه شیری خواهد بود، اما برآمدگی آن و بازوهای مارپیچی آن به وضوح دیده خواهد شد.

هنگامی‌که در 3 میلیارد سال بعد دو کهکشان هم‌پوشانی می‌کنند، آندرومدا از نگاه ما از لبه و به صورت کج دیده می‌شود و تشکیل یک اشتراک از دو کهکشان مانند راه شیری را در آسمان ما می‌دهد.

سپس آندرومدا دور خواهد شد؛ اما نیروی کشندی قوی باعث ایجاد یک الگوی دو بازویی مارپیچی با دنباله‌ها کشندی طولانی می‌شود. مانند آن چیزی که ما در NGC 4038 و NGC4039 در صورت فلکی غراب می‌بینیم.

کشیدن ‌هاله سیاه راه شیری، انرژی مداری آندرومدا را کم می‌کند و دور شدن آندرومدا را به چند صد هزار سال نوری محدود می‌کند.M31 دوباره به سمت ما حرکت خواهد کرد و این دفعه در عرض چند صد میلیون سال به ما می‌رسد.

این بار برخورد روبه‌رو خواهد بود و دو کهکشان رویارویی‌های بسیار نزدیک و سریعی با هم خواهند داشت که 100میلیون سال به طول می‌انجامد که سرانجام به یک الحاق و تبدیل به یک کهکشان بیضوی می‌انجامد که توسط یک پوشش خوب و مواج و دو دنباله کشندی بلند احاطه شده است.

دقیقاً بعد از اولین رویارویی، نیروی گرانشی مرکب باعث آشفته شدن مدار خورشید   می‌شود که سبب فرو رفتن خورشید به سمت قلب کهکشان می‌شود.

آسمان شب ما دائماً در حال نوسان بین نگاه دور دو کهکشان مارپیچی تعامل کننده و آسمانی متراکم و پر از ستارگان روشن خواهد بود در حالی که ما در حال صعود به برآمدگی راه شیری هستیم. 

شبیه‌سازی‌های ما شامل گازها نمی‌شود، اما نسخه مشابهی که شامل ترکیبی از گاز و ستارگان است هم اکنون در مرکز آسمان نمای برخوردهای کیهانی زمین و فضا در نیویورک درحال نمایش است.

برخورد دودیسک گازی به ناچار منجربه انفجار ستاره‌ای می‌شود که شمار ابرنواخترها را از حدود 2 عدد در هر قرن به یکی در هر سال می‌رساند.

در حالی که خورشید از مرکز کهکشان الحاقی می‌گذرد ناظران می‌توانند شاهد انفجار سالیانه ستارگان باشند که می‌تواند بسیار بیشتر از نورانیت دیگر ستارگان باشد.

احتمال کمی‌هم وجود دارد که یک سوپرنوا(ابرنواختر)در نزدیکی زمین منفجرشود و باعث به خطر انداختن حیات باقیمانده تا آن موقع بشود.

برخورد کهکشانی باعث ایجاد یک سیاهچاله دو تایی بسیار نزدیک می‌شود که در نهایت اعضای آن با هم ترکیب می‌شوند. اما بر اساس محاسبات انجام شده سفر درونی آنها ممکن است میلیونها سال طول بکشد تا به این سرنوشت دچار شوند.

با مدار جدید خورشید، ستاره  ما ممکن است از فاصله  دوری از دوتایی بگذرد و تصویری را از افق حادثه  سیاه چاله و شاید رشد دیسک تازه متولد شده به ما بدهد.

حقیقتاً منظره جالبی برای تماشا خواهد بود اما ممکن است که بسیار نزدیک و تهدیدآمیز باشد. گرانش دو هیولای دوقلو ممکن است خورشید را از کهکشان خارج کند و به جایی ببرد که بتواند تنها و آرام در فضای بین کهکشانی بمیرد.

افق اتفاق در یک سیاهچاله  بسیار چگال ممکن است به اندازه  منظومه  شمسی خودمان باشد، اما شانس کمی‌وجود دارد که خورشید در امتداد مرز یکی از این کرانه‌ها قرار بگیرد.

در این صورت تمام نشانه‌ها تمدن بشری به فراموشی سپرده خواهد شد و تنها یک اثر از ما باقی می‌ماند: امواجی ناگهانی از تشعشعات گرانشی که در کیهان با سرعت نور پخش می‌شود. 

حتی فکر کردن در مورد مرگ زمین بسیار غم انگیز است، اما ستاره‌شناس بریتانیایی Thomas Wright در قرن 18 طور دیگری فکر می‌کرد.

در زمانی که علم آزادانه با دین ترکیب شده بود، او مشتاقانه در مورد این جهان پهناور و جایگاه ما در آن فکر می‌کرد: در این آفریده  بزرگ آسمانی، انحلال یک جهان، مانند جهان ما، و یا انحلال تمام سیستم جهان، ممکن است برای خالق بزرگ طبیعت بیشتر از اتفاقات عادی در زندگی با ما نباشد، و در هر حالت، این روزهای نحس ممکن است مانند هر تولد یا مرگ هریک از ما بر روی زمین مکرر باشد.

این ایده مفهومی ‌بسیار خوشحال کننده در خود دارد. این که من هیچگاه نمی‌توانم بر فراز ستارگان نگاه کنم بدون اینکه در شگفت باشم که چرا تمام جهان ستاره شناس نمی‌شوند.
 Sky & Telescope -  اکتبر 2006