Πώς να χαρτογραφήσετε έναν γαλαξία όταν βρίσκεστε ακριβώς στη μέση του

Τα μπλουζάκια και οι αφίσες είναι κοινά:μια εικόνα ενός γαλαξία, ένα βέλος που δείχνει ένα σημείο σε αυτόν τον γαλαξία και μια πινακίδα που γράφει «Είσαι εδώ».

Αλλά όλα αυτά είναι ένα μεγάλο ψέμα. Αυτός δεν είναι ο Γαλαξίας και δεν είμαστε εκεί. Δεν έχουμε εικόνες του γαλαξιακού μας σπιτιού από έξω για έναν απλό λόγο:Δεν μπορούμε να ταξιδέψουμε τόσο μακριά. Αλλά η εικόνα δεν είναι εντελώς λανθασμένη (εφόσον δείχνει τον γαλαξία με σπειροειδείς βραχίονες, κάτι που δεν κάνουν όλες οι εκδόσεις). Ζούμε σε έναν σπειροειδή γαλαξία και ο Ήλιος μας περιφέρεται γύρω από το κέντρο αυτού του γαλαξία περίπου το ένα τρίτο της εξόδου.

Με μπράτσα με μπλε απόχρωση που καμπυλώνονται γύρω από ένα φωτεινό κέντρο, προεξέχουσες σκοτεινές ραβδώσεις και φουσκωμένα σύννεφα αερίου, οι σπειροειδείς γαλαξίες είναι μερικά από τα πιο όμορφα αντικείμενα στο σύμπαν. Και υπάρχουν πολλά από αυτά:Πάνω από το 60 τοις εκατό των μεγάλων γαλαξιών είναι σπειροειδείς.

Εάν είστε ένας από τους λίγους τυχερούς ανθρώπους που έχουν δει τη λωρίδα φωτός που αποτελεί αυτό που μπορούμε να δούμε στον Γαλαξία μας, έχετε συνειδητοποιήσει ότι δεν μοιάζει σε τίποτα με τις εικόνες των σπειροειδών γαλαξιών. Πώς ξέρουμε λοιπόν ότι ο γαλαξίας μας είναι σπειροειδής; Πώς μπορούμε να τοποθετήσουμε το Ηλιακό Σύστημα μέσα σε αυτόν τον γαλαξία αν δεν μπορούμε να δούμε ολόκληρο τον Γαλαξία μας;

Όπως θα περίμενε κανείς, δεν είναι εύκολο. Οι αστρονόμοι έχουν συζητήσει ενεργά - με εύλογα στοιχεία για να υποστηρίξουν διάφορους ισχυρισμούς - εάν ο Γαλαξίας έχει τέσσερις ή έξι βραχίονες, πόσα αστέρια έχει ο γαλαξίας και πώς η σκοτεινή του ύλη (το αόρατο υλικό που αποτελεί περίπου το 80 τοις εκατό της μάζας του γαλαξίας) κατανέμεται. Μόλις την περασμένη εβδομάδα, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) εκτόξευσε ένα νέο διαστημικό τηλεσκόπιο που θα κοιτάξει σε όλο τον γαλαξία και θα βοηθήσει να βελτιώσουμε την κατανόησή μας και να φτιάξουμε ολοένα και πιο ακριβείς χάρτες «είσαι εδώ» για τον τοίχο σας.

Οι αρχαίοι γνώριζαν τον Γαλαξία και μάλιστα είχαν έναν παρόμοιο όρο για αυτόν:ο «Γαλαξίας» έχει την ίδια ελληνική ρίζα με τη «λακτόζη», τη ζάχαρη που βρίσκεται στο γάλα. (Αν πούμε "Γαλαξίας Γαλαξίας", λέμε βασικά "Γαλαξίας Γαλαξίας", όπως ακριβώς το πώς η "έρημος Σαχάρας" είναι εντελώς περιττή.) Ο Γαλιλαίος γύρισε το τηλεσκόπιό του σε αυτό το θάμπωμα και βρήκε ότι ήταν γεμάτο αστέρια πολύ αμυδρά να φαίνεται με γυμνό μάτι. Στις αρχές του 20ου αιώνα, ο Jacobus Kapteyn και ο Harlow Shapley υπολόγισαν ανεξάρτητα το σχήμα και το μέγεθος του γαλαξία μετρώντας τις αποστάσεις από μεμονωμένα αστέρια και συνδέοντας αυτές τις κουκκίδες για να εντοπίσουν τις μεγαλύτερες δομές του γαλαξία. Και οι δύο είχαν λάθος το μέγεθος (με αντίθετους τρόπους!), αλλά ο Shapley προσδιόρισε αρκετά καλά το βασικό σχήμα, συμπεριλαμβανομένης της θέσης του γαλαξιακού κέντρου.

Ο λόγος που ο Γαλαξίας μοιάζει με μια ράβδωση είναι επειδή πολλά από τα αστέρια του -συμπεριλαμβανομένου του Ήλιου και ό,τι είναι ορατό με γυμνό μάτι- είναι συγκεντρωμένα σε ένα λεπτό δίσκο. (Ο γαλαξίας δεν είναι τελείως επίπεδος, γι' αυτό βλέπετε αστέρια έξω από τη ράβδο, αλλά το πάχος του είναι πολύ χαμηλό σε σύγκριση με το πλάτος του.) Όταν κοιτάζετε τη γαλακτώδη ράβδο, βλέπετε την υψηλή πυκνότητα των αστεριών στο δίσκος.

Αλλά δεν είναι όλα τα αστέρια ίσα. Βλέπουμε σπειροειδείς βραχίονες σε άλλους γαλαξίες επειδή είναι μέρη όπου συγκεντρώνονται καυτά, νεαρά αστέρια με μπλε χρώμα. Αυτά τα αστέρια είναι πολύ φωτεινότερα από τα πολυάριθμα, πιο ψυχρά, πιο κοκκινωπά ξαδέρφια τους, κάτι που οδηγεί σε μια οπτική ψευδαίσθηση:Βλέπουμε τους σπειροειδείς γαλαξίες ως φωτεινούς βραχίονες με πιο σκοτεινά διαστήματα ενδιάμεσα, παρόλο που η πυκνότητα των αστεριών στους σπειροειδείς βραχίονες είναι μόνο περίπου 5 τοις εκατό μεγαλύτερη από την πυκνότητα των αστεριών από τον υπόλοιπο δίσκο. Οι βραχίονες φιλοξενούν επίσης πλάσμα υδρογόνου, ένα άλλο σημάδι ότι τα πράγματα είναι γενικά πιο ζεστά σε αυτά τα μέρη του γαλαξία.

Έτσι μπορούν οι αστρονόμοι να βρουν τους σπειροειδείς βραχίονες του Γαλαξία:Αναζητήστε πληθυσμούς καυτών, νεαρών άστρων και σύννεφα πλάσματος υδρογόνου, μετρήστε τις αποστάσεις από αυτά και χρησιμοποιήστε αυτά τα δεδομένα για να εντοπίσετε τους σπειροειδείς βραχίονες. Είναι μια δύσκολη παρατήρηση, που απαιτεί από τους αστρονόμους να κατευθύνουν τα τηλεσκόπια τους μέσα από τα παχύτερα μέρη του γαλαξιακού δίσκου και να διακρίνουν αστέρια που φαίνονται να βρίσκονται δίπλα-δίπλα, αλλά μπορεί να απέχουν δεκάδες χιλιάδες έτη φωτός το ένα από το άλλο. Μεγάλο μέρος του αερίου και της σκόνης στον γαλαξία είναι αδιαφανές στο ορατό φως, αλλά τα τηλεσκόπια ραδιοφώνου και υπέρυθρων μπορούν να διαπεράσουν με επιτυχία τα σύννεφα.

Ως αποτέλεσμα, έχουμε μια αρκετά καλή ιδέα για το πώς μοιάζει ο Γαλαξίας, αν και υπάρχουν συνεχείς βελτιώσεις σε αυτήν την εικόνα. Κατοικούμε έναν γαλαξία με τέσσερις μεγάλους σπειροειδείς βραχίονες (αν και δύο είναι πιο ουσιαστικοί από τους άλλους) και έναν αριθμό μικρότερων θραυσμάτων βραχιόνων που ονομάζονται «σπιρούνια». Το Ηλιακό μας Σύστημα βρίσκεται σε μια περιοχή γνωστή ως Orion spur, πιθανότατα τα απομεινάρια ενός προγενέστερου βραχίονα που τώρα έχει ξεθωριάσει. Και αυτό είναι καλό:Το έντονο υπεριώδες φως από τα μπλε αστέρια μπορεί να κάνει τη ζωή στους κύριους σπειροειδείς βραχίονες προβληματική. Μια άλλη περιοχή, ο βραχίονας Norma, ονομάζεται για τη γιαγιά μου. (Όχι πραγματικά.)

Οι κύριοι βραχίονες του γαλαξία ενώνουν μια μακρά δομή σε σχήμα κελύφους φυστικιού στο κέντρο του γαλαξία που ονομάζεται ράβδος. (Περίπου το ένα τρίτο των σπειροειδών γαλαξιών έχουν ράβδους. Δείτε την εικόνα που ξεκίνησε αυτή τη δημοσίευση για ένα καλό παράδειγμα.) Στο μέσο της ράβδου υπάρχει μια στριμωγμένη σφαιρική ομάδα αστεριών γνωστή ως διόγκωση. βαθιά μέσα που βρίσκεται η κεντρική μαύρη τρύπα, ένας πυρήνας περίπου 4 εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου.

Πέρα από τους σπειροειδείς βραχίονες βλέπουμε ένα φωτοστέφανο, μια περίπου σφαιρική περιοχή, σχεδόν 10 φορές μεγαλύτερη από τον δίσκο, διάσπαρτη με παλιά αστέρια. Το φωτοστέφανο φιλοξενεί επίσης το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης του γαλαξία, η οποία παρέχει τη βαρύτητα για να συγκρατήσει τα πάντα. Σε μια προσπάθεια να σχεδιάσει τη δομή του γαλαξία με ακόμη μεγαλύτερη λεπτομέρεια, η ESA εκτόξευσε ένα νέο διαστημικό παρατηρητήριο που ονομάζεται Gaia την περασμένη Πέμπτη. Αυτός ο καθετήρας αποτελείται από δύο τηλεσκόπια ορατού φωτός που έχουν σχεδιαστεί για να χαρτογραφούν και να μετρούν αποστάσεις σε περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο αστέρια. Το αποτέλεσμα θα είναι μια καλύτερη κατανόηση της τρισδιάστατης δομής του Γαλαξία μας, συμπεριλαμβανομένης της γνώσης υψηλότερης ακρίβειας των σπειροειδών βραχιόνων και του σχήματος της κεντρικής ράβδου. Η Gaia θα πρέπει επίσης να αποκαλύψει πληροφορίες σχετικά με την κατανομή της σκοτεινής ύλης βαθιά στο ακατάστατο μεσαίο τμήμα του γαλαξία, το οποίο είναι προς το παρόν άγνωστο.

Το Gaia είναι μόνο το πιο πρόσφατο από τα πολλά έργα για τη χαρτογράφηση του γαλαξία μας. Συμμετέχει σε αναζητήσεις για το φυτώριο του Ήλιου μας, πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη, έρευνες αστρικών νεκροταφείων, μετρήσεις της περιστροφής του Γαλαξία μας και πολλές άλλες αποστολές. Όπως οι χαρτογράφοι στο παρελθόν που προσπάθησαν να χαρτογραφήσουν ολόκληρο τον πλανήτη, οι αστρονόμοι του 21ου αιώνα φτιάχνουν έναν άτλαντα του Γαλαξία μας με απώτερο στόχο την καλύτερη κατανόηση του γαλαξιακού μας σπιτιού.

Ο Μάθιου Φράνσις είναι φυσικός, συγγραφέας επιστημών, δημόσιος ομιλητής, εκπαιδευτικός και συχνά φορώντας καπέλα. Αυτήν τη στιγμή γράφει ένα βιβλίο για την κοσμολογία με τίτλο εργασίας  Back Roads, Dark Skies:A Cosmological Journey.