کهکشان راه‌شیری امروزی ما حاصل ادغام کهکشان باستانی راه‌شیری با عمر حدود ١٣ میلیارد سال و یک کهکشان کوچک‌تر به نام گایا-انسلادوس است که حدود ١٠ میلیارد سال قبل، با یکدیگر برخورد کردند و باهم کهکشان بزر‌گتر امروزی را تشکیل دادند. البته این تنها برخورد کهکشانی برای راه‌شیری نبوده و برخورد دیگری در راه است؛ این بار با کهکشان آندرومدا، نزدیک‌ترین کهکشان همسایۀ بزرگ به ما.

با بزرگ‌تر شدن تلسکوپ‌ها و بالاتر رفتن کیفیت تصاویر در چند دهه اخیر، قاب‌های جذابی از کهکشان‌های در حال ادغام در فواصل مختلف در عالم ثبت شده. اتفاقی که ممکن است برای کهکشان‌های مجاور یکدیگر به‌دلیل برهمکنش‌های گرانشی رخ بدهد. آندرومدا حدود ٢.۵ میلیون سال نوری از راه‌شیری فاصله دارد و با سرعت بسیار زیاد در حدود ٣٠٠ کیلومتر بر ثانیه، در حال نزدیک شدن به ما است (جهت مقایسه، سرعت زمین به دور خورشید حدود ۳۰ کیلومتر بر ثانیه هست). بنابراین تخمین زده می‌شود که تا حدود ۵ میلیارد سال دیگر، این دو کهکشان باهم برخورد خواهند کرد و یک هم‌آغوشی کهکشانی را رقم خواهند زد!

در برخورد کهکشان‌ها، خیلی بعید است که ستار‌ها با یکدیگر مستقیماً برخورد کنند؛ چون فواصل ستاره‌ها در داخل کهکشان‌ها از هم بسیار زیاد و فضای خالی میان‌ستاره‌ای در مقایسه با ابعاد ستاره‌ها، خیلی خیلی بزرگ‌تر است. برای منظومۀ شمسی ما، از این بابت، اتفاقی نخواهد افتاد. اما تا زمان برخورد دو کهکشان، سوخت خورشید تمام و تبدیل به یک غول سرخی می‌شود که شاید زمین را هم در خود بلعیده باشد. البته تا چند میلیون سال آینده، به دلیل افزایش فعالیت‌ها‌ی خورشیدی، عملاً حیات بر روی زمین غیرممکن خواهد بود؛ هرچند داستان انقراض حیات بر روی زمین، نه میلیون‌ها سال بعد، که شاید خیلی زودتر، به دست خودِ بشر، به‌علت زیادی‌خواهی‌هایش رقم بخورد!

چرا ستاره‌ها و سیارات کروی هستند و کهکشان‌ها معمولاً شکل دیسکی دارند؟

می‌خواهیم بدانیم شکل اجرام نجومی که در آسمان می‌بینیم به چه صورتی هستند؟ بگذارید ببینیم در آسمان بالای سرمان چه ‌چیزهایی می‌بینیم؟ در طول روز عمدتاً خورشید را می‌بینیم! ولی در شب می توانیم ستاره‌ها را هم مشاهده کنیم. در مناطق شهری تعداد خیلی کمی از آن‌ها و در مناطق خیلی تاریک و به‌دور از آلودگی نوری شهرها تا حدود پنج الی شش هزار ستاره! امروزه می‌دانیم که خورشید یک کره بزرگ گازی است که ‌به‌دلیل هم‌جوشی هسته‌ای در مرکز آن شعله‌ور و درخشان است. ستاره‌های آسمان شب هم همگی خورشیدهایی هستند کروی‌شکل؛ در اندازه‌ها و دماهای مختلف. دیگر چه‌چیزهایی می‌توانیم در آسمان شب ببینیم؟ ماه و گاهی، بعضی‌ از سیارات منظومه‌شمسی. ماه و سیارات منظومه‌شمسی هم همگی به‌شکل کروی هستند؛ سنگی، گازی یا یخی. هم‌چنین می‌بینیم که خورشید، ماه و سیارات در محدوده‌ای در آسمان که به ‌آن منطقه‌البروج گفته می‌شود، حرکت ‌می‌کنند و این موضوع یعنی تقریباً همگی در یک صفحه حول خورشید می‌گردند.‌ بنابراین اگر می‌توانستیم از بالا به منظومه‌شمسی نگاه کنیم می‌دیدیم که ساختاری شبیه به یک دیسک دارد. دیگر چه؟ اگر در مناطق تاریک و به‌دور از شهرها باشیم این شانس را خواهیم داشت که نوار مه‌آلود کهکشان راه‌شیری را هم ببینیم. چرا نوار مه‌آلود؟ چون ما در واقع از داخل دیسک کهکشان به مناطق مرکزی آن نگاه می‌کنیم؛ بنابراین آن را به‌صورت یک نوار می‌بینیم و گرد‌ و غباری که در راستای دید ما قرار گرفته باعث می‌شود این نوار به‌شکل مه‌آلود باشد. با کمک تلسکوپ می‌توانیم کهکشان‌های دیگر را هم ببینیم که عمدتاً ساختاری دیسکی‌شکل دارند. گه‌گاه در آسمان شب می‌توانیم دنباله‌دارها و شهاب‌ها را هم ببینیم. دنباله‌دارها را می‌توان از جمله اجرام سرگردان منظومه‌شمسی دانست که معمولاً شکل‌های نامنظم دارند. دنباله‌دارها حاوی مقادیر زیادی یخ (مواد فرار مثل آب، متان، آمونیاک و غیره) هستند و معمولاً در مدارهای کشیده‌ی باز یا بسته به‌دور خورشید می‌گردند. با نزدیک شدن به خورشید یخ‌ آن‌‌ها آب شده و فوران می‌کند و به‌همراه خود بخش‌هایی از این گلوله‌های برفی کثیف را در فضا بر جای باقی می‌گذارند که تشکیل دنباله را می‌دهند. این مواد بر‌جای‌مانده که به‌شکل گرد و غبار و تکه‌سنگ‌های بزرگ و کوچک هستند می‌توانند با عنوان شهواب‌وارها گاهی در مسیر حرکت زمین قرار گرفته، وارد جو شوند و به‌دلیل اصطکاک بالا با مولکول‌های داخل جو بسوزند و ردّی درخشان از خود به‌نمایش بگذارند. همان شهاب‌های جذاب آسمان!

با این توضیحات، اجرام و ساختارهای نجومی می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند، اما چرا این اشکال را دارند؟ چرا تمام ستاره‌ها و سیارات به‌شکل کروی هستند؟ چرا منظومه‌شمسی و هم‌چنین بیشتر کهکشان‌ها ساختاری دیسکی دارند؟ و چرا دنباله‌دارها و اجرام سرگردان در منظومه‌شمسی شکل‌های نامنظم دارند؟

در ویدیوی زیر که قسمت اول از سری لایوهای اینستاگرامی «علامت‌ سؤال» بوده درمورد پاسخ این سؤالات توضیح داده‌ام. 

«علامت سؤال» عنوان سری لایوهای اینستاگرامی‌ای است که در هر قسمت از آن به‌ یک سؤال نجومی پاسخ داده می‌شود. این سؤال می‌تواند ساده اما حاوی نکته‌ای مهم باشد! در علامت سؤال اول درمورد شکل‌ اجرام سماوی و دلیل آن توضیح داده شده است.

ویدیو در اینستاگرام

متن پیش رو ترجمه‌ جستاری از کارلو روولی فیزیک‌دان ایتالیایی است. او عمدتا در زمینه گرانش کوانتومی کار می‌کند و بنیان‌گذار نظریه گرانش کوانتومی حلقه است. اصل این نوشته اخیرا در کتابی با عنوان There Are Places in the World Where Rules Are Less Important Than Kindness منتشر شده است. این جستار پیش از رصد امواج گرانشی نوشته شده است. رصد مستقیم امواج گرانشی در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ پنج ماه پس از انتشار این مقاله انجام شد. در سال ۲۰۱۷ این مشاهده منجر به دریافت جایزه نوبل در فیزیک شد.

شکی نیست که آلبرت آینشتین یکی از دانشمندان بزرگ قرن بیستم بود که عمیق‌تر از دیگران رازهای طبیعت را دید. آیا این به معنی این است که ما باید هر کاری را که او انجام داده‌است، درست بدانیم؟ او هرگز اشتباه نمی‌کرد؟ برعکس!
در واقع، تعداد کمی از دانشمندان به اندازه آینشتین اشتباه کرده‌اند و آن‌هایی که به اندازهٔ او نظر خود را تغییر داده‌اند انگشت‌شمارند. در مورد اشتباهات او در زندگی روزمره که موضوعی شخصی است و در نهایت به خودش مربوط است صحبت نمی‌کنم. بلکه در مورد اشتباه‌های کاملا علمی او سخن می‌گویم؛ ایده‌های اشتباه، پیش‌بینی‌های نادرست، معادلات پر از خطا و ادعاهای علمی‌ای که خود او پسشان گرفت و آن‌هایی که نادرست بودنشان ثابت شد.

اجازه دهید برایتان چند نمونه بیاورم. امروزه می‌دانیم که جهان در حال انبساط است. ژرژ لومتر، فیزیک‌دان بلژیکی، با استفاده از نظریه‌های خودِ آینشتین، موفق به درک این موضوع شد و او را از یافته‌های خود آگاه کرد. آینشتین اما آن ایده‌ها را رد کرد و در پاسخ گفت که آن‌ها بی‌معنی‌اند و تنها در دههٔ سی میلادی که انبساط واقعاً مشاهده شد حرف خود را پس گرفت. یکی دیگر از پیامدهای نظریه او وجود سیاه‌چاله‌ها است؛ او چندین متن پراشتباه در این زمینه نوشت و ادعا کرد که جهان در لبه سیاه‌چاله پایان می‌یابد. وجود امواج گرانشی که اکنون برای آن شواهد غیرمستقیم داریم نیز در نتیجهٔ نظریه‌های آینشتین است. آینشتین ابتدا نوشت که این امواج وجود دارند، اما درست پیش از آن‌که به دنبال تفسیر اشتباه نظریه خودش ادعا کند که آن‌ها وجود ندارند. سپس دوباره نظر خود را تغییر داد تا نتیجه مخالف و درست را بپذیرد.

وقتی آینشتین نظریه نسبیت خاص‌اش را نوشت، از ایده فضازمان استفاده نکرد. این ایده که گویی به مفهوم یک پیوستار (فضای پیوسته) چهاربعدی شامل فضا و زمان اشاره می‌کند، در واقع کار هرمان مینکوفسکی بود که از آن برای بازنویسی نظریهٔ آینشتین استفاده کرد. هنگامی که آینشتین از آنچه مینکوفسکی انجام داده بود آگاه شد، ادعا کرد که این کار فقط از نظر ریاضیاتی بغرنج‌کردن بیهودهٔ نظریه‌اش است، البته پس از مدت کوتاهی کاملاً نظر خود را تغییر داد و دقیقاً از مفهوم فضازمان برای نوشتن نظریهٔ نسبیت عام استفاده کرد. در موضوع نقش ریاضی در فیزیک، آینشتین بارها دیدگاهش را تغییر داد و در طول زندگی‌اش طرفدار ایده‌های گوناگونی بود که با هم صریحا در تناقض بودند.
آینشتین پیش از نوشتن معادلاتِ درست کار اصلی‌اش، یعنی نظریهٔ نسبیت عام، مجموعه مقاله‌هایی منتشر کرد که همه غلط بودند و هرکدام معادلهٔ نادرستِ متفاوتی را پیشنهاد می‌دادند. او حتی تا جایی پیش رفت که یک اثر پیچیده و مفصل منتشر کرد تا استدلال کند که این نظریه نمی‌تواند تقارن خاصی داشته باشد، تقارنی که او بعداً به عنوان اساس نظریه‌اش برگزید!

آینشتین در سال‌های پایانی زندگی‌اش، سرسختانه پافشاری می‌کرد که می‌خواهد یک نظریهٔ وحدت‌بخش برای گرانش و الکترومغناطیس بنویسد، بدون توجه به این که الکترومغناطیس جزئی از یک نظریه بزرگ‌تر (نظریهٔ الکتروضعیف) است، کما این‌که پس از مدت کوتاهی نشان داده شد. بنابراین، پروژه او در متحد کردن آن با گرانش بی‌فایده بود.
آینشتین همچنین بارها موضع خود را در مناظره‌های مربوط به مکانیک کوانتومی تغییر داد. او در ابتدا می‌گفت که این نظریه در تضاد با بقیه چیزها است. سپس پذیرفت که این‌طور نیست و خودش را محدود به پافشاری بر این ایده کرد که این نظریه ناکامل است و نمی‌تواند تمام طبیعت را توصیف کند.
در مورد نسبیت عام، اینشتین برای مدت طولانی متقاعد شده بود که معادلات در نبودِ ماده نمی‌توانند جواب داشته باشند و بنابراین، میدان گرانشی به ماده وابسته است. او دست از این باور برنداشت تا زمانی که ویلم دوسیته و دیگران نشان دادند که او اشتباه می‌کند. سرانجام نظریه را این گونه تفسیر کرد که میدان گرانشی یک موجود مجزای واقعی است که به خودی‌ خود وجود دارد.

در اثر خارق‌العادهٔ ۱۹۱۷ او کیهان‌شناسی نوین را بنیان گذاشت. آینشتین به این پی برد که جهان می‌تواند یک ۳-کره باشد. او ثابت کیهان‌شناسی را معرفی کرد که امروز مورد تایید است ولی با این کار همزمان یک خطای فاحش به فیزیک (عدم تغییر عالم در زمان) و یک خطای چشمگیر به ریاضی اضافه کرد؛ او متوجه نشد جوابی که ارائه کرده بود ناپایدار است و نمی‌تواند دنیای واقعی را توصیف کند. در نتیجه، آن مقاله‌ ترکیب عجیبی از ایده‌های بزرگِ جدید و انقلابی و انبوهی از خطاهای جدی است.

آیا این اشتباه‌ها و تغییر رویه‌ها چیزی از تحسین و ستایش ما نسبت به آلبرت آینشتین کم می‌کند؟ به‌ هیچ‌ وجه. اگر تغییری هم در ما باشد، برعکس است. به نظر من در عوض، این چیزها نکته‌ای راجع به ذات هوش به ما می‌آموزند. هوش، طرفداری سرسختانه از نظرات خود نیست بلکه آمادگی لازم برای تغییر و حتی کنار گذاشتن آن نظرات است. برای درک جهان، باید شهامت آن را داشته باشید که ایده‌ها را بدون ترس از شکست آزمایش کنید، پیوسته نظرات خود را بازبینی کنید و آن‌ها را بهبوبد ببخشید.

آینشتینی که بیش از هر کس دیگری مرتکب خطا می‌شود دقیقاً همان آینشتینی است که بیش‌تر از دیگران در فهم طبیعت موفق است و این‌ها مکمل هم و از جنبه‌های ضروری همان هوش عمیق هستند: بی‌پروایی در تفکر، شهامت خطر کردن، ایمان نداشتن به ایده‌های دریافت‌شده، از همه مهم‌تر ایده‌های خود شخص. اینکه شهامت اشتباه کردن داشته باشی، ایده‌های خود را تغییر دهی، و نه یک بار بلکه بارها، تا به مرحله کشف برسی.
آنچه مهم است درست بودن نیست، تلاش برای فهمیدن است.

چهارشنبه ۱۲ شهریور، اعلام شد که رصدخانه امواج گرانشی لایگو در امریکا و ویرگو در ایتالیا، امواج گرانشی حاصل از ادغام دو سیاه‌چاله‌ را آشکارسازی کرده‌اند که عظیم‌ترین امواج گرانشی ثبت‌شده تا به امروز بوده‌اند. هرچند ادغام دو سیاه‌چاله چیز جدیدی نبوده و قبلاً هم چند مورد از آن آشکارسازی شده بود؛ اما این یکی، ویژگی‌های غیرمعمولی داشته که باعث شده این خبر اهمیتی دوچندان برای اخترفیزیک‌دان‌ها و پژوهشگران فعال در حوزه سیاه‌چاله‌ها داشته باشد.

وقتی عالم نیمی از عمر اکنونش را داشت، دو سیاه‌چاله سنگین در هم ادغام شدند و امواج گرانشی تولید کردند. این طنین‌های گرانشی، موجی را پیش بردند و تار‌و‌پود فضا-زمان را شبیه به یک صدای زنگ کیهانی لرزاندند و سیگنالی برای ما به‌جای گذاشتند. ساعت ۷:۳۲:۲۹ صبح روز سه‌شنبه ۳۱ اردیبهشت ۹۸، سه رصدخانه امواج گرانشی (ویرگو و هر‌دو رصدخانه لایگو) بر روی زمین، این سیگنال کوتاه را که فقط یک دهم ثانیه به‌طول انجامید، دریافت کردند. محققان می‌گویند: احتمالاً منشأ این سیگنال ـ که «جی‌دبلیو ۱۹۰۵۲۱» نام‌گذاری شده ـ ادغام دو سیاه‌چاله سنگین‌وزن با جرمی حدود ۶۶ و ۸۵ برابر جرم خورشید بوده که در‌نهایت، یک سیاه‌چاله بزرگتر را با جرمی حدود ۱۴۲ برابر جرم خورشید به‌وجود آورده و مقادیر زیادی انرژی (حدود ۸ برابر جرم خورشید) به‌شکل امواج گرانشی در سراسر جهان آزاد کرد‌ه‌اند. هم‌چنین محققان پروژه لایگو و ویرگو، اسپین (راستای محور و سرعت چرخش) دو سیاه‌چاله اولیه را محاسبه کرده و دریافتند، همان‌طور که این دو سیاه‌چاله به دور یکدیگر دوران داشته و به هم نزدیک می‌شدند، هرکدام حول محور خودشان با زاویه‌ای که هم‌راستا با محور دوران سامانه نبوده می‌چرخیدند؛ احتمالاً همین ناهم‌راستایی محور‌های چرخش، باعث شده وقتی به هم نزدیک‌تر می‌شدند، مدارهایشان حرکت تقدیمی داشته باشد و مثل دو مست میکده تلو‌تلو‌خوران دور یکدیگر بگردند! 🙂

همه سیاه‌چاله‌های مشاهده‌شده تا به امروز، در یکی از این دو دسته قرار می‌گیرند: سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای، که تصور می‌شود موقع مرگ ستاره‌های عظیم تشکیل می‌شوند و می‌توانند طیف جرمی از حدود چند برابر جرم خورشید، تا ده‌ها برابر جرم خورشید داشته باشند؛ یا سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم که در در قلب کهکشان‌ها هستند و جرمی از مرتبه صدها هزار، تا میلیاردها برابر جرم خورشید دارند (برای آشنایی بیشتر با سیاه‌چاله‌ها، نوشته قیام علیه سیاهی را بخوانید). با این حال، سیاه‌چاله نهایی ایجاد شده در ادغام جی‌دبلیو ۱۹۰۵۲۱، در یک محدوده جرمی متوسط ​​بین این دو دسته قرار گرفته است. در‌واقع، این سیاه‌چاله‌ تشکیل شده با جرمی حدود ۱۴۲ برابر جرم خورشید، به دسته جدیدی از سیاه‌چاله‌ها تعلق دارد که «سیاه‌چاله‌های میانه‌جرم» نام دارند و این مورد، اولین آشکارسازی واضح از این نوع سیاه‌چاله‌ها است.

به نظر می‌رسد دو سیاه‌چاله اولیه که سیاه‌چاله نهایی را ایجاد کرده‌اند نیز از نظر جرم بی‌همتایند. طبق مدل‌های اخترفیزیکی فعلی، ستارگانی با جرم ۱۳۰ برابر جرم خورشید می‌توانند سیاه‌چاله‌هایی را به‌وجود بیاورند که جرمشان حداکثر ۶۵ برابر جرم خورشید باشد. اما برای ستاره‌های پرجرم‌تر ، تصور می‌شود پدیده‌ای موسوم به «ناپایداری جفت» رخ دهد؛ وقتی فوتون‌های هسته خیلی پرانرژی می‌شوند، می توانند به یک جفت الکترون و پاد الکترون تبدیل شوند. این جفت‌ها فشار کمتری نسبت به فوتون‌ها ایجاد می‌کنند و باعث می‌شوند ستاره در برابر فروپاشی گرانشی ناپایدار شود؛ این ناپایداری به انفجاری می‌انجامد که به حدی قوی است که هیچ چیزی از خود به‌جای نخواهد گذاشت. حتی ستارگان پر‌جرم‌تر (بیشتر از ۲۰۰ برابر جرم خورشید) سرانجام مستقیماً فرو پاشیده و به سیاه‌چاله‌ای با حداقل ۱۲۰ برابر جرم خورشید تبدیل می‌شوند. بنابراین ، یک ستاره در حال فروپاشی قادر نیست یک سیاه‌چاله با جرمی بین ۶۵ تا ۱۲۰ برابر جرم خورشید را ایجاد کند؛ این محدوده جرمی، با عنوان شکاف جرمِ ناپایداری جفت (Pair Instability Mass Gap) شناخته می‌شود. می‌توان ادعا کرد یک یا هردو سیاه‌چاله اولیه‌ در این محدوده جرمی قرار دارند. یک احتمال برای این مسأله ـ که محققان در مقاله دوم منتشر شده در نظر گرفته‌اند ـ عبارت است از ادغام سلسله‌مراتبی؛ به این معنا که دو سیاه‌چاله اولیه قبل از نزدیک شدن و ادغام نهایی، خود از یک ادغام کوچک‌تر دیگر تشکیل شده باشند.

آلن واینستین، از اعضای پروژه لایگو و استاد فیزیک در دانشگاه کلتک، می‌گوید:

«این رویداد، بیشتر از اینکه پاسخگوی سوالات باشه، سؤال‌های بیشتری رو مطرح می‌کنه. از نقطه‌نظر کشف کردن [پدیده‌ها] و فیزیک، این چیز خیلی هیجان‌انگیزیه».

• مقاله اول تیم لایگو و ویرگو در‌مورد جزئیات کشف ادغام جی‌دبلیو۱۹۰۵۲۱، چاپ‌شده در مجله فیزیکال ریویو لِترز
• مقاله دوم تیم لایگو و ویرگو در‌مورد ویژگی‌ها و پیامدهای اخترفیزیکی ادغام جی‌دبلیو۱۹۰۵۲۱، چاپ‌شده در مجله آسترو‌فیزیکال ژورنال لِترز