کوتولههای سفید، فسیلهای کیهانی که تاریخ راه شیری را فاش میکنند
به گزارش خبرگزاری آنا؛ برای فهمیدن اینکه چرا یک ستاره مرده میتواند درباره گذشته خود اطلاعات بدهد، ابتدا باید دانست یک ستاره در طول زندگی چه مراحلی را پشت سر میگذارد.
بر اساس توضیح «ناسا» (NASA)، ستاره معمولی از تودهای از گاز و غبار در یک زایشگاه ستارهای شکل میگیرد. این توده طی صدها هزار سال جرم بیشتری جمع میکند، میچرخد و داغ میشود. هنگامی که دمای هسته به میلیونها درجه میرسد، همجوشی هستهای آغاز میشود: هستههای هیدروژن با یکدیگر ترکیب میشوند و هلیوم میسازند و در این فرایند انرژی آزاد میشود. این انرژی در برابر گرانش که میخواهد ستاره را به درون فشرده کند، مقاومت میکند.
ستاره در این مرحله در رشته اصلی قرار دارد؛ مرحلهای که به گفته ناسا حدود ۹۰ درصد ستارگان را دربرمیگیرد و بسته به جرم ستاره میتواند میلیونها تا میلیاردها سال طول بکشد. اما سرنوشت همه ستارهها یکسان نیست.
«آژانس فضایی اروپا» توضیح میدهد که ستارههای شبیه خورشید، پس از پایان سوخت هیدروژنی، مسیر غول سرخ را طی میکنند. ناسا نیز میگوید ستارههایی با جرمی کمتر از حدود هشت برابر خورشید پس از تمام شدن هیدروژن هسته، متورم میشوند؛ سپس لایههای بیرونی خود را از دست میدهند و آنچه باقی میماند، هسته ستاره است: کوتوله سفید. ستارههای بسیار پرجرم مسیر دیگری دارند و میتوانند پس از پایان سوخت خود در انفجار ابرنواختری فرومیپاشند و ستاره نوترونی یا سیاهچاله بر جای بگذارند.
کوتوله سفید؛ هستهای که آرامآرام سرد میشود
کوتوله سفید دیگر ستارهای فعال مانند خورشید نیست. پس از آنکه لایههای بیرونی ستاره از بین رفت، هسته باقیمانده دیگر انرژی تازهای از همجوشی هستهای تولید نمیکند و طی میلیاردها سال بهتدریج سرد میشود.
این جرم فشرده تقریبا هماندازه زمین است، اما مقدار بسیار زیادی ماده را در این حجم کوچک جای داده است. ناسا برای توضیح چگالی آن میگوید یک قاشق چایخوری از ماده کوتوله سفید میتواند بیش از وزن یک وانت باربری داشته باشد.
همین سرد شدن تدریجی، کلید ماجراست. کوتوله سفید هرچه پیرتر میشود، دمای آن پایینتر میآید و نور کمتری منتشر میکند؛ بنابراین اگر بتوان دمای یک کوتوله سفید را اندازه گرفت، میتوان از میزان سرد شدن آن برای تخمین مدت زمانی که از شکلگیریاش گذشته است استفاده کرد.
ناسا این روش را به زغالهای نیمهخاموش یک آتش تشبیه میکند: همانطور که میتوان با اندازهگیری دمای زغالها درباره زمان سپریشده از خاموش شدن آتش سرنخ به دست آورد، کوتوله سفید نیز میتواند مانند یک ساعت کیهانی عمل کند.
هابل در جستوجوی قدیمیترین ساعتهای کیهانی
اما استفاده از کوتولههای سفید برای سنسنجی یک مشکل اساسی دارد: قدیمیترین آنها کمنورترین هستند. برای پیدا کردن این اجرام، پژوهشگران با «تلسکوپ فضایی هابل» به سراغ M۴ رفتند؛ یک خوشه کروی در صورت فلکی عقرب که حدود ۵۶۰۰ سال نوری از زمین فاصله دارد. خوشههای کروی از قدیمیترین مجموعههای ستارهای راه شیری هستند و هرکدام میتوانند صدها هزار تا یک میلیون ستاره را در خود جای دهند.
M۴ برای این جستوجو انتخاب مناسبی بود، زیرا نزدیکترین خوشه کروی به زمین محسوب میشود؛ بنابراین کوتولههای سفید بسیار کمنور آن، با وجود فاصله عظیمشان، از دید هابل دسترسپذیرتر بودند. پژوهشگران برای آشکار کردن این اجرام بارها از M۴ تصویربرداری کردند. مجموع زمان نوردهی این مشاهدات تقریبا هشت روز بود که طی یک دوره ۶۷ روزه انجام شد. هابل در نهایت توانست کوتولههای سفیدی با قدر حدود ۳۰ را آشکار کند؛ اجرامی که به گفته ناسا، روشنایی ظاهری آنها کمتر از یکمیلیاردم روشنایی کمنورترین ستارگانی بود که با چشم غیرمسلح دیده میشوند.
در میان انبوه ستارگان یک خوشه باستانی، هابل در واقع به دنبال ضعیفترین نورها بود؛ همان نورهایی که میتوانستند قدیمیترین ساعتهای آن را در خود پنهان کرده باشند.
وقتی ساعت ستارهای به ساعت جهان تبدیل میشود
مشاهدات هابل نشان داد کوتولههای سفید باستانی M۴ حدود ۱۲ تا ۱۳ میلیارد سال عمر دارند. این عدد فقط عمر چند ستاره نبود؛ میتوانست راهی مستقل برای بررسی سن جهان نیز فراهم کند. پیش از آن، یکی از روشهای اصلی سنسنجی جهان بر اندازهگیری سرعت انبساط آن استوار بود. ناسا یادآوری میکند که ادوین هابل در سال ۱۹۲۸ با مشاهده انبساط جهان این امکان را مطرح کرد که با دنبال کردن این انبساط به عقب، بتوان به برآوردی از سن جهان رسید. اما برآوردهای اولیه بسیار متفاوت بودند؛ نخستین تخمین هابل حدود ۲ میلیارد سال بود و بعدها حتی دامنهای بین ۸ تا ۱۸ میلیارد سال مطرح شد.
با کشف شتابدار بودن انبساط جهان و وارد شدن مفهوم انرژی تاریک به مدلها، برآورد سن جهان به حدود ۱۳ تا ۱۴ میلیارد سال رسید. حالا کوتولههای سفید مسیری متفاوت برای رسیدن به همین پرسش فراهم میکردند.
اگر قدیمیترین ستارههای مشاهدهشده در M۴ حدود ۱۲ تا ۱۳ میلیارد سال سن داشته باشند، سن آنها با برآورد مستقل دیگری از عمر جهان سازگار است. به همین دلیل، هاروی ریچر، اخترشناس دانشگاه بریتیش کلمبیا و سرپرست این مشاهدات، در گزارش ناسا این روش را راهی برای «سنجاق کردن» (pinning down) سن جهان توصیف کرده است؛ روشی که به اندازهگیری نرخ انبساط جهان وابسته نیست.
از سن یک ستاره تا تاریخ راه شیری
اما کوتولههای سفید فقط برای پاسخ دادن به این پرسش که «چند سالهاند؟» مفید نیستند. ویژگیهای آنها میتواند درباره ستارهای که پیش از تبدیل شدن به کوتوله سفید بوده نیز اطلاعات بدهد. اینجا پای هاله راه شیری به میان میآید؛ ناحیهای گسترده و تقریبا کروی که قرص اصلی کهکشان ما را دربر گرفته است. «جیسون کالیرای»، پژوهشگر مؤسسه علمی تلسکوپ فضایی و دانشگاه جانز هاپکینز، برای بررسی تاریخ این بخش از راه شیری به سراغ کوتولههای سفید رفت.
در مطالعه او، کوتولههای سفید بخش داخلی هاله حدود ۱۱.۵ میلیارد سال سن داشتند. این ستارهها از نخستین نسل ستارگان راه شیری جوانتر بودند. برآوردهای پیشین، که بر پایه بررسی ستارههای عادی هاله انجام شده بود، سنهایی بین ۱۰ تا ۱۴ میلیارد سال ارائه میکرد.
دلیل استفاده از کوتولههای سفید این بود که سن دقیق ستارههای خورشیدمانند، با وجود درخشان بودن آنها، بهسادگی قابل تعیین نیست. کالیرای مسیر دیگری را انتخاب کرد: جرم کوتولههای سفید را اندازه گرفت و از رابطه میان جرم آنها و جرم ستاره اولیهای که کوتوله سفید از آن بهجا مانده بود، درباره سن آن ستاره استنباط کرد.
جرم کوتوله سفید، سرنخی از گذشته ستاره
چرا جرم کوتوله سفید میتواند چنین اطلاعاتی بدهد؟ ستارههای پرجرمتر سوخت هیدروژنی خود را سریعتر مصرف میکنند و در نتیجه زودتر به پایان مرحله اصلی زندگی میرسند؛ بنابراین جرم ستاره اولیه با مدت زمانی که برای رسیدن به مرحله کوتوله سفید نیاز داشته ارتباط دارد.
کالیرای جرم کوتولههای سفید هاله را با شش کوتوله سفید تازهشکلگرفته در خوشه کروی M۴ مقایسه کرد. کوتولههای سفید هاله جرم بیشتری داشتند. این یعنی ستارههای مادری که این کوتولههای سنگینتر از آنها بهجا ماندهاند، خود از ستارههای مادر کوتولههای M۴ پرجرمتر بودهاند و درنتیجه سوخت خود را سریعتر مصرف کردهاند؛ به همین دلیل ستارگان هاله داخلی، جوانتر از ستارگان M۴ هستند.
در اینجا کوتوله سفید به چیزی شبیه یک فسیل کیهانی تبدیل میشود. جرم آن بخشی از اطلاعات مربوط به ستارهای را که زمانی بوده حفظ کرده است و اخترشناس میتواند از این اطلاعات برای بازسازی گذشته آن ستاره استفاده کند.
هاله راه شیری؛ تاریخی که در چند مرحله نوشته شده است
اهمیت این یافته زمانی بیشتر میشود که آن را در مقیاس خود کهکشان ببینیم. مطالعه کالیرای از این دیدگاه حمایت میکند که هاله راه شیری از یک جمعیت کاملا یکدست از ستارهها تشکیل نشده است. بر اساس گزارش سایت Astronomy، بخش داخلی و خارجی هاله از نظر ویژگیهای ستارهای متفاوتاند و اکنون شواهدی از تفاوت سنی آنها نیز به دست آمده است.
برخی خوشههای کروی دوردست در هاله بیرونی ممکن است حدود ۱۳.۵ میلیارد سال عمر داشته باشند؛ یعنی قدیمیتر از ستارگان بخش داخلی هاله که سن آنها در این مطالعه حدود ۱۱.۵ میلیارد سال برآورد شده است.
این تفاوت با تصویری از شکلگیری تدریجی راه شیری سازگار است. بر اساس توضیح این منبع، نخستین خوشههای کروی و کهکشانهای کوتوله شکل گرفتند و طی میلیاردها سال در ساختار امروزی راه شیری نقش داشتند. بعدها نیز برخی کهکشانهای کوتوله قدیمیتر به وسیله راه شیری جذب شدند و ستارههای آنها در بخشهای بیرونی هاله قرار گرفتند.
به این ترتیب، هاله راه شیری را میتوان نه یک ساختار یکباره شکلگرفته، بلکه مجموعهای از جمعیتهای ستارهای با پیشینههای متفاوت در نظر گرفت؛ چیزی شبیه لایههایی که در دورههای مختلف به یک ساختار بزرگتر اضافه شدهاند.
هنوز همه صفحات این پرونده خوانده نشده است
البته این تصویر هنوز کامل نیست. مطالعه کالیرای بر نمونه نسبتا کوچکی از ستارگان تکیه داشت. او پیشنهاد کرده است بررسی حدود ۲۰ تا ۳۰ کوتوله سفید میتواند مشخص کند آیا سن ستارگان هاله داخلی واقعا در محدوده ۱۱ تا ۱۳ میلیارد سال گسترده است یا نه.
اگر چنین پراکندگی سنی در نمونه بزرگتر نیز دیده شود، میتواند نشانهای باشد از اینکه فرایندهایی که در شکلگیری راه شیری نقش داشتهاند، در یک دوره کوتاه و واحد رخ ندادهاند و طی چند میلیارد سال ادامه داشتهاند.
این همان چیزی است که کوتولههای سفید را برای اخترشناسان ارزشمند میکند. آنها فقط بقایای سرد یک ستاره نیستند. دمایشان میتواند سرنخی از زمان سپریشده بدهد، جرمشان میتواند درباره ستاره اولیهای که از آن بهجا ماندهاند اطلاعات فراهم کند و جایگاهشان در هاله راه شیری میتواند بخشی از تاریخ شکلگیری کهکشان را آشکار کند. ستارهها شناسنامه ندارند؛ اما گاهی مرگ آنها، بخشی از شناسنامه زندگیشان را باقی میگذارد.
انتهای پیام/
