چرا اندازه گیری و تعیین سن ستارگان برای دانشمندان بسیار سخت است؟

با توجه به اینکه تلسکوپ های پیشرفته می توانند مرزهای منظومه شمسی را درنوردند و تا دوردست ها را مورد کاوش قرار دهند و دورترین سیارات و سیاه چاله ها و حتی کهکشان های مسن را نشان دهند. پس چرا اندازه گیری و تعیین سن ستارگان برای دانشمندان بسیار سخت است؟ خیلی از افراد تصور می کنند که شناخت عمیق ستاره ها کار آسانی است. اما حقیقت متفاوت از چنین تفکری است. برای کسب اطلاعات بیشتر با دیجیالیک بمانید.

سحابی های پر از غبار و گاز را می توان زادگاه ستارگان دانست. الماس های درخشان و زیبایی که در ابتدا از فروپاشی یک ابر درون سحابی شروع زندگی آنها اتفاق میفتد و زمانی که از خود شروع به تولید انرژی کنند می توان آنها را واقعا یک ستاره نامید. اما تا قبل از آن، فقط یک پیش ستاره ی پر از تشعشعات حاصل از همجوشی هسته های هیدروژنی به هلیوم بوده اند.

با وجود پیشرفت سریع فناوری تلسکوپ های فضاییِ پیشرفته ای که در سال های اخیر توسعه یافته اند آگاهی از پیچیدگی های کیهان و کشف ناشناخته های فضا در حال حاضر بیشتر از همیشه امکان پذیر بوده است. تا جایی که هزاران ستاره نه تنها در منظومه شمسی بلکه خارج از آن در فواصل نجومی کشف و مشاهده شده اند. ستاره شناسان در این زمینه اطلاعات خوبی دارند و می توانند بگویند یک ستاره چه اندازه ای دارد و از چه چیزی تشکیل شده است. حتی میزان درخشش و ویژگی های دیگری از آن را هم می توانند بفهمند.

چیزی که مسلم است این است که اندازه گیری سن هر ستاره یا سیاره ای به دانشمندان در دانستن زمان شکل گیری و تغییرات آن ستاره کمک می کند. اما متاسفانه این کار بسیار دشوار است. ستاره ای مثل خورشید می تواند برای میلیاردها سال روشنایی، اندازه و دمایش را به صورت یکسان حفظ کند. تعیین سن یک ستاره همانند تعیین سن شخصی است که از کودکی تا دوره بازنشستگی یک شکل داشته است. یعنی کودکی و پیری او شبیه به هم هستند.

خوشبختانه روشنایی و رنگ ستارگان با گذشت زمان تا حدودی تغییر می کند. ستاره شناسان با اندازه گیری دقیق و مقایسه آنها با محاسبات پیشرفته ی مدل های ریاضی می توانند بزرگتر شدن ستارگان را پیش بینی کرده و سن ستارگان را به این روش تخمین می زنند. اما باز هم این روش به اندازه مورد نظر دقیق نیست. ستارگان علیرغم درخششی که دارند دارای چرخش هستند. این در حالیست که با گذشت زمان سرعت چرخش آنان کم می شود. همانند کند شدن سرعت چرخش در مقابله با اصطکاک.

اخترشناسان ستارگان را در دوره های مختلف حیات بررسی می کنند. آنها با مقایسه سرعت چرخش یک ستاره در سنین مختلف موفق شده اند که یک سری روابط ریاضیِ خاص برای برهه های مختلف سنی آن ایجاد کنند. روش مذکور که کمک زیادی در این مورد به دانشمندان کرده است به روش “ژیروکرونولوژی” معروف است. در مجموع راه های زیادی برای کمک به تخمین سن ستارگان وجود دارد مثل کاهش فعالیت مغناطیسی ستاره و تعدادی دیگر از روش های جدید.

در بین اخترشناسان اعتقاد بر این است که ستارگان در برخی از خوشه های مختلف، حدوداً در یک زمان به وجود آمده اند. این مسئله بیانگر تخمین سنیِ برابر در بین ستارگان منفردِ متعلق به چنین خوشه هایی است. همچنین در اتمسفر برخی از ستارگان، رادیو نوکلئیدهایی مثل اورانیوم و فلزات سنگین موجود در سنگ و خاک، شناسایی شده است که باعث می شوند به وسیله آنها بتوان روش های دیگری را برای تخمین سن آنها استفاده کرد.

چرا اندازه گیری و تعیین سن ستارگان برای دانشمندان بسیار سخت است؟

با دانستن تمام این مسائل و ضمن در نظر گرفتن همه جوانب باز هم پاسخ به این سوال که یک ستاره چند سال سن دارد برای دانشمندان یکی از چالش برانگیزترین کارهاست. این در حالیست که چرخه ی اولیه حیات ستارگان کاملا کشف شده و قابل درک است. آنها در نیمه اولیه زندگیشان یک فاز پرجنب و جوش و درخشان دارند. چرا که ستارگان جوان معمولا در حال جمع آوری مواد هستند. به همین دلیل است که جریان های گازی را که از این فعالیت ها به وجود می آورند از درون خود خارج می کنند.

راه های کمک کننده به داشمندان برای تعیین سن ستارگان

1. مقدار جریان های گازی خارج شده

تا زمانی که این گازها دیده می شوند می توان فهمید که جرم ستارگان در حال زیاد شدن است. این در حالیست که با افزایش سن یک ستاره جریان های خروجی هم رفته رفته از بین می روند. در نتیجه ستاره شناسان برای فهمیدن و تخمین زدن سن یک ستاره، مقدار گازی که از آن خارج شده است را در نظر می گیرند. بنابراین هر چه گاز بیشتری موجود باشد می توانند بفهمند که ستاره ی مورد نظر جوانتر است.

ستارگان در نیمه دوم حیات، یعنی پس از رسیدن به بزرگسالی رفتار منطقی و متعادل تری همچون ستاره خورشید از خود نشان می دهند. آنها قبل از فروپاشی و مرگ، پُف کرده و تاریک و سرد می شوند. در این میان دوره ی بلوغ یک ستاره بسیار طولانی می باشد که اتفاقاً سخت ترین زمان تشخیص سن آن در همین مدت است. یعنی میانسالی.

آنها معمولا در این برهه علاقه ی زیادی به رفتار پایدار از خود نشان می دهند. به همین دلیل است که دانشمندان تفاوت های آشکاری میان ستاره های جوان و میانسال پیدا نمی کنند. مثلا یک ستاره 1 میلیارد ساله با یک ستاره 10 میلیارد ساله یا کهنسال تر به عقیده آنها اختلاف جدی چندانی ندارند. تنها چیزی که ستاره شناسان در آن اتفاق نظر دارند این است که هر چه یک ستاره جرم بیشتری داشته باشد عمر کوتاه تری خواهد داشت و دلیل آن این است که چنین ستاره ای تمایل بیشتری برای سوختن در مواد خود دارد.

با اینکه ستاره شناسان از طریق چنین مواردی می توانند سن یک ستاره را تخمین بزنند اما باز هم دچار خطا شده و با اعداد خیلی درستی مواجه نمی شوند. برای مثال در سال 2013 برای مشخص کردن سن ستاره Methuselah از تلسکوپ هابل استفاده کردند. آنها یا توجه به روشنایی و فاصله 190 سال نوریِ این ستاره عمر آن را 14.5 میلیارد سال پیش تخمین زدند. در نتیجه با توجه به بیشتر بودن سن آن از کیهان متوجه وجود خطاهایی در تخمین سن شدند و در نهایت با در نظر گرفتن مسائل مربوط به تکامل ستاره ها سن جدید آن را 12 میلیارد سال اعلام کردند.

با اینکه روشنایی و درخشندگی یک ستاره ویژگی مهمی برای محاسبه سن آن می باشد اما همچنان مشاهده یک ستاره معین در آسمان و پی بردن به سن آن یک چالش دشوار است اما ستاره شناسان برای حل این مشکل یک ایده و برنامه خاص دارند که در ادامه به شرح آن می پردازیم.

2. در نظر گرفتن جرم و سرعت چرخش

یکی از مهمترین راه ها برای تعیین سن یک ستاره پی بردن به سرعت چرخش آن است. هنگامی که ستاره ای متولد می شود سرعت چرخش بسیار بالایی دارد با این حال رفته رفته سرعت آن کاهش میابد. دلیل این مسئله پدیده ای به نام “ترمز مغناطیسی” می باشد. بر طبق این پدیده ستارگان با چرخش سریع، ذرات بارداری به نام بادهای ستاره ای را تولید و منتشر می کنند که این بادها در تعامل با میدان مغناطیسی باعث می شوند که ستاره، چرخش خود را آهسته تر کند و در این حالت، اثر ترمز مغناطیسی به وجود می آید.

میدان مغناطیسی قوی ترِ ستاره تاثیر بیشتری بر ترمز مغناطیسی دارد. هر چه ستاره ی مورد نظر میدان مغناطیسی قوی تری داشته باشد سرعت آن زودتر کاهش میابد. با این حال به مرور زمان ستارگان تمایل به پیروی از یک تکامل مشابه دارند. طبق این مسئله تا زمانی که یک ستاره یک میلیارد ساله شود سرعت آن با سایر ستارگانی که جرم و سن مشابه دارند تقریبا برابر است. این یعنی اینکه اگر دانشمندان بتوانند سرعت چرخش و جرم ستارگان را محاسبه کنند می توانند سن آنها را تخمین بزنند.

3. استفاده از هوش مصنوعی و متغیرهای لازم

احتمالا برای شما هم سوال پیش می آید که سرعت چرخش را از کجا می توانند اندازه گیری کنند؟ در پاسخ باید بگوییم از روی مشاهده های لکه های ستاره ای. آنها برای فهمیدن سرعت چرخش یک ستاره به قسمت هایی از ستاره ی مورد نظر که نواحی سردتر یک ستاره می باشند دقت می کنند. چرا که این نواحی روشنایی کمتری نسبت به سایر قسمت ها دارند. این نواحی را لکه های ستاره ای مینامند. درست مثل لکه های خورشیدی که به آنها نگاه می کنند.

دکتر «زاکاری کلیتور» از دانشگاه فلوریدا برای فهمیدن زمان چرخش یک ستاره، مشغول کار بر روی برنامه ایست که بتواند از طریق قابلیت های هوش مصنوعی به این زمان پی ببرد. بدین منظور او و گروه خود ابتدا باید یک شبکه ی عصبی را بر روی داده های شبیه سازی شده آموزش بدهند تا از طریق این شبیه سازی هوشمند بتوانند داده های واقعی را در آینده تجزیه و تحلیل کنند.

طبق گفته های کلیتور، آنها باید متغیرهایی را مثل سرعت چرخش ستاره، تعداد لکه ها و طول عمر لکه ها را در برنامه اضافه کرده و آنها را تنظیم کنند. سپس از این طریق، نحوه ظهور لکه ها (اینکه چطور لکه ها در حین چرخش ستاره پدیدار می شوند)، تکامل یافتن و فروپاشی آنها را محاسبه می کنند و تکامل نقطه مورد نظر را به منحنی نور تبدیل می کنند. به این ترتیب می توانند این موارد مهم را از راه دور اندازه گیری کنند.

4. استفاده از تلسکوپ نانسی گریس رومن (Nancy Grace Roman)

دانشمندان برای اندازه گیری و محاسبه چرخش واقعی ستارگان، به یک ابزار دقیق و قدرتمند نیاز دارند. تلسکوپ نانسی گریس رومن، معروف به تلسکوپ Roman همان ابزاری است که برای این کار احتیاج دارند. طبق اطلاعات به دست آمده، ستاره شناسان قرار است این تلسکوپ پیشرفته و قدرتمند را تا سال 2027 به فضا پرتاب کنند. رومن با نوعی محاسبه ی پیشرفته می تواند کار خود را ابتدا با بررسی فضا آغاز کند.

این تلسکوپ در یک بررسی گسترده قادر است که میلیون ها ستاره را مشاهده و در نظر گرفته و سپس از زاویه ای دیگر به برآمدگی مرکز کهکشان ما نگاه خواهد کرد. یعنی همان قسمتی که مملوء از ستاره است. هدف او از مشاهده مرکز کهکشان، یافتن ستارگانی خواهد بود که تغییرات روشنایی در آنها دیده می شود. چرا که این تغییرات می تواند موارد زیادی را پیرامون مسائل مربوط به چرخش توضیح دهد. مواردی از جمله حضور یک سیاره ی فراخورشیدی یا یک نقطه ی ستاره ای که می توانند بسیار مهم باشند.

بنابراین با توجه به یافته های کلیتور و رومن می توان امید زیادی در این زمینه داشت. دانشمندان امیدوارند با استفاده از داده های رومن و ترکیب آن با مدل های هوش مصنوعی مثل مدلی که کلیتور بر روی آن کار می کند بتوانند به داده های مهمی درباره چرخش ستارگان در مقیاسی عظیم دست پیدا کنند.

در مجموع این مسئله بسیار مهم است که هر پژوهش و آزمایشی درباره عمر و چرخش ستارگان تا حد زیادی می تواند به اطلاعات رومن برای بدست آوردن داده های دقیق اتکا کند. بنابراین با آزمایش استراتژی های مختلف باید ابتدا دانست که چه چیزهایی مهم هستند و چه چیزهایی می توان از دل آزمایش های رومن بیرون کشید. لذا افق روشنی در پیش روی این مسئله دیده می شود.

در این باره یکی از دانشمندان دانشگاه فلوریدا به نام «جیمی تایار» که مشغول کار بر روی منحنی های نور و در نتیجه به دست آوردن سرعت چرخش است می گوید ما از قبل برنامه هایی را تدارک دیده ایم که با توجه به ابزارهای در دسترسمان اگر داده های واقعی توسط این ابزارها به دست آورده شوند، می توانیم آنها را با رومن تطبیق داده و به نتایج دقیقی دست پیدا کنیم.

یک نکته جذاب درباره ارتباط سن ستارگان با سیاره ی میزبانشان وجود دارد. اخترشناسان معتقدند که سن سیارات، تقریباً برابر با سن ستارگان میزبانشان است. بنابراین پیشرفت در دستیابیِ هر چه دقیق تر به سن یک ستاره به مشخص شدن سن یک سیاره هم کمک می کند. بنابراین با مطالعه و یافتن سرنخ های ارزشمند درباره سن ستاره و سیاره ها و تعیین سنِ تنها یکی از آنها می توان امیدوار بود که دانشمندان بتوانند به سن دقیق ستاره مورد نظر نزدیک تر شوند.

جمع بندی

کلام آخر این است که با در نظر گرفتن عدم قطعیت، چه در مشاهدات و چه در فیزیک نظری همواره احتمال خطای بین 15 تا 20 درصد در زمان تعیین سن ستارگان وجود داشته است. به گفته ی اخترشناسان ستارگانی که در حدود 90 درصد خورشید جرم دارند همین حالا در خوشه های کروی در حال مردن هستند. این مسئله حاکی از این است که در برخی از موارد با سنین بیشتر از سن جهان طرف هستیم. در حالیکه با توجه به عمر جهان و خطای احتمالی در محاسبات، حدس زده می شود که سن چنین ستاره ای تا 20 درصد کمتر از عمر کیهان باشد.

این شک و شبهات باعث شده است که داده های هابل هم نتواند اخترشناسان را به پاسخ های قطعی برساند. بنابراین با موارد گفته شده از مطالعات و پژوهش های دانشمندان که پیش تر به آنها اشاره کردیم و با اتکا به هوش مصنوعی و داده هایی که قرار است از جانب تلسکوپ رومن دریافت شود باید به تعیین دقیق سن ستارگان، چه در خوشه ها و چه به صورت منفرد بسیار امیدوار باشیم. این پاسخ های دقیق می تواند به تعیین سن دقیق تر سیارات و کائنات هم کمک بسیاری کند. از اینکه با دیجیالیک همراه بودید سپاسگذاریم.