نوسان‌های جرمی زمین، منظومه‌‌ی شمسی و کهکشان راه شیری تا چه اندازه حقیقت دارد؟

طبق یکی از متداول‌ترین مدل‌های کیهان‌شناسی، اولین کهکشان‌ها بین ۱۳ الی ۱۴ میلیارد سال پیش تشکیل شدند. در طول میلیاردها سال، ساختارهای کیهانی به شکل کنونی خود درآمدند. این ساختارها شامل اجرامی مثل خوشه‌های کهکشانی، ابرخوشه‌ها، رشته ستاره‌ها و همچنین ترکیب‌های خاص کهکشانی مانند خوشه‌های ستاره‌ای کروی، ورم‌های کهکشانی و سیاهچاله‌های غول‌آسا (SMBH) است.

کهکشان‌ها درست مانند موجودات زنده به تکامل می‌رسند؛ زیرا در طول عمر خود به جذب و دفع جرم می‌پردازند. تیمی بین‌المللی از ستاره‌شناس‌ها در پژوهش جدید خود به محاسبه‌ی نرخ مواد ورودی و خروجی کهکشان راه شیری پرداخته‌اند. این اطلاعات و ارتباط آن با نحوه‌ی شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها در مجله‌ی astrobites تحلیل شدند.

پژوهش یادشده به سرپرستی آندرو جی فاکس ستاره‌شناس سازمان فضایی اروپا با همکاری مؤسسه‌ی علوم تلسکوپ فضایی (STSci)، گروه پژوهشی هاله‌ی راه شیری و دانشگاه‌های متعدد انجام شد. پژوهش‌های گذشته به بررسی نرخ جریان گاز ورودی و خروجی ابرهای پرسرعت (HVC) اطراف کهکشان راه شیری اختصاص داشتند. از آنجا که وجود ماده، عامل شکل‌گیری ستاره‌ها در یک کهکشان است؛ با محاسبه‌ی سرعت کم یا اضافه شدن ماده می‌توان به درک جدیدی از تکامل کهکشان‌ها رسید. همان‌طور که مایکل فولی اشاره می‌‌کند، شناسایی سرعت اضافه شدن ماده به کهکشان به درک جزئیات مدل موسوم به «فواره‌ی کهکشانی» کمک می‌کند.

موقعیت خورشید نسبت به منطقه‌ی شکل‌گیری ستاره‌ی اسکوتوم سنتاروس

طبق مدل یادشده، ستاره‌های سنگین در راه شیری با تولید بادهای ستاره‌ای، مواد را به خارج از دیسک کهکشانی هدایت می‌کنند. ستاره‌های سنگین با رسیدن به مرحله‌ی سوپرنوا در پایان عمر خود بخش زیادی از ماده را دفع می‌کنند؛ این مواد می‌توانند به مرور زمان به داخل دیسک بازگردند و زمینه‌ساز تشکیل ستاره‌های جدید شوند. به گفته‌ی فولی:

به فرآیندهایی که منجر به بازگشت گاز از خارج کهکشان می‌شوند، بازخورد ستاره‌ای گفته می‌شود. به بیان دیگر کهکشان راه شیری دریاچه‌ی ایزوله‌ای از ماده نیست؛ بلکه مانند مخزنی است که به‌صورت پیوسته به دلیل جاذبه و بازخورد ستاره‌ای به جذب و دفع گاز می‌پردازد.

علاوه بر این، بر اساس جدیدترین پژوهش‌ها شکل‌گیری ستاره‌ها به‌اندازه‌ی سیاهچاله‌ی غول‌آسای مرکز کهکشان (SMBH) هم وابسته است. SMBH-ها با انتشار انرژی زیاد، باعث گرم شدن گاز و غبار اطراف هسته‌ی کهکشان می‌شوند و به این ترتیب از تجمع آن جلوگیری کرده و با فروپاشی جاذبه‌ای زمینه را برای تشکیل ستاره‌های جدید فراهم می‌کنند.

ما کل آرشیو را بررسی کردیم. ناسا و سازمان‌ فضایی اروپا آرشیوهای سازمان‌یافته‌ای از داده‌های تلسکوپ فضایی هابل را نگه‌داری می‌کنند. همچنین به بررسی رصد کوازارهایی پرداختیم که با طیف‌سنج منشأ کیهانی (COS) ثبت شده‌اند؛ این طیف‌سنج روی تلسکوپ هابل نصب شده است و برای تحلیل نور فرابنفش منابع دوردست به کار برده می‌شود. در نهایت موفق به یافتن ۲۷۰ کوازار شدیم. در ابتدا از رصدها برای ساخت کاتالوگی از ابرهای گازی سریع موسوم به ابرهای پرسرعت (HVC) استفاده کردیم. سپس با استفاده از انتقال داپلر، روشی برای تقسیم‌بندی HVC-ها به دو گروه جریان ورودی و جریان خروجی استفاده کردیم.

حباب فرمی (مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا)

علاوه بر این بر اساس پژوهش‌ها، راه شیری تقریبا ۷ میلیارد سال پیش دوره‌ی غیرفعالی را پشت سر گذاشته است که تقریبا ۲ میلیارد سال دوام آورده است. این دوره نتیجه‌ی امواج شوک است که عامل گرم شدن ابرهای گازی بین‌ ستاره‌ای و ورود موقتی گازهای سرد به داخل کهکشان و توقف موقتی آن بودند. به مرور زمان گازها سرد شدند و مجددا جریان پیدا کرده و موج جدیدی از شکل‌گیری ستاره‌ها آغاز شد. فاکس و همکاران پس از بررسی کل داده‌ها موفق به محدود کردن سرعت ورودی و خروجی ماده از کهکشان شدند:

پس از مقایسه‌ی نرخ گازهای ورودی و خروجی، موفق به مازاد جریان ورودی شدیم که خبر خوبی برای شکل‌گیری ستاره‌های آینده در کهکشان ما است زیرا بخش زیادی از گازها می‌توانند به ستاره‌ و سیاره‌ تبدیل شوند. میزان جذب سالانه‌ی ماده، ۰.۵ جرم خورشیدی و میزان مواد ازدست‌رفته ۰.۱۶ جرم خروشیدی برآورد شده است. درنتیجه به طور خالص افزایش جرم مشاهده می‌شود.

با این حال به گفته‌ی فولی، HVC-ها معمولا تنها ۱۰۰ میلیون سال دوام می‌آورند. درنتیجه نمی‌توان انتظار داشت جریان ورودی خالص زیاد دوام بیاورد. او می‌افزاید: «HVC-ها (ازجمله حباب‌های فرمی) در ساختارهایی قرار می‌گیرند که گاز ورودی و خروجی را ردیابی نمی‌کنند.»

ستاره‌شناس‌ها از سال ۲۰۱۰ از ساختارهای رمزآلود مرکز کهکشان معروف به حباب‌های فرمی آگاه هستند. وسعت این ساختارهای حباب مانند به هزاران سال نور می‌رسد و تصور می‌رود بر اثر مصرف گاز بین‌ستاره‌ای توسط SMBH و درنتیجه انتشار پرتوهای گاما به وجود آمده باشند.

بر اساس این نتایج کهکشان‌هایی مانند راه شیری در یک وضعیت پایدار به تکامل نرسیده‌اند. بلکه به‌صورت متناوب به دفع و جذب گاز پرداخته‌اند. دقیقا مانند یک چرخه‌ی شکفته شدن و ترکیدن است: وقتی گاز وارد می‌شود ستاره‌های بیشتری شکل می‌گیرند اما اگر میزان گاز ورودی از حدی بیشتری شود، می‌تواند منجر به انفجار شدید ستاره، اتلاف گاز باقی‌مانده‌ و در نهایت جلوگیری از تشکیل ستاره شود؛ بنابراین تعادل بین جریان ورودی و خروجی می‌تواند زمینه‌‌ی مساعد برای تشکیل ستاره را فراهم کند. نتایج جدید ما به روشن شدن این فرآیند کمک می‌کنند.

می‌توان نتیجه این‌طور نتیجه گرفت که هر چیزی بر کهکشان راه‌ شیری تأثیر بگذارد در مقیاس کوچک‌تری روی تمام منظومه‌های ستاره‌ای هم تأثیر خواهد گذاشت. برای مثال منظومه‌ی شمسی به مرور زمان در معرض جریان‌های ورودی و خروجی ماده قرار داشته است. اجرامی مانند اومواموا و اخیرا  دنباله‌دار بوریسو نشان می‌دهند سیارک‌ها و دنباله‌دارها از منظومه‌های ستاره‌ای دفع و توسط گروهی دیگر از منظومه‌ها به دام می‌افتند.

اما در مورد گاز و غبار چه می‌توان گفت؟ آیا منظومه‌ی شمسی و به‌خصوص سیاره‌ی زمین به مرور زمان و به‌صورت پیوسته، وزن اضافه یا کم می‌کنند؟ این فرآیند چه معنایی برای آینده‌ی منظومه‌ی شمسی و سیاره‌ی زمین خواهد داشت؟ اخترفیزیک‌دان و مؤلفی به نام برایان کوبرلین در سال ۲۰۱۵ مطلبی را در مورد زمین منتشر کرد. او بر اساس بارش شهابی جوزایی می‌‌نویسد:

بر اساس رصدهای ماهواره‌ای دنباله‌های شهاب‌سنگی، روزانه تقریبا ۱۰۰ الی ۳۰۰ تن متریک ماده با زمین برخورد می‌کند. این مقدار سالانه به ۳۰ هزار الی ۱۰۰ هزار تن می‌رسد. شاید این برخوردها به نظر زیاد برسند اما در طی میلیون‌ها سال کمتر از یک میلیاردیم درصد جرم کل زمین را تشکیل می‌دهند.

آثار برخورد سیارکی کوچک بین سال‌های ۱۹۹۴-۲۰۱۳

با این‌حال زمین هم به مرور زمان و در طی مجموعه‌ای از فرآیندها جرم خود را از دست می‌دهند. یکی از این فرآیندها فروپاشی رادیواکتیو ماده در پوسته‌ی زمین است که منجر به خروج انرژی و ذرات زیراتمی (آلفا، بتا و پرتوهای گاما) از سیاره‌ی زمین می‌شود.

فرآیند دوم، از بین رفتن جو است که در طی آن گازهای هیدروژن و هلیوم وارد فضا می‌شوند. روی‌هم‌رفته چنین فرآیندهایی سالانه منجر به از بین رفتن ۱۱۰ هزار تن ماده می‌شوند. بر اساس یک تخمین سطحی به نظر می‌رسد سالانه ۱۰ هزار تن از وزن زمین کم شود. بر اساس تخمین‌های کریس اسمیت میکروب‌شناس و دیو انسل، فیزیک‌دان کمبریج در سال ۲۰۱۲، زمین در طی یک سال ۴۰ هزار تن غبار فضایی را جذب می‌کند در حالی که ۹۰ هزار تن آن را از طریق فرآیندهای جوی و دیگر فرآیند‌ها از دست می‌دهد.

برای منظومه‌ی شمسی هم موقعیت مشابهی وجود دارد. از سویی جریان‌های گاز‌ و غبار بین‌ستاره‌ای وارد آن می‌شوند. از سوی دیگر جرم خورشید که ۹۹/۸۶ درصد جرم منظومه‌ی شمسی را تشکیل می‌دهد به مرور زمان کاهش می‌یابد. تیمی از ناسا و پژوهشگرهای MIT با استفاده از داده‌های کاوشگر مسنجر ناسا به این نتیجه رسیدند که خورشید به دلیل فرآیند‌های داخلی و بادهای خورشیدی جرم خود را از دست می‌دهد. طبق گزارش Ask an Astronomer، کاهش جرم خورشید با سرعت ۱/۳۲۴۵x۱۰^۱۵ تن در سال رخ می‌دهد.

با کاهش جرم خورشید، تأثیر گرانشی آن روی زمین و سیاره‌های دیگر هم کاهش خواهد یافت. با این‌حال تا آن زمان خورشید به پایان عمر خود می‌رسد؛ منبسط می‌شود و می‌تواند به‌خوبی عطارد، زهره، زمین و حتی مریخ را کاملا ببلعد. بنابراین با اینکه کهکشان طبق آینده‌ای قابل پیش‌بینی به جرم می‌رسد اما به نظر می‌رسد خورشید و زمین به آرامی جرم خود را از دست می‌دهند. نباید این را خبر بدی دانست اما از آثار طولانی‌مدت آن هم نباید غافل شد.

حتی قدیمی‌ترین و سنگین‌ترین اجرام در جهان هم در طول عمر خود مانند موجودات زنده دستخوش تغییر و تکامل می‌شوند. صرف‌نظر از اینکه موضوع این پژوهش سیاره‌ها، ستاره‌ها یا کهکشان‌ها باشند همه متولد می‌شوند، زندگی می‌کنند و می‌میرند و در این میان ممکن است چند کیلو وزن کم یا اضافه کنند و به این ترتیب چرخه‌ی حیات در مقیاس کیهانی ایفای نقش می‌کند.