دانش آموز جوان با کشف سه کهکشان سرنخ جدیدی از تکامل کیهان به دست آورد.

جولیان شاپیرو، دانشجوی اخترفیزیک دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، در دوران دبیرستان، سه کهکشان کوتوله عجیب را در نزدیکی کهکشان مارپیچی بزرگ M101 در حین مطالعه بر روی نرخ تشکیل ستاره کشف کرد. این سه کهکشان اکنون با نام های شاپیرو 1، شاپیرو 2 و شاپیرو 3 شناخته می شوند. دستاورد او همچنین می تواند الهام بخش دانشجویان و جوانان علاقه مند به تحقیقات اخترفیزیک باشد.

شاپیرو درباره هدف خود از این تحقیق گفت:

امیدوارم دستاوردهای من بتواند الهام بخش جوانانی باشد که مشتاق تحقیق در زمینه اخترفیزیک هستند. برنامه‌های درسی مدارس معمولاً در معرض دید محدودی از نجوم قرار می‌دهند و دانش‌آموزان به سختی می‌توانند راهنمایی و تجربه در این زمینه پیدا کنند. مقاله من نشان می دهد که داده های آرشیوی عمومی از تلسکوپ ها ابزار مهمی برای انجام اکتشافات جدید در مورد کیهان شناسی و چگونگی تکامل کیهان است و ستاره شناسان جوان پتانسیل انجام چنین اکتشافاتی را دارند.

شاپیرو در UC Berkeley به گروه تحقیقاتی اخترفیزیکدان برجسته الکسی فیلیپنکو پیوست. این گروه روی اندازه‌گیری‌های کیهانی کار می‌کنند که نتایج آن منجر به اختلاف نظر در مورد مقدار ثابت هابل شده است. او همچنین تحقیقات بیشتری را در مورد سه کهکشان که در طول تحصیل در مقطع کارشناسی خود کشف کرده است، ادامه خواهد داد.

فیلیپنکو درباره توانایی های این دانش آموز گفت:

جولیان در دوران دبیرستان تحقیقات بسیار پیشرفته و چشمگیری انجام داد. دستاوردی که به ندرت در این سن دیده می شود، که باعث شد او بورسیه معتبر دیویدسون را دریافت کند. من بسیار خوشحالم که او دانشگاه کالیفرنیا برکلی را برای تحصیل در رشته اخترفیزیک در مقطع کارشناسی انتخاب کرد، و به ویژه احساس خوشبختی می کنم که او تصمیم گرفت به گروه تحقیقاتی من بپیوندد.

بررسی کهکشان های کوتوله

چرا ستاره شناسان به مطالعه کهکشان های کوتوله علاقه مند هستند؟ این اجرام نقش مهمی در تکامل کهکشان ها در سراسر جهان دارند. کهکشان‌های کوتوله، همانطور که از نامشان پیداست، ابعاد کوچکی دارند و تعداد ستاره‌های آن‌ها می‌تواند از حدود هزار ستاره تا چند میلیارد ستاره متفاوت باشد. این کهکشان ها اشکال مختلفی دارند. از نمونه های بیضوی و کروی تا کهکشان های کوچک نامنظم و مارپیچی.

برخی از ستاره شناسان بر این باورند که این کهکشان ها ممکن است در اثر برخورد کهکشان های بزرگ شکل گرفته باشند. در چنین فرآیندی بخشی از مواد دو کهکشان بزرگ به فضای بین کهکشانی پرتاب می شود و سپس با تجمع این مواد کهکشانی کوتوله پدیدار می شود.

شاپیرو که اخیرا مقاله تحقیقاتی خود را در مجله علمی منتشر کرده است مجله اخترفیزیک منتشر شده، درباره ویژگی های این اشیا گفت:

کهکشان های کوتوله هم به طور مستقل در فضا وجود دارند و هم می توانند به عنوان ماهواره در اطراف کهکشان های بزرگتر مانند کهکشان راه شیری قرار گیرند. انتظار می‌رود کهکشان‌های منزوی همچنان به تولید ستاره‌ها ادامه دهند، زیرا کهکشان بزرگ‌تری در نزدیکی وجود ندارد که گاز لازم برای تشکیل ستاره را از آنها بگیرد. با این حال، کهکشان هایی که من کشف کرده ام از این الگو پیروی نمی کنند. در مقاله‌ام استدلال کرده‌ام که این اجرام ممکن است جزو اولین نامزدهای شناسایی شده و قابل تشخیص برای کهکشان‌های بازگشتی باشند. یعنی کهکشان هایی که زمانی از نزدیک یک همسایه بزرگ عبور می کردند، بر اثر فشار ناشی از این برخورد گازهای خود را از دست می دادند و سپس به فضای دور پرتاب می شدند.

انتظار می‌رود کهکشان‌های بازگشتی در سراسر جهان نسبتاً فراوان باشند، اما شناسایی آنها تا کنون در همسایگی کیهانی ما دشوار بوده است. وجود این اجرام توسط مدل کیهانی ماده تاریک سرد لامبدا پیش بینی می شود. مدلی که نشان می دهد چنین کهکشانی نباید پدیده ای بسیار نادر باشد.

با این حال، سه کهکشان شاپیرو علیرغم قرار گرفتن در چنین شرایطی، فعالیت ستاره‌زایی زیادی ندارند. سوال اصلی این است که چرا این اجرام ستاره های بیشتری تولید نمی کنند؟ شاپیرو با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری به این نتیجه رسید که یک عامل خارجی ممکن است بر هر سه کهکشان تأثیر گذاشته باشد و سرعت تشکیل ستاره در آنها را کاهش دهد.

کشف علت توقف تشکیل ستاره در سه کهکشان شاپیرو

کهکشان هایی مانند سه کهکشان کشف شده توسط شاپیرو در شرایط نسبتاً ایزوله و در مناطق غنی از گاز لازم برای تشکیل ستاره قرار دارند. کهکشان‌های کوتوله‌ای که تولید ستارگان را متوقف کرده‌اند، معمولاً در محیط‌های کهکشانی متراکم‌تر زندگی می‌کنند یا به دور کهکشان میزبان بزرگ‌تری می‌چرخند. اخترشناسان توقف یا کاهش شدید تشکیل ستاره در کهکشان را تعطیلی تشکیل ستاره می نامند.

در چنین محیط‌هایی، برهم‌کنش گرانشی بین کهکشان‌های کوتوله و همسایگان بزرگ‌ترشان می‌تواند گاز مورد نیاز برای تولد ستاره را از آن‌ها سلب کند. این فرآیند توضیح می‌دهد که چرا کهکشان‌های نزدیک به اجرام بزرگ‌تر گاهی ستاره‌های جدید زیادی تولید نمی‌کنند.

تصاویر مربوط به این تحقیق سه مورد از کهکشان های کوتوله فوق کم نور کهکشان راه شیری را نشان می دهد. این اجرام، مانند کهکشان های شاپیرو، علیرغم اینکه در تاریخ کیهان نسبتاً دیر هستند، می توانند اطلاعات مهمی در مورد شرایط جهان اولیه در اختیار دانشمندان قرار دهند. اعتبار تصویر: Decals and Deci Legacy Imaging Surveys، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، وزارت انرژی ایالات متحده، رصدخانه های Kite Peak و Cerro Tululu، NewAirLab، بنیاد ملی علوم ایالات متحده، و انجمن دانشگاه های تحقیقاتی نجومی.

سه کهکشان کوتوله کشف شده توسط شاپیرو راز مهمی را به ستاره شناسان ارائه کرده اند. زیرا به نظر منزوی می رسند و فعالیت ستاره سازی در آنها متوقف شده یا به شدت کاهش می یابد. شاپیرو بر اساس نتایج شبیه‌سازی‌ها و مشاهدات خود پیشنهاد می‌کند که این وضعیت نتیجه تعامل بین این سه کهکشان و یک کهکشان بزرگ‌تر، احتمالاً M101 است.

او پیشنهاد کرد که سه کهکشان شاپیرو ممکن است از چاه گرانشی مسیه 101، معروف به کهکشان مارپیچی عبور کرده باشند. اگر چنین رویدادی رخ می داد، برخوردها و فعل و انفعالات گرانشی می توانستند گاز لازم برای تشکیل ستاره را از این کهکشان های کوتوله از بین ببرند. علاوه بر این، همین فعل و انفعالات ممکن است آنها را به فضای بین کهکشانی پرتاب کرده باشد.

با این حال، وضعیت کهکشان کوتوله Shapiro 2 کمی متفاوت به نظر می رسد. این جرم به اندازه کافی به کهکشان مارپیچی NGC 5585 نزدیک است که احتمالاً به عنوان یک ماهواره به آن تعلق دارد، نه اینکه در تعامل احتمالی با M101 شرکت کند.

شاپیرو زمان زیادی را صرف تخمین فواصل این کهکشان ها کرد تا مشخص کند که آیا واقعاً منزوی هستند یا خیر. اگر این انزوا تأیید شود، فرضیه تأثیر فعل و انفعالات کهکشانی بر شکل‌گیری و فرونشاندن ستاره‌زایی آنها می‌تواند به شناسایی اجرام مشابه در آینده کمک کند.

مقاله شاپیرو بر روش‌هایی تمرکز دارد که اخترشناسان می‌توانند فراوانی این نوع کهکشان‌ها را با استفاده از مشاهدات آینده از رصدخانه‌های نسل بعدی تخمین بزنند. وی درباره دشواری های این تحقیق گفت:

ایجاد پایگاه دانش مورد نیاز برای شناسایی این کهکشان ها، توسعه کدهای مدل سازی، و تجزیه و تحلیل و بررسی نتایج در برابر مدل کیهانی ما چالش برانگیز بود. خوشبختانه بسیاری از مجلات علمی پیشرو در این زمینه به صورت رایگان در دسترس هستند و این به من کمک کرد تا روش ها و پیشینه علمی لازم را بیاموزم.

شاپیرو امیدوار است که اندازه‌گیری‌های اضافی با استفاده از تلسکوپ‌های فضایی با وضوح بالا، مکان دقیق این کهکشان‌های کوتوله را مشخص کند و امکان تأیید فرضیه بازگشت آنها را فراهم کند. او همچنین انتظار دارد که رصدخانه جدید Vera C. روبین تعداد زیادی از نامزدهای دیگر این نوع کهکشان ها را شناسایی کرد و راه را برای مطالعه دقیق تری درباره منشاء و تکامل آنها هموار کرد.