اخترشناس ایرانی دانشگاه «بیرمنگام» و همکارانش موفق به کشف پرجرمترین کهکشان «فسیلی» شدند
در حالی که رسانهها و خبرگزاریهای جهان چندی پیش از کشف شگفتانگیز کهکشان «نوزاد» در فاصله ۱۰ میلیارد سال نوری زمین توسط «دکتر بهرام مبشر» – اخترشناس برجسته ایرانی – و همکارانش در مؤسسه تلسکوپ فضایی «هابل» در آمریکا خبر دادند، در آن سوی اقیانوس و در قلب اروپا، اخترشناس ایرانی دیگری در بخش اخترفیزیک و تحقیقات فضایی دانشگاه «بیرمنگام» انگلستان و همکارانش موفق به شناسایی نزدیکترین «فسیل کهکشانی» در فاصله ۱۶۵ میلیون سال نوری زمین شده اند.
به گزارش خبرنگار «علمی» خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا)، دکتر حبیب خسروشاهی، استاد و پژوهشگر جوان ایرانی که حدود چهار سال پیش پس از اتمام تحصیلات دکتری در «مرکز تحصیلات تکمیلی در علوم پایه زنجان» به عضویت هیات علمی دانشگاه «بیرمنگام» انگلستان درآمده، به عنوان پژوهشگر اصلی گروه تحقیقات کهکشانهای فسیلی این دانشگاه که از معتبرترین و فعالترین گروههای پژوهشی در این زمینه در دنیاست، نقش کلیدی در یافتههای اخیر این گروه از جمله شناسایی نزدیکترین و پرجرمترین کهکشانهای فسیلی و چند کهکشان فسیلی دیگر و نظریههای بدیع ارائه شده در زمینه این گروههای کهکشانی داشته و تحقیقات اخیر وی بازتاب وسیعی در محافل و رسانههای علمی جهان داشته است.
این دانشمند ایرانی و همکارانش به تازگی مطالعه چهار فسیل کهکشانی را به پایان بردهاند که نتایج این تحقیقات که تاییدی بر یافتههای جالب توجه و جنجالی گذشته آنها درباره ساختار و ویژگیهای کهکشانهای فسیلی است طی هفتههای اخیر اعلام میشود.
دکتر حبیب خسروشاهی، استاد جوان دانشگاه «بیرمنگام» در سال ۱۳۵۰ در تبریز به دنیا آمده و تحصیلات کارشناسی خود را در رشته فیزیک در دانشگاه تبریز و مقطع کارشناسی ارشد و دکتری این رشته را در مرکز تحصیلات تکمیلی در علوم پایه زنجان به پایان رسانده است.
وی پس از اتمام تحصیلات دکتری به مدت یک سال فعالیتهای پژوهشی خود را در مرکز تحصیلات تکمیلی در علوم پایه زنجان ادامه داده و پس از آن به دانشگاه «بیرمنگام» رفته و در حال حضور به عنوان عضو هیات علمی عمده فعالیت خود را به پژوهش در حوزه نجوم فراکهکشانی متمرکز کرده است.
زمینههای اصلی تحقیقات دکتر خسروشاهی، بررسی کهکشانهای گروهها و خوشههای کهکشانی، روند تشکیل و تحول آنها و ارتباط ساختار کهکشانها با محیط پیرامون آنها (گاز یا ماده میان کهکشانی در خوشههای کهکشانی) است.
دکتر خسروشاهی در گفتوگویی تلفنی با خبرنگار «علمی ـ پژوهشی» خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا) درباره فعالیتهای تحقیقاتیش گفت: در حال حاضر در زمینه چند طرح پژوهشی کار میکنم که یکی از آنها مطالعه ارتباط کهکشان با گروههای کهکشانی و بررسی تفاوت احتمالی ساختار کهکشانهای منفرد با کهکشانهایی است که در خوشهها یا گروههای کهکشانی هستند .
نتایج این تحقیقات میتواند به ما کمک کند که دریابیم آیا کهکشانهایی که در خوشهها و گروههای مختلف رصد میکنیم در همان جا تشکیل شدهاند یا این که در محل دیگری ایجاد شده و سپس به محل فعلی رسیدهاند. البته عمده تحقیقات من صرف مطالعه گروههای کهکشانی فسیلی میشود.
این اختر فیزیکدان ایرانی خاطر نشان کرد: فسیلها، گروههای کهکشانی با قدمت بسیار طولانی ـ در مقایسه با عمر سایر گروههای کهکشانی ــ هستند که کهکشانهای آن فرصت کافی برای اندرکنش و برخورد با یکدیگر را داشتهاند به طوری که کهکشانی بزرگ را تشکیل دادهاند که توانسته کهکشانهای مجاور خود را نیز در برگیرد و در نهایت گروه کهکشانی بسیار درخشانی را تشکیل داده است.
دکتر خسروشاهی در تشریح روند اندرکنش کهکشانها اظهار داشت: بسیاری از کهکشانهایی که در عالم مشاهده میکنیم در گروهها (مجموعههای) کهکشانی قرار دارند و به این ترتیب این فرصت را دارند که برهمکنشها و برخوردهایی با هم انجام دهند که میتواند ساختار این کهکشانها را دچار تغییرات جدی کند؛ مثلا، برخی از کهکشانهایی «بیضی گون» ــ و نه همه آنهاــ از برخورد کهکشانهای مارپیچ به وجود آمدهاند.
اگر کهکشانهای یک گروه فرصت کافی داشته باشند، بیشتر کهکشانهای درخشان گروه با هم ادغام شده و یک کهکشان، بسیار درخشان را تشکیل میدهند که اصطلاحا به «غول بیضی گون» موسوم است؛ ولی کهکشانهای کوچکتر این گروهها ــ کوتولههاــ که به دلیل جرم و ساختار کوچکشان اصطحکاک دینامیکی چندانی با کهکشانهای بزرگتر ندارند عمدتا در این بر هم کنشها وارد نمیشوند.
استاد و پژوهشگر اخترفیزیک دانشگاه «بیرمنگام» در ادامه با اشاره به این که اعضای گروههای کهکشانی با هالهای از گاز داغ میان کهکشانی پوشیده شدهاند، خاطر نشان کرد: اندرکنشهای چندتایی که بین کهکشانهای درخشان گروههای کهکشانی صورت میگیرد، تغییر چندانی در ماده میان کهکشانی ایجاد نمیکند ولی ممکن است آزاد شدن برخی مواد از داخل کهکشانها بر اثر این بر هم کنشها، میزان فلزیت ماده بین کهکشانی را دچار تغییر کند. تمام این برهمکنشها را میتوان تا حدودی با شبیهسازیهای رایانهیی بررسی کرد.
وی با بیان این که این قبیل بر هم کنشها در تمام گروهها و خوشههای کهکشانی از جمله کهکشان «راه شیری» اتفاق میافتد، به ایسنا گفت: کهکشان ما جزو گروه موضعی است و با کهکشانهای مجاور از جمله کهکشان مارپیچ «آندرومگا» که نزدیکترین کهکشان بزرگ در همسایگی آن است اندرکنش دارد؛ البته از آنجا که کهکشانهای «راه شیری» و «آندرومگا» چندان به هم نزدیک نشدهاند، اندرکنش بین آنها آنقدر شدید نیست که بتواند ساختار دو کهکشان را به هم بریزد.
دکتر خسروشاهی با بیان این که هر چه گروه کهکشانی کوچکتر باشد اندرکنشها بیشتر و موثرتر است، خاطر نشان کرد: در خوشههای غنی کهکشانی که صدها هزار کهکشان دارند، کهکشانها با سرعت بسیار زیاد ــ نزدیک به ۱۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه ــ از کنار یکدیگر عبور میکنند؛ بنابراین امکان اندرکنش مؤثر بین آنها نیست.
پژوهشگر ایرانی دانشگاه «بیرمنگام» در ادامه با اشاره به این که فسیلها گروههایی کهکشانی هستند که در اثر این قبیل اندرکنشهای بین کهکشانی ایجاد شدهاند، اظهار داشت: مشخصه اصلی فسیلها این است که کهکشان بسیار درخشانی دارند که از برخورد و ادغام کهکشانها به وجود میآید و شکلی بیضی گون دارد و دارای هالهای بسیار عظیم از گازهای بسیار داغ به دمای چند ۱۰ میلیون درجه کلوین هستند که به دلیل این دمای بسیار بالا در ناحیه پرتوهای «ایکس» هم تابش میکند.
هالهای که کهکشانهای فسیلی را در بر گرفته، در مقایسه با هاله تک کهکشان بسیار بزرگتر و مشابه هاله گروهها و خوشههای کهکشانی است؛ در حالی که وقتی آنها را در ناحیه اپتیکی رصد میکنیم به دلیل این که بقیه اعضای آن گروه کوتولهها هستند تنها یک کهکشان بسیار درخشان میبینیم و بقیه چندان قابل مشاهده نیستند.
دکتر خسروشاهی درباره وجه تسمیه گروههای کهکشانی «فسیلی» به ایسنا گفت: این گروههای کهکشانی در شرایطی ایجاد میشوند که یک کهکشان بزرگ فرصت کافی داشته باشد تا کهکشانهای مجاور را ببلعد و بزرگتر شود که طبعا مستلزم زمانی بسیار طولانی است و به تبع آن این گروههای کهکشانی قدیمی را «فسیل» نامگذاری کردهاند.
وی خاطرنشان کرد: بسیاری از گروههای کهکشانی غیر فسیلی که مثلا یک، دو یا سه میلیارد سال از تشکیل آنها گذشته و یا در حال تشکیل هستند، هنوز در حال بلعیده شدن میباشند ولی در فسیلها این فرایند تمام شده و به طور نسبی سه تا چهار میلیارد سال قدیمیتر از گروههای کهکشانی معمولی هستند؛ بنابراین لفظ «فسیل» برای چنین گروههای کهکشانی کاملا با مسماست.
این اخترفیزیکدان ایرانی همچنین درباره ماهیت ماده میان کهکشانی که در گروهها و خوشههای کهکشانی مختلف وجود دارد، اظهار داشت: هیچ جای جهان خلاء نیست. در فضای بین ستارهها یا کهکشانها نیز پلاسما یا گازی وجود دارد که به دلیل چگالی بسیار پایین آن در مقایسه با ستارهها از آن به خلاء تعبیر میشود در حالی که با توجه به حجم بسیار عظیمی که در بر میگیرد در مجموع جرم این گاز بسیار قابل توجه است.
وی در ادامه درباره اهمیت مطالعه فسیلها به ایسنا گفت: مطالعه این گروههای کهکشانی از لحاظ بررسی تشکیل و تحول کهکشانهای درخشان یا غولهای بیضیگون بسیار مفید است چون این اعتقاد وجود دارد که این قبیل کهکشانها که در همه خوشههای کهکشانی غنی دیده میشوند، نمی توانستهاند در هسته این خوشهها به وجود آمده باشند چون پدیده ادغام کهکشانهای مارپیچی به سرعت کهکشانها بستگی دارد که در خوشههای غنی بسیار بیشتر از سرعت کهکشانها در گروههای کهکشانی است، بنابراین بعید است که اندرکنش موثری که میتواند به ایجاد غولهای بیضی گون منجر شود در خوشههای غنی صورت گیرد، پس به احتمال زیاد این کهکشانهای درخشان در گروههای کهکشانی نظیر فسیلها به وجود آمده و سپس در اثر اندرکنش گرانشی به مرکز خوشههای غنی راه یافتهاند.
دکتر خسرو شاهی اضافه کرد: البته به احتمال زیاد عدهای از این فسیل ها چنین فرصتی را پیدا نکردهاند و به همین علت است که امروز میتوانیم آنها را شناسایی کنیم.
این اختر شناس جوان ایرانی که نقش محوری در تحقیقات مربوط به فسیلهای کهکشانی در جهان دارد در توجیه این مساله گفت: فرض کنید که یک گروه کهکشانی تشکیل شده ولی سیستم دیگری در نزدیکی آن وجود ندارد.
این سیستم به صورت منفرد ــ ایزوله ــ در فضا باقی میماند و در صورتی که در اثر برهم کنشهای بین کهکشانی آن، غول بیضی گونی تشکیل شود و در اثر نزدیکی با یک خوشه یا گروه کهکشانی، این دو بعدا با هم ادغام شده و یک خوشه غنی را تشکیل میدهند که از این غولهای بیضی گون به هسته آن منتقل میشوند.
وی افزود: موضوع دیگری که فسیلها را با اهمیت میکند مساله توزیع «ماده تاریک» است . اگر فسیلها ــ آن چنان که از اسمشان بر میآید ــ قدیمی باشند، مسلما توزیع «ماده تاریک» در یک سیستم کهکشانی قدیمی با آنچه بعدا به وجود آمده تفاوتهایی خواهد داشت؛ البته ماده تاریک قابل رویت نیست و تنها در اثر اندرکنش گرانشی با ماده درخشان (باریونی) ــ مثل ستارهها، گاز میان ستارهیی یا میان کهکشانی و هر چیز دیگری که میتواند طول موج الکترومغناطیسی در هر ناحیه طیفی ساطع کند ــ تشخیص داده میشود؛ به این ترتیب فرضا به طور دینامیکی جرم یک سیستم را اندازهگیری میکنیم و میبینیم اگر تمام آن را به ماده درخشان تبدیل کنیم، جرم سیستم بسیار بیشتر از میزان اجرام قابل رویت آن خواهد بود و بنابراین در مییابیم که بخشی از جرم سیستم مربوط به «ماده تاریک» است.
به گفته دکتر خسرو شاهی، طبق محاسبات دانشمندان، جرم گرانشی هر خوشه یا گروه کهکشانی ۳۰۰ تا ۵۰۰ برابر بیش از اجرام قابل رویت آن است که این اضافه جرم عظیم مربوطه به ماده تاریک آنها است که گرانش دارد ولی دیده نمیشود.
گاز میان کهکشانی که در ناحیه پرتوهای «ایکس» تابش میکند و صرفا از طریق تلسکوپهای فضایی قابل رویت است، توزیع جرم در این سیستم را نشان میدهد. تنها عاملی که میتواند گاز میان کهکشانی را بدین شکل حفظ کند، ماده تاریک است که با ایجاد یک چاه عملاً آن گاز و هر ماده تاریک و غیر تاریک را در داخل خود حبس کرده است. چرا که ماده تاریک موجود در خوشهها یا گروههای کهکشانی چند صد برابر ماده درخشان آنها جرم داشته و در واقع اثر غالب مربوط به ماده تاریک است.
دانشمند ایرانی دانشگاه «بیرمنگام» در ادامه گفتوگو با ایسنا درباره یافته های تحقیقاتی خود و همکارانش در زمینه ماده تاریک کهکشانهای فسیلی گفت: توزیع جرم (توزیع ماده تاریک) در این گروههای کهکشانی که از طریق پرتوهای ایکس گسیل شده از آنها مطالعه شده نشان داده که ماده تاریک در این خوشههای کهکشانی کاملا مرکزگراست. به این معنی که در مقایسه با گروههای کهکشانی غیر فسیلی کسر بیشتری از جرم این گروهها در قسمت مرکزی آنها قرار گرفته است؛ به این ترتیب، فسیلها صرف نظر از تفاوتهایی که از نظر شکل ظاهری یا نوع کهکشانهایشان با سایر گروهها و خوشههای کهکشانی دارند، از لحاظ توزیع جرمشان نیز که عمدتا ماده تاریک است از سایر گروههای کهکشانی متمایز هستند.
دکتر خسروشاهی خاطر نشان کرد: یکی دیگر از زمینههای تحقیق درباره کهکشانهای فسیلی مطالعه ترمودینامیک گاز میان کهکشانی آنها است؛ یعنی همان طور که ترمودینامیک گازهای معمولی را بررسی میکنیم میتوانیم ویژگیهای ترمودینامیک دما، توزیع دما، توزیع انرژی فوتونها، آنتروپی، فلزیت (درصد فلزات سنگین) گاز میان کهکشانی این گروه از کهکشانها را که نزدیکترین آنها در فاصله حدود ۵۰ مگاپارسک (۱۶۵ میلیون سال نوری) زمین قرار دارند مطالعه کنیم.
وی تصریح کرد: تمامی این اطلاعات مرهون امکاناتی است که تلسکوپهای فضایی در اختیار ما قرار میدهند چرا که امکان مشاهده پرتوهای ایکس توسط تلسکوپهای زمینی وجود ندارد. تیم تحقیقاتی ما در حال حاضر با استفاده از اطلاعات تلسکوپ فضایی «چاندرا» ناسا و تلسکوپ فضایی XMM سازمان فضایی اروپا (اسا) مشغول بررسی پرجرمترین فسیل کهکشانی است.
استاد ایرانی دانشگاه «بیرمنگام» درباره کشفیات چند ماه پیش این گروه که در مجامع و رسانههای علمی جهان بازتاب یافت، اظهار کرد: عمده آن یافتهها مربوط به کشف ماده تاریک متمرکز در کهکشانهای فسیلی بود که تاییدی بر قدیمی بودن این سیستمها است؛ چون معتقدیم که به دلیل چگالی بسیار بالای ماده و گاز در مراحل ابتدایی پیدایش عالم ابتدا هسته کهکشانها یا گروههای فسیلی و سپس با تجمع جرم در هاله این هسته، خود این کهکشانها یا گروهها ایجاد شدهاند؛ یعنی ابتدا یک هسته بسیار چگال تشکیل شده و پس از آن هاله گسترده در طول زمان به تدریج به آن اضافه شده است.
این روند صرفا مربوط به یک کهکشان فسیلی مطالعه شده نیست و فسیلهای دیگری نیز که بعدا مطالعه کردیم و نتایج آن در هفتههای آینده منتشر میشود چنین حالتی دارند که نشان دهنده عمومیت تمرکز ماده تاریک در خوشهها و گروههای فسیلی است.
دکتر خسروشاهی در ادامه گفت و گو با ایسنا تصریح کرد: این اولین بار بود که یک فسیل کهکشانی با دادههایی با کیفیت بالا مورد مطالعه قرار گرفت؛ البته وجود فسیلها از سال ۱۹۹۴ با شبیهسازیهای رایانهیی پیشبینی شده و تلسکوپ فضایی Rosat هم به نوعی اولین فسیلها را شناسایی کرده بود ولی کیفیت و وضوح دادهها و تصاویر Rosat در مقایسه با دادههای حاصل از تلسکوپ «چاندرا» که در تحقیقات ما استفاده شد بسیار پایین بود.
وی تصریح کرد: با استفاده از تلسکوپ فضایی «چاندرا» توانستیم این سیستمهای کهکشانی را با جزئیات بیشتر بررسی کنیم و برای اولین بار هسته نزدیکترین فسیل را به شعاع یک کیلوپارسک مورد بررسی قرار دهیم. این مطالعه که با تلسکوپهای قبلی امکانپذیر نبود، اطلاعات مهمی را درباره این فسیل در اختیار ما گذاشت از جمله این که دمای گازی که پرتوهای ایکس را تابش میکند در مرکز خوشهها نسبت به قسمتهای کناری پایینتر است.
دکتر خسروشاهی در تحلیل سازوکار این پدیده نیز که از آن به عنوان «شارش سرد» یاد کرد، اظهار داشت: چون میزان پرتوهای ایکسی که به ما میرسد به چگالی گاز بستگی دارد، هر چه چگالی گاز بالاتر باشد پرتوهای ایکس بیشتری تابش میکند؛ در نتیجه وقتی آن گاز انرژی خود را به صورت پرتوهای ایکس از دست داد سرد میشود و فشار تابشی آن کاهش مییابد که در نتیجه گاز از اطراف به مرکز خوشه سقوط میکند؛ بنابراین مجددا چگالی گاز در این ناحیه افزایش یافته و پرتوهای ایکس بیشتری تابش میشود و در نتیجه دمای سیستم کاهش یافته و گاز مجددا به مرکز خوشه سقوط میکند.
استاد ایرانی دانشگاه «بیرمنگام» در گفتوگو با ایسنا، تصریح کرد: با توجه به این سازوکار به نظر میرسد سیستمهای ریلکسی مثل فسیلها دارای هستههای خنک باشند که به آن شارش سرد (هستههای خنک) میگویند؛ البته نکته جالب این است که ما در بررسیهای بسیار دقیقی که در سیستم فسیلی مورد مطالعه داشتیم چنین پدیدهای را ندیدیم که ممکن است علت آن وجود یک هسته کهکشانی فعال باشد که داغ شدن مجدد گاز موجود در مرکز کهکشان را موجب میشود یا این که سقوط ماده به مرکز به حدی شدید است که در اثر کار مکانیکی دوباره خود هسته گرم میشود یعنی فرایندی است که ماده را به دلیل گسیل پرتوهای ایکس خنک میکند و فرایند دیگری نظیر سقوط شدید ماده به مرکز خوشه باعث گرم شدن مجدد آن میشود.
دکتر خسرو شاهی با بیان این که اثبات مکانیزمهای پیشنهادی که برای توضیح دادههای رصدی ارائه شده مستلزم مطالعات بیشتر و دقیقتر بر روی فسیلهای کهکشانی مختلف است، اظهار داشت: یکی دیگر از طرحهای تحقیقاتی من شناسایی فسیلها در هزار درجه مربع از آسمان است.
در این تحقیق صفحهای از آسمان را به ابعاد ۳۱ درجه در راستای سمتی و ۳۱ درجه در راستای عمودی تا عمق ۴۰۰ مگا پارسک بررسی کرده و فسیلهای کهکشانی موجود در آن را شناسایی میکنیم.
این اختر فیزیکدان ایرانی خاطر نشان کرد: مطالعات این طرح به تازگی آغاز شده و پیشبینی میشود گردآوری دادههای اپتیکی، آن حدود یک تا یک و نیم سال طول بکشد که پس از آن مجددا باید در ناحیه ایکس این ناحیه از فضا را رصد کنیم.این مرحله از تحقیق نیز احتمالا دو سال به طول میانجامد و بنابراین نتایج اولیه طرح حداقل سه تا چهار سال دیگر مشخص میشود.
اخترشناس دانشگاه «بیرمنگام» درباره آینده و غایت متصور برای کهکشانها و گروههای فسیلی با توجه به ثبات نسبی و ایزوله بودن این سیستمها خاطر نشان کرد: این مسالهای است که به طور همه جانبه در حال بررسی آن هستیم. با توجه به شرایط فسیلها احتمالا تا میلیاردها سال همین طور باقی میمانند؛ اما سؤال اینجاست که چقدر باید منتظر ماند تا ببینیم این مساله واقعیت دارد.
البته از آن جا که فضا در حال گسترش یافتن بوده و اجرام فضایی دائما از هم دور میشوند احتمال این که یک سیستم فسیلی با سایر سیستمها دچار تداخل شود، در مقایسه با میلیاردها سال پیش بسیار کمتر است و اگر قرار بود چنین اتفاقی رخ دهد، باید میلیاردها سال قبل که سیستمهای فضایی نزدیکتر بودند اتفاق میافتاد؛ بنابراین به نظر میرسد که سیستمهای فسیلی همچنان ثبات خود را حفظ کنند.
دکتر خسروشاهی در عین حال تصریح کرد: البته همه فسیلها آنقدرها هم ایزوله و غیر فعال نیستند و هنوز این امکان وجود دارد که برخی فسیلها از طریق رشتهها و فیلمانهایی داخل خوشههای کهکشانی سقوط کنند. همچنان که تصور میکنیم چنین اتفاق برای برخی فسیل ها افتاده باشد ولی بیشتر فسیلها ایزوله باقی میمانند چون کهکشانهای داخل آنها کهکشانهای کوتوله هستند که چندان در اندرکنش گرانشی شرکت نمیکنند.
گفتوگو: علی شمس