25.3: Misa ya Galaxy

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza majaribio ya kihistoria ya kuamua wingi wa Galaxy
• Tafsiri pembe ya mzunguko iliyozingatiwa ya Galaxy yetu ili kuonyesha uwepo wa suala la giza ambalo usambazaji wake unaendelea vizuri zaidi ya obiti ya Jua

Tulipoelezea sehemu za Milky Way, tulisema kuwa nyota sasa zinajulikana kuzungukwa na halo kubwa zaidi ya jambo lisiloonekana. Hebu tuone jinsi ugunduzi huu wa kushangaza ulifanywa.

Kepler Husaidia Kupima Galaxy

Jua, kama nyota nyingine zote katika Galaxy, huzunguka katikati ya Milky Way. Obiti ya nyota yetu ni karibu mviringo na iko kwenye diski ya Galaxy. Kasi ya Jua katika obiti yake ni takriban kilomita 200 kwa sekunde, maana yake inatuchukua takriban miaka milioni 225 kwenda mara moja karibu na katikati ya Galaxy. Tunaita kipindi cha mapinduzi ya Jua mwaka wa galactic. Ni muda mrefu ikilinganishwa na mizani ya wakati wa binadamu; wakati wa maisha yote ya Dunia, miaka 20 tu ya galactic imepita. Hii ina maana kwamba tumekwenda sehemu ndogo tu ya njia kuzunguka Galaxy wakati wote ambao wanadamu wameangalia angani.

Tunaweza kutumia habari kuhusu obiti ya Jua ili kukadiria masi ya galaksi (kama vile tulivyoweza “kupima” Jua kwa kufuatilia obiti ya sayari inayozunguka-tazama njia na Mvuto). Hebu tuchukue kwamba obiti ya Jua ni mviringo na kwamba Galaxy ni takribani spherical, (tunajua Galaxy imeumbwa zaidi kama diski, lakini ili kurahisisha hesabu tutafanya dhana hii, ambayo inaonyesha mbinu ya msingi). Muda mrefu uliopita, Newton ilionyesha kuwa kama una jambo kusambazwa katika sura ya nyanja, basi ni rahisi kuhesabu kuvuta mvuto juu ya kitu fulani nje ya nyanja hiyo: unaweza kudhani kwamba mvuto vitendo kama kwamba mambo yote yalijilimbikizia katika hatua katikati ya nyanja. Kwa hesabu yetu, basi, tunaweza kudhani kwamba umati wote ulio ndani ya nafasi ya Jua hujilimbikizia katikati ya Galaxy, na kwamba Jua linazunguka hatua hiyo kutoka umbali wa miaka ya nuru 26,000.

Hii ni aina ya hali ambayo sheria ya tatu ya Kepler (kama ilivyorekebishwa na Newton) inaweza kutumika moja kwa moja. Kuziba namba katika formula ya Kepler, tunaweza kuhesabu jumla ya raia wa Galaxy na Jua. Hata hivyo, wingi wa Jua ni ndogo kabisa ikilinganishwa na wingi wa Galaxy. Hivyo, kwa madhumuni yote ya vitendo, matokeo (karibu mara bilioni 100 wingi wa Jua) ni wingi wa Milky Way. Mahesabu ya kisasa zaidi kulingana na mifano ya kisasa zaidi hutoa matokeo sawa.

Makadirio yetu yanatuambia ni kiasi gani cha masi kilichomo katika kiasi ndani ya obiti ya Jua. Hii ni makadirio mazuri kwa wingi wa jumla ya galaxi tu kama vigumu molekuli yoyote iko nje ya obiti ya Jua. Kwa miaka mingi wanaastronomia walidhani dhana hii ilikuwa ya busara. Idadi ya nyota mkali na kiasi cha jambo luminous (maana nyenzo yoyote ambayo tunaweza kuchunguza mionzi ya umeme) wote kushuka kwa kasi katika umbali wa zaidi ya miaka 30,000 mwanga kutoka kituo cha galactic. Kidogo sisi mtuhumiwa jinsi dhana yetu ilikuwa mbaya.

Galaxy ya jambo lisiloonekana

Katika sayansi, kile kinachoonekana kuwa dhana nzuri inaweza baadaye kuwa mbaya (ndiyo sababu tunaendelea kufanya uchunguzi na majaribio kila nafasi tunayopata). Kuna mengi zaidi kwa Milky Way kuliko hukutana na jicho (au vyombo vyetu). Ingawa kuna jambo lenye mwanga mdogo zaidi ya miaka 30,000 ya mwanga, sasa tunajua kwamba jambo lisiloonekana lipo katika umbali mkubwa kutoka kituo cha galactic.

Tunaweza kuelewa jinsi wanaastronomia walivyogundua jambo hili lisiloonekana kwa kukumbuka kuwa kulingana na sheria ya tatu ya Kepler, vitu vinavyozunguka kwa umbali mkubwa kutoka kwenye kitu kikubwa kitahamia polepole zaidi kuliko vitu vilivyo karibu na molekuli hiyo ya kati. Kwa upande wa mfumo wa jua, kwa mfano, sayari za nje zinahamia polepole zaidi katika njia zao kuliko sayari zilizo karibu na Jua.

Kuna vitu vichache, ikiwa ni pamoja na makundi ya globular na baadhi ya galaxi ndogo za karibu za satelaiti, ambazo ziko nje ya mipaka ya mwangaza wa Milky Way. Kama wengi wa wingi wa Galaxy yetu walikuwa kujilimbikizia ndani ya eneo luminous, vitu hivi mbali sana lazima kusafiri kuzunguka njia zao galactic kwa kasi ya chini kuliko, kwa mfano, jua gani.

Inageuka, hata hivyo, kwamba vitu vichache vinavyoonekana kwa umbali mkubwa kutoka kwenye mipaka ya mwanga wa Galaxy ya Milky Way hazihamia polepole zaidi kuliko Jua. Kuna baadhi ya makundi ya globular na nyota za RR Lyrae kati ya miaka ya mwanga 30,000 na 150,000 kutoka katikati ya Galaxy, na kasi zao za orbital ni kubwa zaidi kuliko Jua (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Mzunguko Curve ya Galaxy. Kasi ya orbital ya monoxide ya kaboni (CO) na gesi ya hidrojeni (H) kwa umbali tofauti kutoka katikati ya Galaxy ya Milky Way inavyoonekana kwa nyekundu. Curve ya bluu inaonyesha nini curve ya mzunguko ingeonekana kama jambo lolote katika Galaxy lilikuwa ndani ya radius ya miaka ya mwanga 30,000. Badala ya kushuka, kasi ya mawingu ya gesi mbali zaidi inabakia juu, ikionyesha wingi mkubwa zaidi ya obiti ya Jua. Mhimili usio na usawa unaonyesha umbali kutoka kituo cha galaksi katika kiloparsec (ambapo kiloparsec inalingana na miaka ya nuru 3,260).

Je, kasi hizi za juu zinamaanisha nini? Sheria ya tatu ya Kepler inatuambia jinsi vitu vya haraka vinapaswa kuzunguka chanzo cha mvuto ikiwa haviingii (kwa sababu vinahamia polepole mno) wala kutoroka (kwa sababu huhamia haraka mno). Ikiwa Galaxy ilikuwa na wingi tu uliohesabiwa na Kepler, basi vitu vya nje vya kasi vinapaswa muda mrefu uliopita vimeepuka mtego wa Njia ya Milky. Ukweli kwamba hawajafanya hivyo inamaanisha kwamba Galaxy yetu inapaswa kuwa na mvuto zaidi kuliko inaweza kutolewa na suala lenye mwanga-kwa kweli, mvuto mkubwa zaidi. Kasi kubwa ya vitu hivi vya nje inatuambia kwamba chanzo cha mvuto huu wa ziada lazima upanue nje kutoka katikati mbali zaidi ya obiti ya Jua.

Ikiwa mvuto ulitolewa na nyota au kwa kitu kingine kinachotoa mionzi, tunapaswa kuona nyenzo hii ya ziada ya nje kwa muda mrefu uliopita. Kwa hiyo sisi ni kulazimishwa hitimisho kusita kwamba suala hili ni asiyeonekana na ina, isipokuwa kwa mvuto wake kuvuta, wamekwenda kabisa undetected.

Uchunguzi wa mwendo wa makundi ya mbali zaidi ya globular na galaxi ndogo zinazozunguka wenyewe zinaonyesha kwamba umati wa jumla wa Galaxy ni angalau\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\), ambayo ni karibu mara ishirini zaidi kuliko kiasi cha jambo luminous. Zaidi ya hayo, suala la giza (kama wanaastronomers wamekuja kuwaita nyenzo zisizoonekana) huongeza umbali wa angalau miaka 200,000 ya mwanga kutoka katikati ya Galaxy. Uchunguzi unaonyesha kwamba jambo hili la giza halo ni karibu lakini sio spherical kabisa.

Swali la wazi ni: jambo la giza linalofanywa nini? Hebu tuangalie orodha ya “watuhumiwa” zilizochukuliwa kutoka kwenye utafiti wetu wa astronomia hadi sasa. Kwa kuwa jambo hili halionekani, ni wazi haliwezi kuwa katika mfumo wa nyota za kawaida. Na haiwezi kuwa gesi kwa namna yoyote (kumbuka kwamba kuna lazima iwe na mengi). Ikiwa ingekuwa gesi ya hidrojeni ya neutral, chafu yake ya mstari wa spectral ya urefu wa 21 cm ingekuwa imegunduliwa kama mawimbi Ikiwa ilikuwa hidrojeni ionized, inapaswa kuwa moto wa kutosha kutoa mionzi inayoonekana. Ikiwa atomi nyingi za hidrojeni huko nje zilikuwa zimeunganishwa katika molekuli za hidrojeni, hizi zinapaswa kuzalisha vipengele vya giza katika spectra ya ultraviolet ya vitu vilivyo nje ya Galaxy, lakini sifa hizo hazijaonekana. Wala jambo la giza haliwezi kuwa na vumbi vya interstellar, kwa kuwa kwa kiasi kinachohitajika, vumbi lingeweza kuficha mwanga kutoka kwa galaxi za mbali.

Je, ni uwezekano wetu mwingine? Jambo la giza haliwezi kuwa idadi kubwa ya mashimo meusi (ya molekuli ya stellar) au nyota za zamani za neutroni, kwani jambo la interstellar linaloanguka kwenye vitu hivyo lingeweza kuzalisha eksirei zaidi kuliko inavyoonekana. Pia, kumbuka kwamba malezi ya mashimo meusi na nyota za neutroni hutanguliwa na kiasi kikubwa cha kupoteza kwa wingi, ambayo hutawanya elementi nzito angani ili kuingizwa katika vizazi vilivyofuata vya nyota. Ikiwa jambo la giza lilikuwa na idadi kubwa ya vitu hivyo, wangeweza kupigwa na kutayarisha mambo mengi nzito juu ya historia ya Galaxy. Katika hali hiyo, nyota ndogo tunazoziona katika galaxi yetu leo zingekuwa na wingi mkubwa wa elementi nzito kuliko zinavyofanya.

Wafanyabiashara wa Brown na sayari pekee za Jupiter pia zimehukumiwa nje. Kwanza kabisa, kutakuwa na mengi ya kutisha wao kufanya jambo la giza sana. Lakini tuna mtihani zaidi ya moja kwa moja ya kama wengi chini ya molekuli vitu inaweza kweli kuwa lurking huko nje. Kama tulivyojifunza katika Black Holes na Curved Spacetime, nadharia ya jumla ya relativity inabiri kwamba njia iliyosafiri na mwanga inabadilishwa wakati inapita karibu na mkusanyiko wa wingi. Inageuka kwamba wakati vitu viwili vinaonekana karibu na kutosha mbinguni, wingi karibu na sisi unaweza kupiga mwanga kutoka mbali zaidi. Kwa usawa tu wa kulia, picha ya kitu cha mbali zaidi pia inakuwa nyepesi sana. Kwa kuangalia uangazaji wa muda unaotokea wakati kitu cha giza katika galaksi yetu kinachotembea kwenye njia inayosafirishwa na mwanga kutoka nyota kwenye mawingu ya Magellanic, wanaastronomia sasa wameonyesha kuwa jambo la giza haliwezi kuundwa na vitu vidogo vingi vyenye wingi kati ya milioni moja na moja ya kumi wingi wa Jua.

Nini kushoto? Uwezekano mmoja ni kwamba suala la giza linajumuisha chembe za kigeni za subatomic za aina ambazo hazijaonekana duniani. Majaribio ya kisasa sana (na ngumu) sasa yanajitokeza kutafuta chembe hizo. Endelea tuned kuona kama kitu kama hicho zamu juu.

Tunapaswa kuongeza kwamba tatizo la suala la giza haliko kwa njia yoyote kwenye Njia ya Milky. Uchunguzi unaonyesha kwamba jambo la giza lazima pia liwepo katika galaxi nyingine (ambazo mikoa yake ya nje pia inazunguka kwa kasi sana “kwa manufaa yao wenyewe” -pia ina curves za mzunguko wa gorofa). Kama tutakavyoona, jambo la giza lipo katika makundi makubwa ya galaxi ambazo wanachama wake sasa wanajulikana kuzunguka chini ya ushawishi wa mvuto mkubwa zaidi kuliko inaweza kuhesabiwa na jambo luminous pekee.

Acha muda na fikiria jinsi ya kushangaza hitimisho tuliyofikia kweli ni. Labda kiasi cha 95% ya wingi katika Galaxy yetu (na galaxi nyingine nyingi) sio tu isiyoonekana, lakini hatujui hata ni nini kilichofanywa. Nyota na malighafi tunayoweza kuchunguza zinaweza kuwa tu ncha ya barafu la cosmic; msingi wa yote inaweza kuwa jambo lingine, labda linalojulikana, labda jambo jipya la kushangaza. Kuelewa hali ya jambo hili la giza ni mojawapo ya changamoto kubwa za astronomia leo; utajifunza zaidi kuhusu hili katika Ulimwengu wa (Mengi) Dark Matter and Dark Energy.

Muhtasari

Jua linazunguka kabisa kituo cha galactic katika miaka milioni 225 (mwaka wa galactic). Masi ya Galaxy inaweza kuamua kwa kupima kasi ya orbital ya nyota na suala la interstellar. Masi ya jumla ya Galaxy ni karibu\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\). Kiasi cha 95% ya masi hii ina suala la giza ambalo hutoa mionzi ya umeme na inaweza kugunduliwa tu kwa sababu ya nguvu ya mvuto inayojitokeza kwenye nyota zinazoonekana na suala la interstellar. Jambo hili la giza liko zaidi katika halo ya Galaxy; asili yake haijulikani vizuri kwa sasa.

faharasa

jambo la giza

molekuli isiyo na mwanga, ambao uwepo wake unaweza kuhitimishwa tu kwa sababu ya ushawishi wake wa mvuto juu ya suala luminous; muundo wa suala la giza haijulikani