รัศมีทางช้างเผือกซ่อนหายนะในอดีตและสสารมืด

-หนึ่ง-

รัศมีดาราจักรคืออะไร?

รัศมีกาแล็กซีเป็นเปลือกก๊าซขนาดใหญ่ที่ “มองไม่เห็น”

ล้อมรอบกาแล็กซีเชื่อกันว่าประกอบด้วยก๊าซร้อน ดาวฤกษ์ และสสารมืดเป็นส่วนใหญ่ โครงสร้างแบนของดิสก์ดาราจักรต่างจากองค์ประกอบที่มองเห็นได้ แต่รัศมีดาราจักรเป็นโครงสร้างที่มีรูปร่างใกล้เคียงกับทรงกลม

ความแตกต่างที่โดดเด่นที่สุดระหว่างดิสก์และทรงกลมรัศมีรูปแบบปรากฏในดาราจักรชนิดก้นหอย ไม่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันเช่นนี้ในดาราจักรทรงรี และโครงสร้างดิสก์สามมิติที่ยาวขึ้นก็เปลี่ยนเป็นรัศมีบอลได้อย่างราบรื่น Haloes ก็เหมือนกับกาแลคซี ไม่มีขอบเขตที่ชัดเจน เมื่อมันเคลื่อนออกจากจุดศูนย์กลาง แรงดึงดูดของโลกจะอ่อนตัวลง ก๊าซและส่วนประกอบอื่น ๆ จะหายากขึ้นเรื่อย ๆ

-2-

รัศมีทำมาจากอะไร?

ในปี 2020 กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้นำเสนอการศึกษารัศมีของดาราจักรแอนโดรเมดาที่มีรายละเอียดมากที่สุด นี่คือ “เพื่อนบ้าน” ของทางช้างเผือก ดังนั้นจึงศึกษาได้ง่ายที่สุด 

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์พบว่าอ่อนแอเกือบรัศมีที่มองไม่เห็นของพลาสมาที่กระจัดกระจายขยายออกไป 1.3 ล้านปีแสงจาก Andromeda ไปทางช้างเผือก และไกลถึง 2 ล้านปีแสงในทิศทางอื่นๆ จำได้ว่ากาแลคซีนั้นอยู่ห่างจากโลกประมาณ 2.5 ล้านปีแสง หากสามารถมองเห็นรัศมีได้ Andromeda ก็จะครอบครองพื้นที่ในท้องฟ้ายามค่ำคืนซึ่งเทียบได้กับพื้นที่ของกลุ่มดาวหมีใหญ่

นักวิจัยยังพบว่ารัศมีมีโครงสร้างชั้นที่มีเปลือกก๊าซหลักสองชั้นซ้อนกันและแยกจากกัน ในขณะเดียวกัน เปลือกชั้นนอกจะ "เรียบ" และร้อนกว่า ในขณะที่ชั้นในจะได้รับผลกระทบอย่างรุนแรงจากซูเปอร์โนวา กาแล็กซีของระบบไกลโพ้นยังไม่ได้รับการศึกษามากขนาดนี้ แต่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าพวกมันมีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกัน

ทฤษฎีจักรวาลวิทยาสมัยใหม่จำแนกองค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบสามประการของรัศมีดาราจักร ได้แก่ รัศมีดาวฤกษ์ (รัศมีดาวฤกษ์) โคโรนาดาราจักร และรัศมีสสารมืด

การมองเห็นรัศมีของ Andromeda ข้อมูลนี้มาจากการศึกษาการผ่านของแสงจากควาซาร์ (จุดสีเหลือง) ที่อยู่ด้านหลังกาแล็กซี รูปภาพ: NASA, ESA และ E. Wheatley (STScI)

-3-

มีดาวกี่ดวงในรัศมี?

รัศมีของดาวฤกษ์รวมกลุ่มดาวฤกษ์เข้าด้วยกันและกระจุกดาวทรงกลมที่ล้อมรอบดิสก์กาแลคซี โครงสร้างที่คล้ายกันนี้พบได้รอบๆ กาแลคซีกังหันที่รู้จักกันดีที่สุดและกาแลคซีทรงรีบางแห่ง รูปร่างของรัศมีมีลักษณะคล้ายวงรีที่ล้อมรอบจานดาวฤกษ์

แม้จะมีขนาดใหญ่ แต่ก็มีเพียง 1% ของปริมาตรดาวทั้งหมด ดังนั้นมันจึงเรืองแสงน้อยกว่าดิสก์กาแล็กซีมากและมองไม่เห็นในระหว่างการสังเกตการณ์ในช่วงแสง

การสร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของกาแลคซีคาดการณ์ว่ารัศมีของดาวฤกษ์ควรมีสององค์ประกอบ พื้นที่ชั้นในถูกครอบงำโดยดาวฤกษ์และกระจุกดาวทรงกลมที่ก่อตัวขึ้นในกาแลคซีเอง ในขณะที่บริเวณรอบนอกถูกครอบงำด้วยการรวมตัวกับระบบอื่นๆ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ารัศมีส่วนใหญ่ก่อตัวขึ้นจากดาวฤกษ์อายุมาก และการก่อตัวดาวฤกษ์ในนั้นหยุดลงจริงๆ

-สี่-

ทำไมกาแล็กซี่ถึงต้องการมงกุฎ?

กาแล็กซีโคโรนาเป็นเมฆบางๆก๊าซโมเลกุลขยายออกไปไกลจากใจกลางกาแลคซี นักวิจัยเชื่อว่าโคโรนาคือเศษซากของเมฆก๊าซในยุคดึกดำบรรพ์ที่พังทลายลงเพื่อก่อตัวเป็นกาแลคซี

แม้ว่าก๊าซที่หายากจะมองไม่เห็น แต่ก็สามารถทำได้ตรวจพบโดยใช้รังสีไมโครเวฟที่สอดคล้องกับไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออน เส้นไฮโดรเจนที่เป็นกลางหรือเส้น 21 ซม. คือรังสีไมโครเวฟที่มีความยาวคลื่น 21.1 ซม. ซึ่งสอดคล้องกับควอนตาที่ปล่อยออกมาเมื่อสถานะพลังงานของอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลางเปลี่ยนไป

นักวิจัยเชื่อว่าโคโรนากาแล็กซีเป็นแนวป้องกันแนวแรกของกาแล็กซี ช่วยป้องกันการรั่วไหลของก๊าซภายในซึ่งทำหน้าที่ในการก่อตัวดาวฤกษ์

มงกุฎของเมฆแมเจลแลนใหญ่และเล็ก ปกป้องพวกเขาจากผลกระทบของทางช้างเผือก ภาพ: STSCI, Leah Hustak

-5-

รัศมีสสารมืด

องค์ประกอบที่สามของรัศมีดาราจักรคือรัศมีสสารมืด แม้ว่าข้อเท็จจริงของการมีอยู่ของสสารมืดยังไม่ได้รับการยืนยัน แต่ทฤษฎีนี้อธิบายข้อสังเกตได้ดีที่สุด สสารมืดไม่ทำปฏิกิริยากับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า และไม่ปล่อยหรือดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นใดๆ ดังนั้นจึงไม่สามารถมองเห็นได้ อย่างไรก็ตาม มันมีผลทางแรงโน้มถ่วงต่อวัตถุที่อยู่รอบๆ

ตามทฤษฎีที่มีอยู่ สสารมืดขยายไปทั่วกาแลคซีและล้อมรอบส่วนที่มองเห็นได้ ในขณะเดียวกัน มวลของมันก็มากกว่ามวลของวัตถุอื่นๆ ทั้งหมดในดาราจักรรวมกันอย่างมีนัยสำคัญ รัศมีของสสารมืดยังไม่ได้รับการมองเห็นและใช้เป็นองค์ประกอบทางทฤษฎีที่อธิบายถึงอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่กำหนดการเคลื่อนไหวของวัตถุภายในกาแลคซี

-6-

นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้อะไร?

การศึกษาใหม่เผยให้เห็นรูปแบบที่แท้จริงรัศมีดาวฤกษ์ของทางช้างเผือก เป็นเวลานาน นักวิจัยเชื่อว่ามันควรจะเป็นทรงกลมเกือบปกติ ปรากฎว่าไม่เป็นเช่นนั้น: เมฆดาวฤกษ์ที่กระจัดกระจายมีรูปร่างเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าและเอียงเป็นมุมกับดิสก์กาแลคซี ภายนอกดูเหมือนลูกอเมริกันฟุตบอลเอียง

นอกจากนี้ นักวิจัยเชื่อว่าโครงสร้างที่ผิดปกติยังบ่งบอกถึงการมีอยู่และตำแหน่งเอียงของรัศมีสสารมืดของทางช้างเผือก

แบบจำลองรัศมีทางช้างเผือก ภาพ: Melissa Weiss/ศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ | ฮาร์วาร์ด & สมิธโซเนียน

-7-

การศึกษาเป็นอย่างไร

สำหรับการวิเคราะห์ นักวิทยาศาสตร์ใช้ข้อมูลสองชุดการสังเกตดวงดาวที่ประกอบเป็นรัศมี คนแรกได้รับจากการทำงานของดาวเทียมของ European Space Academy GAIA นี่คือกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่เปิดตัวในปี 2013 และมองเห็นท้องฟ้ายามค่ำคืนได้อย่างสมบูรณ์เพื่อสร้างแผนที่วัตถุในทางช้างเผือกและพื้นที่ใกล้เคียงที่มีรายละเอียดมากที่สุด

ข้อมูลชุดที่สองเป็นผลลัพธ์การวิจัย H3 (Hectochelle ในรัศมีด้วยความละเอียดสูง) นี่คือข้อมูลจากการสังเกตการณ์ดาวทรงกลดภาคพื้นดินโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ที่หอดูดาว Fred Lawrence Whipple ในรัฐแอริโซนา H3 ได้รวบรวมการสังเกตการณ์โดยละเอียดของดาวรัศมีหลายหมื่นดวงซึ่งอยู่ไกลเกินกว่าที่ไกอาจะชื่นชมได้

นักวิจัยได้รวมข้อมูลจากการสังเกตสองครั้งเพื่อประเมินรูปร่างของรัศมีดาวฤกษ์

-แปด-

ทำไมสิ่งนี้จึงสำคัญ

คุณสมบัติของประวัติศาสตร์ "เก็บ" รัศมีดาวฤกษ์การก่อตัวของกาแลคซี โดยเฉพาะอย่างยิ่งรูปทรงวงรีเฉียงของรัศมีทางช้างเผือกซึ่งได้มาจากการสังเกตการณ์ยืนยันหนึ่งในทฤษฎีของการก่อตัว

นักวิจัยเชื่อว่ารัศมีของทางช้างเผือก -ผลจากการชนกับดาราจักรแคระเมื่อ 7 ถึง 10 พันล้านปีก่อน ผลจากการชนกันของดาราจักรนี้ ทำให้ดาราจักรแคระถูกแยกออกจากกัน และดาวฤกษ์ที่ประกอบกันก็กระจัดกระจายเป็นรัศมี เรื่องราวต้นกำเนิดดังกล่าวอธิบายความแตกต่างระหว่าง "ประชากร" ของรัศมีและดวงดาวของดิสก์ทางช้างเผือก

ในกรณีนี้ ทรงรีสามแกนจะสะท้อนการสังเกตกลุ่มดาวสองดวงในรัศมีดาวฤกษ์ กระจุกดาวนี้ก่อตัวขึ้นเมื่อดาราจักรแคระผ่านวงโคจรของทางช้างเผือกไป 2 รอบ ขณะที่มันเคลื่อนที่ มันจะช้าลง 2 เท่า ณ จุดที่เรียกว่า apocenter ซึ่งเป็นจุดที่ไกลที่สุดในวงโคจรของกาแลคซีแคระ นักวิทยาศาสตร์กล่าว การหยุดชั่วคราวเหล่านี้นำไปสู่การดีดตัวของดาวฤกษ์เพิ่มเติมและการก่อตัวของบริเวณที่เข้มข้น การเอียงของรัศมีดาวฤกษ์บ่งชี้ว่าดาราจักรแคระชนกับทางช้างเผือกในมุมเอียง

-9-

ถัดไปคืออะไร

ความจริงที่ว่ารูปร่างที่เอียงนั้นยังคงอยู่ในภายหลังนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเวลาจำนวนมากเช่นนี้เป็นสัญญาณเพิ่มเติมของการมีอยู่ของสสารมืด เป็นรัศมีของสสารมืดที่ทำให้ดาวฤกษ์ไม่เคลื่อนไปสู่รูปทรงคลาสสิกซึ่งมีลักษณะคล้ายทรงกลม

นักวิจัยเชื่อว่าการวิเคราะห์เพิ่มเติมรัศมีดาวฤกษ์จะช่วยให้เข้าใจว่าบริเวณใดในรัศมีดาราจักรของทางช้างเผือกที่มีความเข้มข้นของสสารมืดสูงที่สุด และเพื่อให้มีสมาธิในการวิจัยโดยใช้เครื่องตรวจจับอนุภาคสสารมืดในทิศทางเหล่านี้

อ่านเพิ่มเติม:

วัวถูกป้อนป่านและตรวจสอบว่าเกิดอะไรขึ้นกับน้ำนมของพวกมัน

ชื่ออันตรายหลักของภารกิจทางจันทรคติ "อาร์เทมิส"

สร้างระบบนำทางที่แม่นยำกว่า GPS