اخترشناسان برخورد خوشه‌ای عجیبی پیدا کردند!!

برخورد خوشه‌های کهکشانی چندین سال طول می‌کشد. اکنون، اخترشناسان یک جفت خوشه کهکشانی در حال ادغام را در یک مرحله میانی پیدا کرده‌اند که قبلاً دیده نشده بود.

برخوردهای خوشه‌های کهکشانی در سه مرحله اصلی تکامل می‌یابند: ابتدا یک شکل صاف همانطور که در خوشه گلوله دیده می‌شود، سپس یک مخروط تیز در ZwCl 2341+0000و سپس یک شکل زبانه مانند در آبل 168. شکل مخروطی در وسط یک مرحله گذرا است که تا به حال دیده نشده است. این تصاویر پرتو ایکس منتشر شده از گاز داغ را در خوشه به جای خود کهکشان‌ها نشان می‌دهد – این محیط درون خوشه‌ای همان چیزی است که با هم برخورد می‌کند، کهکشان‌ها و ماده تاریک همراه عمدتاً از کنار یکدیگر عبور می‌کنند.

SRON Netherlands Institute for Space Research

برای اولین بار، اخترشناسان مرحله نسبتاً کوتاهی را مشاهده کردند که در هنگام برخورد خوشه‌های کهکشانی عظیم رخ می‌دهد. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای از چنین برخوردهای دراماتیکی، مشاهدات جدید را با موفقیت بازتولید کرده‌اند.

تیمی به رهبری خیاویوآن ژانگ (دانشگاه لیدن و موسسه تحقیقات فضایی SRON هلند) از رصدخانه پرتو ایکس چاندرا ناسا برای نقشه‌برداری از توزیع گاز داغ در جفت خوشه‌ای به نام ZwCL 2341+0000 در  صورت فلکی حوت استفاده کردند که حدود 3 بیلیون سال نوری از ما فاصله دارد.

این تیم از رصدخانه ی پرتو ایکس چاندرا خواست تا به مدت 57 ساعت به جفت خوشه دور خیره شود و چندین هزار فوتون پرتو ایکس را جمع‌آوری کند. مشاهدات ساختاری تیز و مخروطی از گاز داغ را در بین خوشه‌های کهکشانی در حال برخورد نشان داد که یکی از آنها تقریباً سه برابر نسبت به  دیگری جرم دارد. آرورا سیمیونیسکو (دانشگاه SRON و Leiden)، نویسنده همکار، می‌گوید: این واقعاً غیرمنتظره و شگفت‌انگیز بود. من قبلاً چنین ساختاری ندیده بودم.

وقتی دو خوشه با هم برخورد می‌کنند، کهکشان‌های مجزای آنها نسبتاً بدون مزاحمت از یکدیگر عبور می‌کنند. درست مانند مقادیر عظیم ماده تاریک در خوشه‌ها، کهکشان‌ها «بدون برخورد» هستند، به این معنی که تنها تحت تأثیر جاذبه متقابل خود قرار می‌گیرند. با این حال، گاز درون خوشه‌ای داغ که اشعه ایکس ساطع می‌کند، با هم برخورد می‌کند و منجر به شوک‌های کمانی و به اصطلاح «جبهه‌های سرد» در حد فاصل بین حجم‌های گاز در دماهای مختلف می‌شود.

این تصویر ترکیبی است از خوشه گلوله، که در واقع دو خوشه در حال ادغام هستند، گاز داغ (رنگ صورتی که توسط اشعه ایکس شناسایی می‌شود) در اطراف کهکشان‌ها (در نور مرئی، به رنگ قرمز، سبز، آبی دیده می‌شود) را نشان می‌دهد. در ماده تاریک غوطه‌ور میشود  (به رنگ آبی، از طریق عدسی گرانشی تجسم می‌شود). شکل ساختار گلوله  فقط در اشعه ایکس دیده می‌شود. کهکشان‌ها و ماده تاریک این دو خوشه تا حد زیادی بدون مزاحمت از یکدیگر عبور کرده‌اند. NASA / CXC / M. Weiss

در مراحل اولیه ادغام، این ساختارها ظاهری نسبتاً دست نخورده  دارند- یک مثال خوب و معروف در خوشه گلوله دیده می‌شود. در مراحل پایانی، سازه‌ها تمایل دارند مانند امواجی که در هم می‌شکنند، روی خود خم شوند و این کار ظاهری مانند یک زبانه تیرکمان به آنها می‌دهند. اخترشناسان اغلب هر دو شکل را مشاهده کرده‌اند – ساختار گلوله و زبانه  مواج – اما شکل ساختار مخروطی تیز موجود در ZwCl 2341+0000  ساختاری جدید بود.

ژانگ و همکارانش با جان زوهون (مرکز اخترفیزیک، هاروارد و اسمیتسونیان) تماس گرفتند که از سال 2011 شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برخورد و ادغام خوشه‌های کهکشانی را انجام داده است. به گفته زوهون چنین شبیه‌سازی‌هایی نشان می‌دهد که ویژگی‌های خوشه‌ای مانند جرم و چگالی، بر توزیع گاز ساطع کننده پرتو ایکس تأثیر می‌گذارد، مانند پارامترهای برخورد نظیر زاویه و سرعت.

در سال 2019، زوهون و برایان برزیسکی (از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی) شبیه‌سازی‌های پیچیده‌تری را منتشر کردند که اثرات میدان‌های مغناطیسی را نیز دربرمی‌گرفت. زونون می‌گوید: «زمانی که خطوط میدان مغناطیسی در اطراف جبهه‌های سرد (گازی) قرار می‌گیرند، تمایل به سرکوب توسعه آشفتگی‌های سرعت دارند. با میدان‌های مغناطیسی که گاز را در یک خط نگه می‌دارند، نتیجه ساختار بسیار باریک‌تری با لبه‌های نسبتاً تیز است که ممکن است بیش از یک میلیون سال نوری طول داشته باشد. (مترجم: ده برابر کهکشان راه شیری)

شبیه‌‌سازی‌های هیدرودینامیک مغناطیسی جدید (هیدرودینامیک مغناطیسی، علم مطالعه حرکت سیال و شاره‌های رسانای الکتریکی همچون پلاسما می‌باشد) متناسب با مورد ZwCl 2341+0000، ساختار مخروطی شکل را به‌عنوان یک ویژگی نسبتاً کوتاه با موفقیت بازتولید کرد که فقط برای چند صد میلیون سال دوام داشت. زوهون می‌گوید: در نهایت، گاز دوباره به چاه گرانش ماده تاریک می‌افتد و «مثل آب میوه در یک لیوان می‌چرخد».(سیستم تغییر شکل می‌دهد و حالت چرخشی پیدا می‌کند).

به گفته سیمیونسکو، تصاویر جدید ZwCl 2341+0000 نگاهی اجمالی به چگونگی تغییر شکل خوشه معروف گلوله در چند صد میلیون سال ارائه می‌دهد. زوهون اضافه می‌کند که برخوردهای خوشه‌ای خود را در مقیاس‌های زمانی بسیار آهسته انجام می‌دهند، اما نکته خوب در مورد شبیه‌سازی‌های کامپیوتری این است که به شما امکان می‌دهند زمان را سرعت ببخشید (شبیه‌سازی رایانه‌ای برای درک نحوه برخورد و تغییر شکل ساختار تا افتادن در چاه میدان گرانشی ماده تاریک کمک می‌کند).

توضیح: در سال ۲۰۰۴ دو خوشه ترکیب شونده 1E0657-۵۵۶ توسط رصدخانه پرتوی ایکس چاندرا رویت شدند. در این مجموعه یک زیرخوشه در حال ادغام شدن و عبور از خوشه اصلی می‌باشد. این زیرخوشه همانند یک گلوله در حال ورود به بدنه خوشه اصلی می‌باشد و در اثر حرکت آن در پلاسمای گازی، یک موج شوک ایجاد شده است. بررسی خواص جبهه این موج نشان می‌دهد سرعت نسبی زیر خوشه در داخل خوشه برابر ۴۷۰۰ km/h می‌باشد. بررسی‌های موجود این دو خوشه اطلاعات بسیار جالبی را درباره ماهیت ماده تاریک افشا می‌سازد. چون صفحه برخورد این دو خوشه با صفحه آسمان انحراف زاویه‌ای اندکی دارد، فرصت مناسبی برای مشاهده ماده تاریک به دست آمده است

قسمت اعظم خوشه‌های کهکشانی را هاله ماده تاریک تشکیل می‌دهد. ساختار خوشه از یک هاله پلاسمای گازی با حرارات چندین میلیون درجه تشکیل شده که که ۹۰ درصد از ماده باریونی و مرئی در خوشه هست و مولد پرتوی ایکس می‌باشد. اندک ماده باریونی باقی‌مانده ستاره‌ها هستند. از آنجا که ماده تاریک برهمکنش الکترومغناطیسی ندارد و حدودِ مشاهدات دلالت بر کوچک بودن سطح مقطع پراکندگی در برهمکنش ماده تاریک دارد، لذا دو هاله ماده تاریک بدون برخورد می‌باشند و بدون آنکه تغییر زیادی در ساختار آنها ایجاد شود از داخل هم عبور می‌کنند. از طرف دیگر هاله پلاسمای گازی در دو خوشه با هم برخورد خواهند کرد، تغییر شکل خواهند داد و در اثر این برخورد بین هاله ماده تاریک و گازهای باریونی درون خوشه فاصله می‌افتد. نتایج عکسبرداریهای پرتو ایکس نشان می‌دهد هاله‌های گازی دربرخورد با هم در مرکز برخرد کرده اند . این در حالی ست تجمع جرمی خوشه‌ها با توجه به محاسبات اثر همگرایی گرانشی نشان می‌دهد که جرم اصلی خوشه‌ها در محلی دورتر از مرکز برخرد واقع شده است و هاله‌های تاریک بدون برخورد از کنار هم عبور کرده‌اند. این مشاهدات موید آنست که ماده‌ای بدون نور، بدون برخورد، ماده‌ای تاریک، قسمت عمده جرم خوشه را تشکیل داده است.

توضیح: شوک کمانی چیست؟ تصور کنید جسمی با سرعت مافوق صوت حرکت می کند. این جسم، همانطور که در یک محیط حرکت می‌کند، باعث انباشته شدن، فشرده شدن و گرم شدن مواد موجود در محیط می‌شود. نتیجه یک نوع موج ضربه‌ای است که به شوک کمانی معروف است. شوک کمانی نام خود را از امواج کمانی گرفته است، برآمدگی خمیده آب در مقابل یک قایق با حرکت سریع که توسط نیروی کمان به جلو در آب فشار می‌آورد. موج ها و شوک‌های کمانی می‌توانند شبیه به هم به نظر برسند، اما امواج کمانی فقط در سطح آب رخ می‌دهد در حالی که شوک‌های کمانی در 3 بعد رخ می‌دهد. شوک‌های کمانی همه جا وجود دارد، حتی در فضا – و این شوک‌های کمانی کیهانی می‌تواند اسرار کیهانی را به دانشمندان بازگو کند. حتی خالی‌ترین مناطق فضا حاوی پروتون، الکترون، اتم، مولکول و سایر مواد است. هنگامی که سیارات، ستارگان و ابرهای پلاسمایی خارج شده از ابرنواخترها با سرعت زیاد در این محیط اطراف پرواز می‌کنند، شوک‌های کمانی کیهانی در آن محیط ایجاد می‌شود. باد خورشیدی یک شوک کمانی در مقابل مگنتوسفر زمین ایجاد می‌کند. ماکسیم مارکوییچ از مرکز پرواز فضایی گوددارد ناسا توضیح می‌دهد: «پلاسمای سریع باد خورشیدی از کنار زمین می‌گذرد، اما نمی‌تواند به مگنتوسفر ما نفوذ کند. باد خورشیدی دارای میدان مغناطیسی است و مگنتوسفر زمین تقریباً مانند یک جسم جامد برای آن باد است. بنابراین باد خورشیدی یک شوک کمانی در مقابل لبه بیرونی مگنتوسفر ایجاد می‌کند. مطالعه شوک کمانی زمین می‌تواند اسرار باد خورشیدی را باز کند و به ما این امکان را می‌دهد که اثرات پیچیده آن را روی سیاره خود بهتر درک کنیم. برخورد پرسرعت ستارگان با محیط بین‌ستاره‌ای، ضربه‌های کمانی چشمگیری ایجاد می‌کند. ستاره کاپای ذات‌الکرسی، غول داغ، شوکی ایجاد می‌کند که توسط آشکارسازهای فروسرخ در تلسکوپ فضایی اسپیتزر ناسا قابل مشاهده است. در این تصویر اسپیتزر، انباشته شدن مواد گرم شده در اطراف کاپای ذات‌الکرسی با رنگ قرمز نشان داده شده است. مطالعه شوک‌های کمان ستاره‌ای می‌تواند حرکات مخفی ستارگان زیرین را آشکار کند و به ما بگوید با چه سرعتی حرکت می‌کنند، به کدام سمت و در چه چیزی در حال حرکت هستند. نمونه‌ای از شوک کمانی در مقیاس بزرگ‌تر در این خوشه از کهکشان‌های واقع در صورت فلکی کارینا به نام 1E 0657-558  دیده می‌شود. این تصویر پرتو ایکس از رصدخانه چاندرا، لحظه برخورد غول پیکر دو خوشه کوچکتر، دو ناحیه سفید در تصویر را ثبت می‌کند. مارکوییچ می‌گوید: «خوشه‌ها با پلاسمای داغ پر شده‌اند، و یکی از آنها – خوشه سمت راست – از نظر (اندازه) کوچک‌تر و از نظر (چگالی) متراکم‌تر است. همانطور که از میان ابر کم‌چگال پلاسمایی که خوشه بزرگ‌تر است (از نظر اندازه) پرواز می‌کند، یک شوک کمانی ایجاد می‌کند. دانشمندان چنین شوک‌های خوشه‌ای را برای استنباط سرعت آنها در صفحه آسمان مطالعه می‌کنند و ساختار ظریف شوک‌ها چیزهای زیادی را در مورد فرآیندهای فیزیکی جالب و پیچیده در پلاسماهای موجود در خوشه‌ها و همچنین در بسیاری دیگر از اجرام اخترفیزیکی در سراسر جهان نشان می‌دهد.

مترجم: مرتضی نادری فرد

منبع:

ASTRONOMERS FIND CONFOUNDING CONE SHAPE IN CLUSTER COLLISION

BY: GOVERT SCHILLING DECEMBER 7, 2021

 https://skyandtelescope.org/astronomy-news/astronomers-find-cone-cluster-collision/