ما هو حجم مجرة درب التبانة؟
تم إجراء أول قياس موثوق لحجم المجرة في عام 1917 بواسطة عالم الفلك الأمريكي هارلو شابلي، وصل إلى تحديد حجمه من خلال إنشاء التوزيع المكاني للعناقيد الكروية، وجد شابلي أنه بدلاً من نظام صغير نسبياً مع وجود الشمس بالقرب من مركزها كما كان يعتقد سابقاً، فإن المجرة هائلة والشمس أقرب إلى الحافة من المركز، بافتراض أن الحشود الكروية حددت المجرة قرر أن قطرها يبلغ حوالي 100000 سنة ضوئية وأن الشمس تقع على بعد حوالي 30.000 سنة ضوئية من المركز.
وقد صمدت قيمه بشكل ملحوظ على مر السنين، وذلك اعتماداً جزئياً على المكون المعين للمجرة، حيث يكون القرص النجمي لنظام درب التبانة كبيراً تقريباً، كما توقع نموذج شابلي مع وجود الهيدروجين المحايد إلى حد ما منتشر على نطاق واسع، تقع أبعد النجوم وسحب الغاز في النظام والتي تم تحديد المسافة بينها بشكل موثوق على بعد 100000 سنة ضوئية تقريباً من مركز المجرة، في حين وُجد أن مسافة الشمس من المركز تبلغ 25000 سنة ضوئية تقريباً.
هيكل النظام الحلزوني:
تعتبر بنية مجرة درب التبانة نموذجية إلى حد ما لنظام لولبي كبير، (تم وصف المجرات الحلزونية والأنواع الأخرى من المجرات في مقالة المجرة)، يمكن النظر إلى هذا الهيكل على أنه يتكون من ستة أجزاء منفصلة، (نواة، انتفاخ مركزي، قرص (كلاهما رفيع وقرص سميك)، أذرع لولبية، مكون كروي، هالة ضخمة). تمتزج بعض هذه المكونات مع بعضها البعض، وفيما يلي توضيح مبسط لهذه الأجزاء:
- النواة: في قلب المجرة يوجد جسم رائع وهو ثقب أسود هائل محاط بقرص تراكم من الغاز عالي الحرارة، لا يمكن ملاحظة الجسم المركزي أو أي مادة حوله مباشرة بأطوال موجية بصرية بسبب الشاشة السميكة للغبار المتداخل في درب التبانة، ومع ذلك يمكن اكتشاف الجسم بسهولة عند أطوال موجات الراديو، وقد أطلق عليه علماء الفلك الراديوي اسم القوس.\
تنبعث الأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية من المنطقة، ويمكن ملاحظة سحب غازية سريعة الحركة هناك، تشير البيانات بقوة إلى أن المواد يتم سحبها إلى الثقب الأسود من خارج المنطقة النووية، بما في ذلك بعض الغازات من الاتجاه (z) (أي عمودي على مستوى المجرة)، عندما يقترب الغاز من الثقب الأسود تضغط قوة الجاذبية القوية للجسم المركزي الغاز في قرص يدور بسرعة، والذي يمتد إلى الخارج حوالي 5 إلى 30 سنة ضوئية من الثقب الأسود.
تشير قياسات دوران القرص والحركات المدارية للنجوم (التي تُرى عند أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء) إلى أن كتلة الثقب الأسود تزيد عن 4000.000 ضعف كتلة الشمس، (بالنسبة لأرصاد الأشعة تحت الحمراء التي أثبتت أن القوس A * كان ثقباً أسود مُنح الفلكي الأمريكي أندريا جيز والفلكي الألماني راينهارد جينزل جائزة نوبل للفيزياء لعام 2020).
- الانتفاخ المركزي: يحيط بالنواة انتفاخ ممتد من النجوم يكون شبه كروي الشكل، ويتكون أساساً من نجوم المجموعة الثانية، على الرغم من أنها غنية نسبياً بالعناصر الثقيلة، كما تختلط مع النجوم عدة مجموعات كروية من النجوم المتشابهة ولكل من النجوم والعناقيد مدارات نصف قطرية حول النواة، يمكن رؤية النجوم المنتفخة بصرياً، حيث تلتصق فوق الغبار المعتم لطائرة المجرة.
- القرص: من بعيد سيكون الجزء الأكثر وضوحاً في المجرة هو القرص الذي يمتد من النواة إلى ما يقرب من 75000 سنة ضوئية، تشبه المجرة الأنظمة الحلزونية الأخرى، حيث تتميز بترتيب مشرق ومسطح للنجوم وسحب الغاز المنتشرة في مجملها وتتميز ببنية حلزونية، يمكن اعتبار القرص على أنه الجسم الأساسي للنجوم التي يتم وضع الذراعين عليها، يبلغ سمك هذا الجسم خُمس قطره تقريباً لكن المكونات المختلفة لها سماكات مميزة مختلفة، يتكون أنحف مكون غالباً ما يسمى القرص الرقيق ويشمل الغبار والغاز وأصغر النجوم، بينما يشتمل المكون الأكثر سمكاً القرص السميك على نجوم أقدم إلى حد ما.
- الأذرع الحلزونية: لم يعرف علماء الفلك أن المجرة لها هيكل حلزوني حتى عام 1953 عندما تم الحصول على المسافات إلى الارتباطات النجمية بشكل موثوق لأول مرة، بسبب الغبار البينجمي الغامض والموقع الداخلي للنظام الشمسي يصعب جداً اكتشاف الهيكل اللولبي بصرياً، يسهل تمييز هذه البنية من الخرائط الراديوية للهيدروجين المحايد أو السحب الجزيئية، حيث يمكن اكتشاف كليهما من خلال الغبار، يجب تقدير المسافات إلى ذرات الهيدروجين المحايدة المرصودة على أساس السرعات المقاسة المستخدمة بالاقتران مع منحنى دوران المجرة، والذي يمكن بناؤه من القياسات التي تم إجراؤها عند خطوط طول مجرية مختلفة.
- المكون الكروي: المساحة الموجودة أعلى وأسفل قرص المجرة مشغولة بامتداد قليل السكان للانتفاخ المركزي، شبه كروية الشكل هذه المنطقة مأهولة بالعناقيد الكروية الخارجية، ولكنها تحتوي أيضاً على العديد من نجوم المجال الفردية من المجموعة الثانية المتطرفة، مثل متغيرات (RR Lyrae) والنجوم القزمة التي تعاني من نقص العناصر الثقيلة، من الناحية الهيكلية يشبه المكون الكروي مجرة إهليلجية، ويتبع نفس القانون الرياضي البسيط لكيفية اختلاف الكثافة باختلاف المسافة من المركز.
- الهالة الضخمة: العنصر الأقل فهماً في المجرة هو الهالة الضخمة العملاقة التي تقع خارج الجزء المرئي بأكمله، يتضح وجود الهالة الضخمة من خلال تأثيرها على منحنى الدوران الخارجي للمجرة، كل ما يمكن قوله بأي قدر من اليقين هو أن الهالة تمتد بشكل كبير إلى ما وراء مسافة 100000 سنة ضوئية من المركز، وأن كتلتها أكبر بعدة مرات من كتلة بقية المجرة مجتمعة، من غير المعروف ما هو شكله وما هي مكوناته أو إلى أي مدى يمتد في الفضاء بين المجرات.
ما هو الحقل المغناطيسي للمجرات؟
كان يعتقد ذات مرة أن التركيب الحلزوني للمجرات يمكن التحكم فيه عن طريق مجال مغناطيسي قوي، ومع ذلك عندما تم الكشف عن المجال المغناطيسي العام عن طريق تقنيات الراديو وجد أنه أضعف من أن يكون له تأثيرات واسعة النطاق على بنية المجرة، تبلغ قوة المجال المجري 0.000001 مرة فقط من قوة مجال الأرض على سطحه، وهي قيمة منخفضة جداً بحيث لا يكون لها تأثيرات ديناميكية على الغاز بين النجمي، والتي يمكن أن تفسر الترتيب الذي يمثله هيكل الذراع الحلزونية.
ومع ذلك فهذه قوة كافية لإحداث محاذاة عامة لحبيبات الغبار في الفضاء بين النجوم، وهي ميزة يتم اكتشافها من خلال قياسات استقطاب ضوء النجوم، في النموذج السائد لحبيبات الغبار بين النجوم تبين أن الجسيمات تدور بسرعة وتحتوي على كميات صغيرة من المعدن (ربما الحديد)، على الرغم من أن المكونات الأساسية هي الجليد والكربون، يمكن أن يعمل المجال المغناطيسي للمجرة تدريجياً على جزيئات الغبار ويتسبب في اصطفاف محاور الدوران الخاصة بها، بحيث تكون محاورها القصيرة موازية لاتجاه المجال.
يتم محاذاة المجال نفسه على طول نطاق درب التبانة، بحيث تصبح المحاور القصيرة للجسيمات أيضاً محاذية على طول مستوى المجرة، تؤكد قياسات استقطاب النجوم عند خطوط العرض المنخفضة للمجرة هذا النمط.
