تعداد ستاره های کهکشان راه شیری چگونه محاسبه می شود؟

یکی از کارهایی که خیلی از ما در کودکی ممکن است انجام داده باشیم، شمردن تعداد ستاره های آسمان شب است. اگر دور از آلودگی نور شهرها و در شب‌هایی که ماه در آسمان نباشد، به تماشای ستاره‌ها نشسته باشیم، تا چند هزار ستاره را می‌توان شمرد. با داشتن تلسکوپ کوچکی، این تعداد به میلیون‌ها می‌رسد. اما واقعا تعداد کل ستاره‌های کهکشان راه شیری چندتاست؟ اگر در گوگل جستجو کنیم، به جواب‌هایی از صد میلیارد تا یک تریلیون می‌رسیم. چرا ستاره‌شناسان نمی‌توانند تخمینی بهتر ارائه دهند؟

مشکل این است که ستاره‌شناسان نمی‌توانند به طور دقیق تعداد ستاره ها را محاسبه کنند. در عوض، مجبورند تا از یکی از سه روش تخمینی برای رسیدن به پاسخ استفاده کنند:

• روش اول این است که کل نور رسیده از کهکشان را در واحد وات اندازه‌گیری کرده، آن‌گاه عدد بدست آمده را بر نور یک ستاره تک به وات تقسیم می‌کنند.
• روش دیگر به این صورت است که تعداد ستاره ها در یک ناحیه بسیار کوچک از کهکشان را محاسبه کنند. این‌گونه چگالی تعداد ستاره ها در واحد مکعب سال نوری بدست می‌آید (تعداد ستاره‌ها در مکعبی که هر ضلعش طولی برابر یک سال نوری دارد). سپس با ضرب این عدد در حجم کل کهکشان، تعداد ستاره های کهکشان بدست می‌آید.
• راه سوم وزن کردن کهکشان با محاسبه جرم کل آن است. با تقسیم این جرم کل به جرم یک ستاره، تعداد کل ستاره‌ها تخمین زده می‌شود.

تمامی این روش‌ها مشکلات خاص خودشان را دارند. در اولین روش، نور کهکشان می‌تواند به شیوه‌های مختلفی که کاملا معین نیست، در اثر عبور از غبارهای کهکشانی و کیهانی، کم شود. به علاوه هیچ دو ستاره‌ای دارای نور یکسان نیستند. در روش دوم که تعداد ستاره‌ها در بخش کوچکی از کهکشان شمرده می‌شود، مشکل این است که هیچ دو بخشی از کهکشان دارای چگالی تعدادی یکسانی از ستاره‌ها نیستند. در بخش‌های بیرونی، تعداد ستاره‌ها کمتر بوده و هرچه به مرکز کهکشان نزدیک می‌شویم، تراکم تعدادی آنها بیشتر می‌شود. اما بهتر است که به روش سوم با دقت بیشتری نگاه کنیم. روشی که اکثر ستاره‌شناسان از آن استفاده می‌کنند.

تصویری شبیه سازی شده از کهکشان راه شیری و نمایش محل قرارگیری خورشید در آن

تخمین جرم کل

با استفاده از قانون سوم کپلر و قانون گرانش نیوتون، می‌توان به راحتی جرم یک سیاره را حساب کرد. کافی است تا دوره تناوب و فاصله یکی از قمرهای این سیاره را داشته باشیم. به همین طریق، با دانستن دوره تناوب و فاصله یکی از هشت سیاره منظومه شمسی، می‌توان جرم خورشید را محاسبه کرد. برای تخمین جرم کل کهشان راه شیری، می‌توانیم از دوره تناوب مداری خورشید به دور هسته مرکزی کهشان، یا دنبال‌کردن نحوه حرکت ابرهای گازی و ستاره‌های دورتر، یا رصد حرکت کهکشان‌های نزدیک به کهکشان راه شیری استفاده کنیم. با این روش کل جرمی که داخل آن مدار تناوب قرار گرفته است، محاسبه می‌شود. یعنی اگر حرکت خورشید به دور مرکز کهکشان راه شیری را در نظر گرفتیم، جرمی که به دست می‌آید، مربوط می‌شود به جرم تمامی اجرامی که در فاصله‌ای نزدیک‌تر به مرکز کهکشان نسبت به خورشید قرار گرفته‌اند. این جرم علاوه بر ستارگان، جرم ابرهای گازی، سیاه‌چاله‌ها و حتی ماده تاریک را نیز شامل می‌شود!

در سال 2009، گروهی از ستاره‌شناسان به مطالعه حرکت ستاره‌های واقع در لبه خارجی کهکشان پرداختند. ستاره‌هایی که در فاصله 160 هزار سال نوری از مرکز آن قرار داشتند. این گروه دریافتند که این ستاره‌ها با سرعت‌های بسیار زیادی در حرکت‌ هستند و محاسبات آنها نشان داد که در اینصورت جرم کهکشان ما بایستی معادل 700 میلیارد برابر جرم خورشید باشد.

در سال 2012، گروه دیگری از ستاره‌شناسان در موسسه علمی تلسکوپ فضایی، حرکت یکی از کهکشان‌های همسایه ما به نام Leo I را که در فاصله 850 هزار سال نوری قرار گرفته است، شبیه‌سازی کردند. نتیجه این بود که جرم موجود درون این فاصله، برابر 1.6 تریلیون برابر جرم خورشید است. تخمین‌های دیگری با استفاده از چندین کهکشان نزدیک، به جرمی در حدود 2.5 تریلیون جرم خورشید منتهی می‌شد!

جرم ستارگان کهکشان

کهکشان‌هایی همچون کهکشان راه شیری، تنها از تعداد زیادی ستاره تشکیل نشده‌اند. بلکه دارای مقدار زیادی گاز و غبار میان‌ستاره‌ای، سیاهچاله‌ها، کوتوله‌های سفید و همچنین تعداد زیادی سیاره که در ابتدای تشکیل هر ستاره شکل گرفته‌اند، هستند. تمامی این اجرام غیرستاره‌ای در جرم کلی یک کهکشان سهیم‌اند. بنابراین برای اینکه بدانیم چه سهمی از جرم کهکشان مربوط به ستاره‌های آن است، قبل از آن باید سهم تمامی این اجرام غیرستاره‌ای را تخمین بزنیم.

به نظر می‌رسد که بخش عمده جرم کهکشان راه شیری به شکلی است که اصلا دیده نمی‌شود و از روی برهم‌کنش گرانشی‌اش با سایر اجرام قابل رویت است که می‌توان به وجود آن پی برد. ستاره‌شناسان به آن ماده تاریک می‌گویند. این ماده تاریک در مقیاس کیهانی حدود 23% از جرم کیهان ما را تشکیل می‌دهد.

مطالعات جزئی نشان می‌دهد که هاله‌ای از ماده تاریک، کهکشان ما را در بر گرفته است که تا فاصله 400 هزار سال نوری از مرکز کهکشان به اطراف کشیده شده است. مدل‌ها همچنین نشان می‌دهند که بیش از 90 درصد جرم کهکشان راه شیری مربوط به جرم ماده تاریک است!

وقتی که جرم ماده تاریک موجود در کهکشان مشخص شد، پس عمده جرم باقی‌مانده مربوط به جرم ستاره‌ها می‌شود. پس تنها باید این جرم را بر جرم متوسط یک ستاره تقسیم کرد تا تعداد ستاره های کهکشان بدست آید. اما این مرحله جایی است که اکثر تخمین‌ها با مشکل مواجه می‌شوند.

تا شعاع 16 سال نوری از خورشید، 53 ستاره وجود دارد. تنها 11 مورد از آنها جرمی مشابه جرم خورشید دارند و 42 تای بقیه کوتوله سرخ هستند که جرمشان تنها حدود 10% جرم خورشید می‌شود. این یعنی که به ازای هر 15 جرم خورشیدی، حدود 53 ستاره مجزا داریم که اکثرشان کوتوله قرمزند، یعنی جرم متوسط ستاره‌ها حدود 1/4 جرم خورشید ماست.

نتیجه پایانی!

اگر کهکشان راه شیری جرمی حدود 2.5 تریلیون جرم خورشید داشته باشد و 10% از این جرم در ستاره‌ها متمرکز شده باشد، آنگاه تعداد ستاره های کهکشان در حدود 1 تریلیون ستاره خواهد بود.

بسیاری از منابع آنلاین هستند که جرم کهکشان ما را معادل با جرم ستاره‌هایی هم‌ارز خورشید می‌گیرند و این‌گونه به عدد 200 میلیارد ستاره می‌رسند. پس گاهی یک سوال ساده، بسته به اینکه فرضیات خود را چگونه در نظر بگیریم، می‌تواند جواب‌های زیادی داشته باشد. من به عنوان یک ستاره‌شناس معمولا از همین عدد رند یک تریلیون استفاده می‌کنم.