25.2: هيكل حلزوني

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197213

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

وصف بنية مجرة درب التبانة وكيف اكتشفها علماء الفلك
قارن النماذج النظرية لتشكيل الأذرع الحلزونية في مجرات القرص

تمكن علماء الفلك من إحراز تقدم هائل في رسم خرائط البنية الحلزونية لمجرة درب التبانة بعد اكتشاف الخط الذي يبلغ طوله 21 سم والذي يأتي من الهيدروجين البارد (انظر بين النجوم: الغاز والغبار في الفضاء). تذكر أن التأثير الغامض للغبار بين النجوم يمنعنا من رؤية النجوم على مسافات كبيرة في القرص بأطوال موجية مرئية. ومع ذلك، فإن موجات الراديو ذات الطول الموجي 21 سم تمر مباشرة عبر الغبار، مما يمكّن علماء الفلك من اكتشاف ذرات الهيدروجين في جميع أنحاء المجرة. قدمت الدراسات الاستقصائية الحديثة لانبعاث الأشعة تحت الحمراء من النجوم في القرص منظورًا مشابهًا خاليًا من الغبار للتوزيع النجمي لمجرتنا. على الرغم من كل هذا التقدم على مدى الخمسين عامًا الماضية، ما زلنا بدأنا للتو في تحديد البنية الدقيقة لمجرتنا.

ذا آرمز درب التبانة

تشير ملاحظاتنا الراديوية للمكون الغازي للقرص إلى أن المجرة لديها ذراعان حلزونيان رئيسيان ينبعان من القضيب والعديد من الأذرع الخافتة والنتوءات الأقصر. يمكنك رؤية خريطة تم تجميعها مؤخرًا لهيكل ذراع Galaxy - مستمدة من الدراسات التي أجريت على الأشعة تحت الحمراء - في الشكل\(\PageIndex{1}\).

بديل — الشكل: شريط وأذرع\(\PageIndex{1}\) درب التبانة. هنا، نرى مجرة درب التبانة كما ستبدو من الأعلى. تُظهر هذه الصورة، التي تم تجميعها من بيانات من مهمة WISE التابعة لناسا، أن مجرة درب التبانة لديها شريط متواضع في مناطقها المركزية. يخرج ذراعان حلزونيان، هما Scutum-Centaurus و Perseus، من طرفي القضيب ويلتفان حول الانتفاخ. يحتوي القوس والأذرع الخارجية على عدد أقل من النجوم مقارنة بالذراعين الآخرين.

تقع الشمس بالقرب من الحافة الداخلية للذراع القصير المسمى Orion Spur، والذي يبلغ طوله حوالي 10,000 سنة ضوئية ويحتوي على سمات بارزة مثل Cygnus Rift (السديم المظلم الكبير في درب التبانة الصيفي) وسديم أوريون اللامع. \(\PageIndex{2}\)يوضح الشكل بعض الكائنات الأخرى التي تشاركنا هذا القسم الصغير من المجرة ويسهل رؤيتها. تذكر أنه كلما حاولنا النظر بعيدًا عن ذراعنا، زاد تراكم الغبار في المجرة ويجعل من الصعب الرؤية باستخدام الضوء المرئي.

تشكيل هيكل حلزوني

على مسافة الشمس من مركزها، لا تدور المجرة مثل عجلة صلبة أو قرص مضغوط داخل المشغل. بدلاً من ذلك، فإن الطريقة التي تدور بها الأجسام الفردية حول مركز المجرة تشبه إلى حد كبير النظام الشمسي. تخضع النجوم، وكذلك غيوم الغاز والغبار، لقانون كيبلر الثالث. تستغرق الأجسام البعيدة عن المركز وقتًا أطول لإكمال مدار حول المجرة مقارنة بتلك الأقرب إلى المركز. وبعبارة أخرى، فإن النجوم (والمادة بين النجوم) في المدارات الأكبر في المجرة تسير خلف تلك الموجودة في المدارات الأصغر. هذا التأثير يسمى الدوران المجري التفاضلي.

يبدو أن الدوران التفاضلي يفسر سبب تركيز الكثير من المواد الموجودة في قرص درب التبانة في ميزات ممدودة تشبه الأذرع الحلزونية. بغض النظر عن التوزيع الأصلي للمادة، يمكن للدوران التفاضلي للمجرة أن يمددها إلى ميزات لولبية. \(\PageIndex{3}\)يوضح الشكل تطور الأذرع الحلزونية من نقطتين غير منتظمتين من المادة بين النجوم. لاحظ أنه عندما تتحرك أجزاء النقط الأقرب إلى مركز المجرة بشكل أسرع، فإن تلك التي تقع أبعد في طريقها إلى الخلف.

لكن هذه الصورة للأذرع الحلزونية تقدم لعلماء الفلك مشكلة فورية. إذا كان هذا هو كل ما في القصة، فإن الدوران التفاضلي - على مدى ما يقرب من 13 مليار عام من تاريخ المجرة - كان من شأنه أن يجرح أذرع المجرة بشكل أكثر إحكامًا وإحكامًا حتى تختفي جميع مظاهر البنية الحلزونية. لكن هل كانت درب التبانة تمتلك بالفعل أذرع لولبية عندما تشكلت قبل 13 مليار سنة؟ وهل تستمر الأذرع الحلزونية، بمجرد تشكيلها، لفترة طويلة؟

مع ظهور تلسكوب هابل الفضائي، أصبح من الممكن مراقبة بنية المجرات البعيدة جدًا ومعرفة شكلها بعد وقت قصير من بدء تكوينها منذ أكثر من 13 مليار سنة. ما تظهره الملاحظات هو أن المجرات في مهدها كانت تحتوي على مناطق مشرقة ومتكتلة مكونة للنجوم، ولكن ليس لديها هيكل حلزوني منتظم.

على مدى مليارات السنين التالية، بدأت المجرات في «الاستقرار». فقدت المجرات التي كانت ستصبح حلزونات كتلتها الضخمة وطوّرت انتفاخًا مركزيًا. انخفض الاضطراب في هذه المجرات، وبدأ الدوران يهيمن على حركات النجوم والغاز، وبدأت النجوم تتشكل في قرص أكثر هدوءًا. بدأت الكتل الصغيرة المكونة للنجوم في تشكيل أذرع لولبية غامضة وغير مميزة جدًا. بدأت الأذرع الحلزونية المشرقة والمحددة جيدًا بالظهور فقط عندما كان عمر المجرات حوالي 3.6 مليار سنة. في البداية، كان هناك ذراعان محددان جيدًا. ظهرت الهياكل متعددة الأسلحة في المجرات كما نراها في درب التبانة فقط عندما كان عمر الكون حوالي 8 مليارات سنة.

سنناقش تاريخ المجرات بمزيد من التفصيل في تطور وتوزيع المجرات. ولكن، حتى من مناقشتنا القصيرة، يمكنك الشعور بأن الهياكل الحلزونية التي نلاحظها الآن في المجرات الناضجة قد ظهرت لاحقًا في القصة الكاملة لكيفية تطور الأشياء في الكون.

استخدم العلماء حسابات الحواسيب الفائقة لنمذجة تكوين وتطور الأسلحة. تتبع هذه الحسابات حركات ما يصل إلى 100 مليون «جسيم نجمي» لمعرفة ما إذا كانت قوى الجاذبية يمكن أن تجعلها تشكل بنية لولبية. ما تظهره هذه الحسابات هو أن السحب الجزيئية العملاقة (التي ناقشناها في كتاب بين النجوم: الغاز والغبار في الفضاء) لها تأثير جاذبية كافٍ على محيطها لبدء تكوين هياكل تشبه الأذرع الحلزونية. ثم تصبح هذه الأسلحة ذاتية الاستدامة ويمكنها البقاء على قيد الحياة لعدة مليارات من السنين على الأقل. قد تغير الأذرع سطوعها بمرور الوقت مع ظهور تكوين النجوم واختلافه، ولكنها ليست ميزات مؤقتة. يمارس تركيز المادة في الذراعين قوة جاذبية كافية للحفاظ على تماسك الذراعين لفترات طويلة من الزمن.

المفاهيم الأساسية والملخص

يحتوي التوزيع الغازي في قرص المجرة على ذراعين حلزونيين رئيسيين ينبعان من طرفي الشريط المركزي، إلى جانب العديد من الأذرع الخافتة والنتوءات القصيرة؛ وتقع الشمس في واحدة من تلك النتوءات. تظهر القياسات أن المجرة لا تدور كجسم صلب، ولكن بدلاً من ذلك تتبع نجومها وغازها الدوران التفاضلي، بحيث تكمل المادة الأقرب إلى مركز المجرة مدارها بسرعة أكبر. تشير الملاحظات إلى أن المجرات مثل درب التبانة تستغرق عدة مليارات من السنين بعد أن بدأت في التكون لتطوير بنية لولبية.

مسرد المصطلحات

دوران المجرة التفاضلي: فكرة أن أجزاء مختلفة من المجرة تدور بمعدلات مختلفة، حيث أن أجزاء المجرة تتبع قانون كيبلر الثالث: تستغرق الأجسام البعيدة وقتًا أطول لإكمال مدار كامل حول مركز المجرة

ذراع حلزوني: منطقة ذات شكل حلزوني، تتميز بمواد بين النجوم كثيفة نسبيًا ونجوم شابة، يتم ملاحظتها في أقراص المجرات الحلزونية