25.3: كتلة المجرة
- Page ID
- 197236
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف المحاولات التاريخية لتحديد كتلة المجرة
- قم بتفسير منحنى الدوران الملحوظ لمجرتنا ليقترح وجود مادة مظلمة يمتد توزيعها إلى ما وراء مدار الشمس.
عندما وصفنا أقسام درب التبانة، قلنا إن النجوم معروفة الآن بأنها محاطة بهالة أكبر بكثير من المادة غير المرئية. دعونا نرى كيف تم هذا الاكتشاف المفاجئ.
يساعد كيبلر في وزن المجرة
تدور الشمس، مثل جميع النجوم الأخرى في المجرة، حول مركز درب التبانة. مدار نجمنا دائري تقريبًا ويقع في قرص المجرة. تبلغ سرعة الشمس في مدارها حوالي 200 كيلومتر في الثانية، مما يعني أن الأمر يستغرق حوالي 225 مليون سنة للتجول مرة واحدة حول مركز المجرة. نسمي فترة ثورة الشمس سنة المجرة. إنها فترة طويلة مقارنة بالمقاييس الزمنية البشرية؛ خلال عمر الأرض بأكمله، مرت حوالي 20 سنة مجرية فقط. هذا يعني أننا قطعنا جزءًا صغيرًا فقط من الطريق حول المجرة طوال الوقت الذي كان فيه البشر يحدقون في السماء.
يمكننا استخدام المعلومات حول مدار الشمس لتقدير كتلة المجرة (تمامًا كما يمكننا «وزن» الشمس من خلال مراقبة مدار كوكب حولها - انظر المدارات والجاذبية). لنفترض أن مدار الشمس دائري وأن المجرة كروية تقريبًا، (نعلم أن المجرة تشبه القرص، ولكن لتبسيط الحساب، سنقوم بهذا الافتراض، الذي يوضح النهج الأساسي). منذ فترة طويلة، أظهر نيوتن أنه إذا كانت المادة موزعة على شكل كرة، فمن السهل حساب قوة الجاذبية على جسم ما خارج هذا المجال مباشرةً: يمكنك افتراض أن الجاذبية تعمل كما لو كانت كل المادة مركزة عند نقطة في مركز الكرة. ومن أجل حساباتنا، إذن، يمكننا أن نفترض أن كل الكتلة التي تقع داخل موضع الشمس تتركز في مركز المجرة، وأن الشمس تدور حول تلك النقطة من مسافة حوالي 26000 سنة ضوئية.
هذا هو نوع الموقف الذي يمكن تطبيق قانون كبلر الثالث عليه (كما عدله نيوتن) بشكل مباشر. بإدخال الأرقام في صيغة كيبلر، يمكننا حساب مجموع كتل المجرة والشمس. ومع ذلك، فإن كتلة الشمس تافهة تمامًا مقارنة بكتلة المجرة. وبالتالي، لجميع الأغراض العملية، فإن النتيجة (حوالي 100 مليار مرة كتلة الشمس) هي كتلة درب التبانة. تعطي الحسابات الأكثر تعقيدًا استنادًا إلى نماذج أكثر تعقيدًا نتيجة مماثلة.
يخبرنا تقديرنا عن مقدار الكتلة الموجودة في الحجم داخل مدار الشمس. يعد هذا تقديرًا جيدًا للكتلة الكلية للمجرة فقط في حالة عدم وجود أي كتلة خارج مدار الشمس. لسنوات عديدة اعتقد علماء الفلك أن هذا الافتراض معقول. ينخفض عدد النجوم الساطعة وكمية المادة المضيئة (أي مادة يمكننا من خلالها اكتشاف الإشعاع الكهرومغناطيسي) بشكل كبير على مسافات تزيد عن حوالي 30000 سنة ضوئية من مركز المجرة. لم نشك في مدى خطأ افتراضنا.
مجرة من مواد غير مرئية في الغالب
في العلوم، ما يبدو أنه افتراض معقول يمكن أن يتحول لاحقًا إلى خطأ (وهذا هو السبب في أننا نواصل القيام بالملاحظات والتجارب في كل فرصة نحصل عليها). هناك الكثير في درب التبانة مما تراه العين (أو أدواتنا). في حين أن هناك القليل من المواد المضيئة نسبيًا التي تتجاوز 30000 سنة ضوئية، فإننا نعلم الآن أن الكثير من المواد غير المرئية موجودة على مسافات بعيدة من مركز المجرة.
يمكننا أن نفهم كيف اكتشف علماء الفلك هذه المادة غير المرئية من خلال تذكر أنه وفقًا لقانون كيبلر الثالث، فإن الأجسام التي تدور على مسافات كبيرة من جسم ضخم ستتحرك ببطء أكثر من الأجسام الأقرب إلى تلك الكتلة المركزية. في حالة النظام الشمسي، على سبيل المثال، تتحرك الكواكب الخارجية ببطء في مداراتها أكثر من الكواكب القريبة من الشمس.
هناك عدد قليل من الأجسام، بما في ذلك المجموعات الكروية وبعض مجرات الأقمار الصناعية الصغيرة القريبة، التي تقع بعيدًا عن الحدود المضيئة لمجرة درب التبانة. إذا كانت معظم كتلة مجرتنا مركزة داخل المنطقة المضيئة، فيجب أن تنتقل هذه الأجسام البعيدة جدًا حول مدارها المجرية بسرعات أقل من الشمس على سبيل المثال.
ومع ذلك، اتضح أن الأجسام القليلة التي تُرى على مسافات كبيرة من الحدود المضيئة لمجرة درب التبانة لا تتحرك ببطء أكثر من الشمس. توجد بعض المجموعات الكروية ونجوم RR Lyrae بين 30,000 و 150,000 سنة ضوئية من مركز المجرة، وسرعاتها المدارية أكبر حتى من الشمس (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
ماذا تعني هذه السرعات العالية؟ يخبرنا قانون كبلر الثالث عن مدى السرعة التي يجب أن تدور بها الأجسام حول مصدر الجاذبية إذا لم تسقط فيه (لأنها تتحرك ببطء شديد) أو للهروب (لأنها تتحرك بسرعة كبيرة). إذا كانت المجرة تحتوي على الكتلة التي حسبها كيبلر فقط، فمن المفترض أن تكون الأجسام الخارجية عالية السرعة قد أفلتت منذ فترة طويلة من قبضة درب التبانة. حقيقة أنهم لم يفعلوا ذلك يعني أن مجرتنا يجب أن تتمتع بجاذبية أكبر مما يمكن أن توفره المادة المضيئة - في الواقع، جاذبية أكبر بكثير. تخبرنا السرعة العالية لهذه الأجسام الخارجية أن مصدر هذه الجاذبية الإضافية يجب أن يمتد للخارج من المركز بعيدًا عن مدار الشمس.
إذا تم توفير الجاذبية بواسطة النجوم أو عن طريق أي شيء آخر يصدر إشعاعًا، كان يجب أن نكون قد رصدنا هذه المادة الخارجية الإضافية منذ فترة طويلة. لذلك نحن مضطرون إلى الاستنتاج المتردد بأن هذه المسألة غير مرئية ولم يتم اكتشافها تمامًا باستثناء جاذبيتها.
تُظهر الدراسات التي أجريت على حركات معظم العناقيد الكروية النائية والمجرات الصغيرة التي تدور حول منطقتنا أن الكتلة الإجمالية للمجرة على الأقل\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\)، وهي أكبر بحوالي عشرين مرة من كمية المادة المضيئة. علاوة على ذلك، تمتد المادة المظلمة (كما أطلق علماء الفلك على المادة غير المرئية) إلى مسافة لا تقل عن 200000 سنة ضوئية من مركز المجرة. تشير الملاحظات إلى أن هالة المادة المظلمة هذه كروية تقريبًا ولكنها ليست كروية تمامًا.
السؤال الواضح هو: من ماذا تتكون المادة المظلمة؟ دعونا نلقي نظرة على قائمة «المشتبه بهم» المأخوذة من دراستنا لعلم الفلك حتى الآن. نظرًا لأن هذه المسألة غير مرئية، فمن الواضح أنها لا يمكن أن تكون في شكل نجوم عادية. ولا يمكن أن يكون غازًا بأي شكل من الأشكال (تذكر أنه يجب أن يكون هناك الكثير منه). إذا كان غاز الهيدروجين محايدًا، لكان قد تم اكتشاف انبعاث الخط الطيفي الذي يبلغ طوله الموجي 21 سم كموجات راديو. إذا كان هيدروجين مؤين، فيجب أن يكون ساخنًا بدرجة كافية لإصدار إشعاع مرئي. إذا تم دمج الكثير من ذرات الهيدروجين في جزيئات الهيدروجين، فمن المفترض أن تنتج هذه السمات المظلمة في أطياف الأشعة فوق البنفسجية للأجسام الواقعة خارج المجرة، ولكن لم يتم رؤية مثل هذه الميزات. ولا يمكن أن تتكون المادة المظلمة من غبار بين النجوم، لأنه في الكميات المطلوبة، سوف يحجب الغبار بشكل كبير الضوء من المجرات البعيدة.
ما هي إمكانياتنا الأخرى؟ لا يمكن أن تكون المادة المظلمة عددًا كبيرًا من الثقوب السوداء (ذات الكتلة النجمية) أو النجوم النيوترونية القديمة، لأن المادة بين النجوم التي تسقط على هذه الأجسام ستنتج أشعة سينية أكثر مما يُلاحظ. تذكر أيضًا أن تكوين الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية يسبقه قدر كبير من فقدان الكتلة، مما يؤدي إلى تشتيت العناصر الثقيلة في الفضاء لدمجها في الأجيال اللاحقة من النجوم. إذا كانت المادة المظلمة تتكون من عدد هائل من أي من هذه الأجسام، فإنها ستنفجر وتعيد تدوير الكثير من العناصر الثقيلة على مدار تاريخ المجرة. في هذه الحالة، ستحتوي النجوم الشابة التي نلاحظها في مجرتنا اليوم على وفرة أكبر بكثير من العناصر الثقيلة مما هي عليه بالفعل.
كما تم استبعاد الأقزام البنية والكواكب الوحيدة التي تشبه كوكب المشتري. بادئ ذي بدء، يجب أن يكون هناك الكثير منهم لتكوين الكثير من المادة المظلمة. لكن لدينا اختبارًا مباشرًا أكثر لمعرفة ما إذا كان هناك الكثير من الأجسام ذات الكتلة المنخفضة يمكن أن تكون كامنة بالفعل هناك. كما تعلمنا في الثقوب السوداء والزمكان المنحني، تتنبأ نظرية النسبية العامة بأن المسار الذي يقطعه الضوء يتغير عندما يمر بالقرب من تركيز الكتلة. اتضح أنه عندما يظهر الجسمان قريبين بدرجة كافية من بعضهما البعض في السماء، يمكن للكتلة الأقرب إلينا ثني الضوء من مسافة أبعد. من خلال المحاذاة الصحيحة فقط، تصبح صورة الكائن الأكثر بعدًا أيضًا أكثر سطوعًا بشكل ملحوظ. من خلال البحث عن الإشراق المؤقت الذي يحدث عندما يتحرك جسم من المادة المظلمة في مجرتنا عبر المسار الذي يقطعه الضوء من النجوم في غيوم ماجلان، أظهر علماء الفلك الآن أن المادة المظلمة لا يمكن أن تتكون من الكثير من الأجسام الصغيرة التي تتراوح كتلتها بين المليون والعشر كتلة الشمس.
ماذا تبقى؟ أحد الاحتمالات هو أن المادة المظلمة تتكون من جزيئات غريبة دون ذرية من نوع لم يتم اكتشافه بعد على الأرض. تجري الآن تجارب معقدة للغاية (وصعبة) للبحث عن مثل هذه الجسيمات. ترقبوا لمعرفة ما إذا كان أي شيء من هذا القبيل سيظهر.
يجب أن نضيف أن مشكلة المادة المظلمة لا تقتصر بأي حال من الأحوال على درب التبانة. تشير الملاحظات إلى أن المادة المظلمة يجب أن تكون موجودة أيضًا في المجرات الأخرى (التي تدور مناطقها الخارجية أيضًا بسرعة كبيرة جدًا «لمصلحتها» - ولديها أيضًا منحنيات دوران مسطحة). كما سنرى، توجد المادة المظلمة حتى في مجموعات كبيرة من المجرات التي من المعروف الآن أن أعضاءها يتحركون تحت تأثير جاذبية أكبر بكثير مما يمكن تفسيره من خلال المادة المضيئة وحدها.
توقف لحظة وفكر في مدى روعة النتيجة التي توصلنا إليها حقًا. ربما ما يصل إلى 95٪ من كتلة مجرتنا (والعديد من المجرات الأخرى) ليست غير مرئية فحسب، ولكننا لا نعرف حتى ما هي مصنوعة منها. قد تكون النجوم والمواد الخام التي يمكننا ملاحظتها مجرد غيض من فيض كوني؛ قد تكون وراء كل ذلك مادة أخرى، ربما مألوفة، ربما جديدة بشكل مذهل. إن فهم طبيعة هذه المادة المظلمة هو أحد التحديات الكبرى لعلم الفلك اليوم؛ سوف تتعلم المزيد عن هذا في عالم من المادة المظلمة (في الغالب) والطاقة المظلمة.
ملخص
تدور الشمس بالكامل حول مركز المجرة في حوالي 225 مليون سنة (سنة مجرية). يمكن تحديد كتلة المجرة من خلال قياس السرعات المدارية للنجوم والمادة بين النجوم. الكتلة الإجمالية للمجرة حوالي\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\). يتكون ما يصل إلى 95٪ من هذه الكتلة من مادة مظلمة لا تنبعث منها أي إشعاع كهرومغناطيسي ولا يمكن اكتشافها إلا بسبب قوة الجاذبية التي تمارسها على النجوم المرئية والمواد بين النجوم. تقع هذه المادة المظلمة في الغالب في هالة المجرة؛ طبيعتها ليست مفهومة جيدًا في الوقت الحاضر.
مسرد المصطلحات
- المادة المظلمة
- الكتلة غير المضيئة، التي لا يمكن استنتاج وجودها إلا بسبب تأثيرها الجاذبي على المادة المضيئة؛ تكوين المادة المظلمة غير معروف