از سیاهچاله تا زمین

با انتشار نخستین تصویر از غول نامرئی هسته کهکشان راه شیری در رسانه‌ها و برملا شدن رازهایی از این موجود عجیب که در فاصله حدود 26 هزار سال نوری از ما قرار دارد، سؤال‌هایی در ذهن علاقه‌مندان به سیاهچاله‌ها شکل گرفته که البته پاسخ بیشتر آنها در میان کتب و مقالات اخترفیزیکی به چشم می‌خورد. مسیر حرکت منظومه شمسی یا بهتر بگویم مدار خورشید در این اقیانوس پرستاره و مملو از گاز غبار، چگونه به رفتار سیاهچاله مرکزی راه شیری گره خورده است؟ هرچند فاصله 26 هزار سال نوری، چند برابر تاریخ تمدن بشری است و نگاه به سیاهچاله مرکزی کهکشان مانند خواندن روزنامه‌ای است که در شهر پکن در کشور چین است و ما سعی داریم آن را از تهران مطالعه کنیم! اما در دنیای کهکشان راه شیری، همه‌چیز می‌‌تواند به هم مربوط باشد؛ حتی رقص سیاهچاله هسته کهکشان و ستارگان اطرافش بر داستان زندگی در سیاره زمین.

1 شاید این جمله دور از ذهن باشد که هر آنچه از کهکشان می‌بینیم و می‌دانیم، حدود 20 درصد از ماهیت واقعی آن است. دنیای قابل دید که شامل عناصر شناخته‌شده و انرژی‌های چهارگانه (الکترومغناطیس، انرژی قوی و ضعیف هسته‌ای و گرانش) است، در حدود یک‌پنجم جرم کهکشان را تشکیل می‌دهد و تقریبا 80 درصد این غول بزرگ کیهانی از ماده‌ای مرموز با نام ماده تاریک (تاریک به معنای ناپیدا و غیرقابل تشخیص) تشکیل شده است. این ماده ناپیدا نقش بسیار مهمی در استخوان‌بندی کهکشان راه شیری و در ادامه، مدار خورشید دارد. شاید در ظاهر حضور یا عدم حضور یک ستاره در فاصله چند هزار سال نوری، بی‌اهمیت به نظر برسد، اما از ترکیب ماده تاریک و ساختارهای درون کهکشان و با اضافه کردن چاشنی زمان، شاهد پیدایش نوع خاصی از کهکشان‌های مشابه با راه شیری هستیم که اجزای آن با یکدیگر در اتباط هستند. به نظر می‌رسد کهکشان‌های مارپیچی دارای مناسب‌ترین ساختار برای پشتیبانی از منظومه‌های مستعد حیات است (و در ادامه به آنها خواهیم پرداخت)، ماه عسل برهمکنش همه اجزای کهکشان است.

2 شاید تصاویر زیادی را به صورت نمادین از کهکشان راه شیری دیده باشید. یک دایره یا بیضی در مرکز و دو یا چند ساختار کمانی‌شکل که از درون آن به بیرون حرکت کرده و مارپیچ‌گونه گسترده شده‌اند. این ساختار برگرفته از نوع خاصی از کهکشان‌ها با نام کهکشان‌های مارپیچی است که دهه‌های اخیر شناخت حدودی از آنها صورت گرفته است. کهکشان آندرومدا که در همسایگی راه شیری قرار دارد و بسیاری از کهکشان‌های عالم نیز از این نوع هستند و در اصطلاح به آنها «کهکشان‌های مارپیچی» گفته می‌شود. این دسته از کهکشان‌ها بسیار مورد علاقه اخترزیست‌شناسان هستند و بسیاری، آنها را مستعدترین نوع کهکشان برای پیدایش حیات می‌دانند که البته پیشینه بسیار جذابی نیز دارند. به نظر می‌رسد پیدایش آنها به صدها میلیون سال اولیه عالم بازمی‌گردد؛ زمانی که در کیهان ستارگان غول‌پیکر نخستین از بین می‌رفتند و در انتهای عمر خود اولین سیاچاله‌های عالم را تشکیل می‌دادند. جهان نخستین، بسیار متراکم و داغ بود و پس از تشکیل اولین سیاهچاله‌ها در صدها میلیون سال نخست عالم، توده‌های عظیمی از گاز و غبار و البته ماده تاریک پیرامون‌شان تجمع یافته و مبدل به هسته‌های کهکشانی شدند. این نوع از کهکشان‌ها هرگز برخورد جدی و شدیدی با کهکشان‌های دیگر نداشته‌اند و پس از تشکیل‌شان، تنها خوشه‌های ستاره‌ای یا کهکشان‌های کوتوله پیرامون‌شان را در مدار خود به دام انداختند، اما با آنها برخورد نمی‌کردند. به عبارت دیگر کهکشان‌ مارپیچی در قلب خود میراثی از روزهای نخستین عالم دارد. گردشی یکنواخت و تأثیرات ماده تاریک، ساختار زیبا و در عین حال پر‌رمز‌و‌راز بازوها را شکل می‌دهند. درصد بالایی از ستارگان در عین حال که حرکت بی‌نظم و کاتوره‌ای دارند، اما در شعاع ده‌ها هزار سال نوری، حالت صفحه‌ای‌شکلی به خود می‌گیرند. دیگر کهکشان‌هایی که از نوع بیضی‌شکل (تخم‌مرغی‌شکل) یا نامنظم هستند، گذشته پرفرازونشیبی داشته‌اند. در این دو نوع کهکشان شاهد برخورد و تصادم‌هایی در گذشته آنها هستیم. ساختار این دسته کهکشان، دیسکی‌شکل نیست و از همه مهم‌تر، حرکات ستارگان می‌تواند در هر جهتی باشد. سیاهچاله‌های مرکزی آنها بسیار بزگ‌تر و پرجرم‌تر از راه شیری است و گاهی مجموعه‌ای از چند ابرسیاهچاله پرجرم هستند. به این معنا که ستارگان دائما نسبت به یکدیگر دور و نزدیک می‌شوند. گاهی این نزدیکی به قدری شدید است که می‌تواند بر مدار سیاراتی که به دور این ستارگان می‌گردند، تأثیرگذار باشند. به بیان دیگر ممکن است سیاراتی در میان ستارگان داد‌و‌ستد شوند! این موضوع به‌هیچ‌وجه برای پیداش حیات مطلوب نیست. به نظر می‌رسد کهکشان‌های غول‌پیکری همچون M87 که در سال 2019 اولین تصویر از سیاهچاله مرکزی آنها ثبت شد (درواقع نخستین تصویر از سیاهچاله نیز به شمار می‌رود)، مورد نامطلوبی از کهکشان‌ها برای جست‌وجوی حیات باشند. بنابراین سیاهچاله مرکزی کهکشان راه شیری آنقدر پرجرم نبوده که تا امروز مسبب تصادم‌های بزرگ کیهانی با دیگر کهکشان‌ها شود. هرچند این دوران خوش در میلیاردها سال آینده به پایان می‌رسد و راه شیری حدود هفت میلیارد سال آینده با کهکشان همسایه خود، آندرومدا برخورد خواهد کرد. در این برخورد که ممکن است میلیاردها سال به طول انجامد، برخی از ستارگان و توده‌های گاز غبار فشرده و متراکم می‌شوند. اما بیشتر ساختار دو کهکشان دستخوش تغییرات جدی شده و بازوهای آن از میان می‌روند تا درنهایت پس از زمان نسبتا طولانی، کهکشان بزرگتر و جدیدی را شکل دهند. کهکشانی به وجود خواهد آمد که محیط خطرناکی دارد و ستارگان در مدارهای ناهمگون گردش می‌کنند و در مدار سیارات یکدیگر اختلال ایجاد می‌کنند. این آینده هرچند ترسناک و غیرقابل تصور است، اما پس از مرگ خورشید روی خواهد داد و تا آن زمان فرصت زیادی باقی است.

3 هم‌اکنون در کهکشان خودمان که مدار ستارگان متأثر از ساختار سیاهچاله مرکزی و ماده تاریک است، شاهد پیکره باشکوهی از جنس گاز و غبار و ستاره‌های رنگارنگ هستیم. کهکشان ما امن بوده و هست. این امنیت به خاطر ساختار مارپیچی آن است. برخلاف تصور عموم مردم، بازوها در کهکشان‌های مارپیچی، جریان‌های گردابی‌شکل از ستارگان نیستند که به هسته منتهی شده باشند. هسته کهکشان و سیاهچاله مرکزی نیز مثل یک فرفره باعث گردش آنها نشده‌اند. همه چیز در یک نظم زنجیروار به یکدیگر مرتبط و با‌ثبات است. جالب‌تر اینکه حجم ستارگان و گاز و غبار در بازوهای کهکشان تنها پنج درصد بیشتر از مناطق کم‌نورتر بین بازوهاست. پس تفاوت این حجم از درخشش در لایه‌های مختلف کهکشان چیست؟ اگر کهکشان مارپیچی تقریبا همگن است، چرا ما شاهد ساختارهای مارپیچی درخشان‌تری در بخش‌هایی از آن هستیم؟ پاسخ در محدودیت سرعت تأثیرگذاری نیروی گرانش است. با پیدایش کهکشان و پیش از آنکه ماده تاریک مانند امروز در استخوان‌بندی کهکشان جا خوش کند، همه قسمت‌ها به صورت هماهنگ شروع به دوران نکردند. گازها در هسته فشرده و متراکم می‌شدند. تراکم بیشتر چگالی هسته را افزایش می‌داد و نتیجه آن افزایش سرعت چرخش ستارگان اطراف هسته بود. افزایش سرعت گردش ستارگان به صورت ناگهانی در پهنه کهکشان نمود پیدا نمی‌کند. لایه به لایه در شعاع 50 هزار سال نوری گسترده می‌شود تا بالاخره پس از ده‌ها هزار سال به لبه کهکشان برسد و هسته کهکشان نیز به ثبات برسد و سرعت حرکت اجزای دیسک کهکشان در قسمت‌های دورتری همچون جایی که ما هستیم نیز یکنواخت شود. این شرایط تنها در روزهای اولیه کهکشان به چشم می‌خورده و ترافیکی از مواد را در دیسک به وجود می‌آورد. زمانی که از واژه ترافیک استفاده می‌کنیم، درحقیقت صحبت از گازهای فشرده‌شده و پیداش توده‌های ستاره‌ای است. این میزان بی‌نظمی جزئی، جرقه‌های تشکیل ستارگان جدید و داغ بیشتری در بخش‌های خاصی از کهکشان را داده است که آنها را بازوهای کهکشان می‌نامیم. آرام‌آرام ماده تاریک نیز که چگونگی عملکرد آن هنوز به درستی برای دانشمندان روشن نیست، افسار نیروی گرانش سیاهچاله مرکزی کهکشان را به دست می‌گیرد. اگر کهکشان را به یک خوردو تشبیه کنیم، سیاهچاله موتور آن است و ماده تاریک مثل شاسی خودرو عمل می‌کند. بی‌نظمی‌ها و ترافیک مواد در روزهای اولیه کهکشان راه شیری در کنار نقش ماده تاریک، مارپیچ‌های زیبای امروزی آن را شکل داده است. پس می‌توان با رصد یک کهکشان و پی‌بردن به ساختار مارپیچی آن، دریافت که امروزه ستارگان در وضعیت ایمنی به دور یکدیگر گردش می‌کنند. اما این تمام داستان نیست. خورشید اگر در مناطق نزدیک به هسته یا در لبه کهکشان می‌بود، ما امروزه نیز می‌توانستیم در سطح زمین میزبان حیات باشیم؟ مطمئنا نه! امکان وجود حیات در سطح سیارات یک منظومه (که در اصطلاح شرایط زیست‌پذیری نامیده می‌شود) ارتباط مستقیمی با مکان قرارگیری و چگونگی پیدایش آن ستاره دارد. تمامی مناطق کهکشان راه‌شیری برای پشتیبانی از حیات مناسب نیستند. مناطق مرکزی هسته کهکشان جای خطرناکی هستند. این خطر از جانب سیاهچاله مرکز آن نیست. چرا تنها در فاصله بسیار نزدیک 70 میلیون کیلومتری از آن، احتمال سقوط در داخل سیاهچاله وجود دارد. چیزی شبیه به فاصله عطارد از خورشید. پس هر آنچه پیرامون هسته کهکشان قرار دارد، در مداری به دور آن گردش می‌کند. در حقیقت هسته کهکشان و برجستگی مرکز دیسک کهکشان مملو از ستارگانی است که تششعات پر‌انرژی تولید می‌کنند و منجر به تجزیه مولکول‌های زیستی به‌وجودآمده در سطح سیارات یا در داخل سحابی‌های غنی از کربن می‌شوند. از دیگر ‌سو، فاصله نسبتا نزدیک ستارگان با یکدیگر نیز موجب تداخل گرانش آنها با یکدیگر شده که نتیجه آن خارج‌شدن سیارک‌ها و دنباله‌دار‌های بسیاری از مدارشان است و می‌توانند با سیارات پیرامون‌شان تصادم کنند. به بیان دیگر، هسته کهکشان مشابه با وضعیت ستارگان در کهکشان بیضوی همچون M87 است. می‌توان کهکشان راه شیری را به اقیانوسی از گاز و غبار به قطر کهکشان 110 هزار سال نوری‌ تشبیه کرد که چیزی در حدود 100 تا 400 میلیارد ستاره در آن شناور هستند و در مناطقی همچون هسته کهکشان یا در خوشه‌های ستاره‌ای، تراکم ستارگان یک میلیون برابر افزایش می‌یابد. خورشید نیز به‌عنوان قطره کوچکی در این اقیانوس قرار دارد، اما با خوش‌شانسی بسیار زیاد، با فاصله‌ای در حدود 26 هزار سال نوری از هسته کهکشان و در منطقه نسبتا خلوتی شکل گرفته است. شاید تصور کنید هرچه یک ستاره از هسته‌ کهکشان خود فاصله داشته باشد، ایمن‌تر است و احتمال وجود سیارات حیات‌مند و منظومه‌های باثبات در آن بیشتر است، اما این نیز تصوری اشتباه است.

4 جاذبه‌ خوشه‌های ستاره‌ای، غبارها و دیگر اجزای موجود در بازو‌های کهکشانی می‌تواند بر پیکر یک سحابی (توده‌های بزرگ گاز و غبار که زایشگاه ستارگان هستند)، طنین‌انداز شود و درنهایت منجر به تراکم ماده در برخی از قسمت‌های آن شود. همچنین اموج ناشی از انفجار‌های ابر‌نواختری که بر اثر مرگ ستارگان غول‌پیکر تا فاصله ده‌ها سال نوری در پیکره کهکشان طنین‌انداز شود، با برخورد به سحابی‌های سرد و تاریک، آنها را متراکم‌تر و حتی گرم‌تر کند. چنین وقایعی غالبا در بخش‌های میانی دیسک کهکشان‌ روی می‌دهد و نه قسمت‌های نزدیک به لبه‌ خارجی آن. پس می‌توان نتیجه‌گیری کرد که تولد و مرگ ستارگان در بخش‌های خارجی کمتر روی می‌دهد و در حقیقت در لبه کهکشان ستاره‌زایی با آهنگ کندتری روی می‌دهد. مهم‌تر از نرخ تولد ستارگان، نسبت ترکیبات موجود در ستارگان و سیارات پیرامون‌شان، تعیین‌کننده شکل‌گیری حیات است. در هسته ستارگان، مجموعه‌ای از واکنش‌های همجوشی هسته‌ای رخ می‌دهد که نهایتا از ترکیب هسته‌ اتم‌های سبک مانند هیدروژن یا هلیم، عناصر سنگین‌تری مانند آهن را به وجود می‌آورد که پس از مرگ این ستارگان عناصر جدید و سنگین‌تر در فضا پراکنده می‌شوند. به بیان ساده در مناطق بیرونی کهکشان، آهنی که در خون و من شما وجود دارد، کربنی که طعم شیرین قند را می‌سازد، اکسیژنی که تنفس می‌کنیم یا کلسیمی که استخوان‌های ما را شکل داده است، بسیار کمیاب است. مرزهای کهکشان مملو از عناصر سبکی همچون هیدروژن و هلیم است. به وجود آمدن عناصر حیات‌مند در مرزهای کهکشان به کندی رخ می‌دهد. ابر اولیه‌ای که خورشید و سیارات آن را پدید آورد، به دلیل جایگاه خاصی که در کهکشان داشته، عناصر متنوعی از نسل‌های مختلف ستارگان را در خود جمع‌آوری کرده است و در عین حال، در بخش پرستاره‌ای از کهکشان حضور نداشته تا گرانش دیگر ستارگان موجب تغییراتی در منظومه ‌شمسی ما شود. به همین دلیل پس از شکل‌گیری خورشید و منظومه ‌شمسی، مواد خام تشکیل‌دهنده مولکول‌های زیستی همچون کربن، اکسیژن، نیتروژن، آهن در سطح‌ زمین یافت شدند و زمین نیز میلیاردها سال در مدار مشخص خود بدون تغییر گردش می‌کند. جایگاهی که خورشید در آن شکل‌گرفته (هم از لحاظ تراکم ستاره‌ای و هم از لحاظ تراکم عناصر سبک و سنگین)، برای شکل‌گیری حیات ایدئال است. به این بخش از کهکشان راه شیری در اصلاح «کمربند کهکشانی حیات» می‌گویند.

5 خورشید و همه ستارگان کهکشان در زیر سایه گرانش سیاهچاله مرکزی، رقص‌کنان در این ساختار بزرگ و باشکوه گردش می‌کنند. همان‌گونه که زمین به دور خورشید گردش می‌کند، خورشید نیز به دور هسته کهکشان در چرخش است. یک دور گردش خورشید به دور هسته کهکشان، 250 میلیون سال طول می‌کشد. این در حالی است که از انقراض دایناسورها تنها 65 میلیون سال می‌گذرد و بدان معنا، از آن زمان تا امروز، تنها 20 درصد این مدار را طی کرده‌ایم. اما این چرخش با چرخش سیارات به دور ستاره‌ها بسیار تفاوت دارد. به‌عنوان مثال زمین روی یک مدار گردش می‌کند. جاذبه هیچ یک از سیارات باعث بالا و پایین رفتن زمین در مدارش نمی‌شوند. سیارات دیگر تغییری در مدار زمین ایجاد نمی‌کنند. اما رابطه ستارگان و سیاهچاله هسته کهکشان این‌گونه نیست. خورشید در همان حال که به دور هسته کهکشان در چرخش است، به دلیل جاذبه ستارگان دیگر از روی مدار خود بالا و پایین می‌رود و در اصطلاح حرکت سینوسی از خود نشان می‌دهد. گروه محلی ستارگان پیرامون خورشید به گرد یکدیگر گردش می‌کنند. فرض کنید شما در یک قایق در حال حرکت نشسته‌اید و یک سیب را در دست خود به بالا و پایین پرتاب می‌کنید. شما تنها می‌بینید که سیب اندکی از دست شما ارتفاع گرفته و دوباره به کف دست‌تان بازمی‌گردد، اما ناظری که از ساحل سیب را می‌بیند حرکت دیگری از سیب را در ذهن خود تجسم می‌کند. ترکیب حرکت رو به جلوی قایق و بالا و پایین سیب یک مدار سینوسی را ایجاد می‌کند. خورشید نیز مانند این سیب، در مدار خود بالا و پایین می‌شود و عامل این حرکت عجیب، گرانش ستارگان مجاور آن است. نکته اینجاست که یک بالا و پایین شدن در مدار برای خورشید حدود پنج میلیون سال طول می‌کشد. به نظر می‌رسد که ما هم‌اکنون در بالاترین قسمت این نوسان قرار داریم و از درون دیسک بیشترین فاصله را داریم. شیرجه خورشید به درون دیسک کهکشان ممکن است هزینه‌هایی داشته باشد. تصور کنید در داخلی‌ترین قسمت دیسک کهکشان، گردوغبار بیشتری باشد و این گردوغبار به فضای میان سیارات نفوذ کند. هرچند میزان این غبار ناچیز است، اما اگر فقط یک درصد از نور خورشید را مانع شود، ممکن است شاهد هر تغییر بزرگی در سطح زمین باشیم، همچون عصر یخبندان یا سرمای شدید. گرانش هسته کهکشان و سیاهچاله مرکزی آن بر پیرامون خود تأثیر می‌گذارد و این تأثیر دومینووار به سمت لبه کهکشان حرکت می‌کند. هرچند از زمان بروز یک اتفاق در هسته کهکشان تا دیده‌شدن آن توسط بشر، بیش از 36 هزار سال زمان نیاز است، اما بشر به معنای واقعی کلمه در برابر هر اتفاقی آسیب‌پذیر و ناتوان است. با این حال، کهکشان راه شیری بیشتر از آنکه روی تند و خشن خود را به ساکنان زمینی نشان دهد، حامی آنها بوده و همچون خانه‌ای امن در کیهان پرتلاطم، از منظومه شمسی و ساکنان آن حمایت کرده است.