سرشت علم(۴۳): نمونه ی کاربردی – ارزیابی زندگی‌ ستارگان بزرگ

جمعه, ۱۶ام فروردین, ۱۳۹۸
اندازه قلم متن

 

دکتر ریموند رخشانی

مقاله و فایل صوتی چهل و سوم

با سلام، من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ هاست، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌ های نوین می‌‌ باشد.
در این سلسله از مقالات و فایل‌ های صوتی، کوشش می کنم که علم مدرن را (به زبان فارسی) از پایه به دوستانی که علاقمند هستند، در حد توان، ارائه کنم. از اساتید، پژوهشگران و اندیشمندان عزیز، خواهشمندم که لینک‌ ها را به دوستان و بویژه به جوانان دانش پژوه ما (که اغلب دسترسی نظام مند برای آشنایی با علم مدرن – به زبان فارسی – ندارند) ارسال فرمایند.

لینک همه مقالات و فایل‌های صوتی پیشین در پایان مقاله گذاشته شده است.

دوستانی هم که در شبکه‌ های اجتماعی حضور دارند، می توانند این مجموعه فایل‌ های صوتی و مقالات “سرشت علم” را از ابتدا از طریق لینک تلگرام زیر با دوستان دیگر شریک شوند. با احترام، ر. رخشانی

https://t.me/natureofscience

نمونه­ی کاربردی[۱] – ارزیابی زندگی‌ ستارگان بزرگ

با اینکه نگاهِ ما به آسمان در شب‌ ها بظاهر تَصویری تغییرناپذیر و لایتناهی از گیتی می ‌‌دهد[۲]، اما چُنین تصویری فریب ­دهَنده است[۳]. دَر واقع ستارگان متولد می‌‌ شوند، زندگی ­ای طولانی را سپری می‌‌ کنند و می‌‌ میرند[۴] و چرخه ­ی زندگی‌ آنها در بیشترِ موارد از چرخه­ ی زندگی‌ آدمی‌ قابل­ پیش ­بینی ‌­تر است.[۵]

  • تصورِ ما از ستارگان این شبهه را ایجاد می ‌‌کند که گویا آنها سال از پس سال (یا حتی قرن از پس قرن) روشنایی، رنگ و مکانی ثابت دارند.
  • اما در واقعیت ستارگان در فضا در حرکت هستند، ولیکن ردیابیِ گردشِ آنها بدلیل فاصله­ ی بی­ نهایت دورِ آنها (نزدیک‌ ترین ‌شان ۴۰ تریلیارد کیلومتر از ما دور هستند) بدونِ ابزار‌های پیچیده ­ی نجومی (در طول زندگیِ‌ انسان) میسر نیست.[۶]
  • روشنایی آنها از طریق انرژی­ ای که به بیرون می ‌‌دهند و از فاصله‌ شان از زمین تعیین می ‌‌شود.
  • اگر آن ستاره در پایداری و ثبات باشد، هم انرژی بیرون ­داده­ ی آن و هم فاصله ­اش تا زمین در طول میانگینِ زندگی‌ آدمی‌ حدود ۰.۱ درصد تغییر می‌‌ کند.
  • همچنین اگر ستاره ­ای در توازن باشد[۷]، رنگِ آن ثابت مانده و بر اساس آن دما یا درجه­ ی حرارتِ سطح آن معین می ‌‌شود.

اما گاهی ستارگانی که در توازن نیستند تغییراتی را نشان می ‌‌دهند.

  • برخی‌ ستارگان طوفان‌ هایی‌ مغناطیسی دارند[۸] که شراره‌ ها یا افروختگی ­شان موقتاً آنها را روشن ­تر می ‌‌کند[۹].
  • بعضی‌ دیگر هم تپش‌ ها یا نبضان‌ های مرتبی[۱۰]  دارند که رنگ و روشنایی‌ شان را تغییر می ‌‌دهد[۱۱].
  • در برخی‌ موارد هم بناگهان ستارگانی پرنور پدیدار می ‌‌شوند (که دلیلِ ناپایداری آنهاست) که روشناییِ آنها موقتاً در حدودِ میلیون‌ ها برابر افزایش یافته ­است.
  • هم بظاهر تغییرناپذیربودنِ ستارگان و هم تغییرپذیری­ شان شواهدِ بسیاری را در اختیار دانشمندان برای مطالعه­ ی سیرِ تکاملِ ستارگان فراهم آورده­ است[۱۲].

زندگی‌ ستارگان بقدری (در مقایسه با عمرِ آدمی‌) طولانی است که طرحِ تکاملی  آن ­ها می ‌‌باید با مطالعه ­ی ستارگانی بی­ شمار در فاز‌های متفاوتِ تکاملیِ هریک انجام پذیرد.

  • این کار با بکارگیریِ روش‌ هایِ علمی‌ و ابزار‌هایِ فنی و با جمع­ آوریِ آمارگیری ستاره­ ای برخی‌ شاخصه‌ ها انجام گرفته است. (پی­نوشت ح)
  • دانشمندان برای میلیون‌ ها ستاره، دما یا درجه ­ی حرارت، میزان درخشندگی یا روشنایی، شعاع هریک، جرمِ آنها، فاصله ‌شان تا زمین و ترکیبِ شیمیایی[۱۳]‌  آنها را جمع ­آوری کرده­ اند.
  • از آن گذشته دانشمندان با استفاده از ابزار‌های فنی‌ و علمی‌ مدرن و شیوه‌ های نوین پژوهش آمارگیری اختری یا ستاره­ ای[۱۴]، اطلاعاتِ خوشه‌ ها یا مجموعه­ ی ستارگان را نیز در ارتباطِ بایکدیگر موردِ مطالعه قرار داده ­اند.

همانطور که قبلا نیز اشاره شد یکی‌ از سودمند‌ترین نمودارها دیاگرامی است که دما یا درجه­ ی حرارتِ ستارگان را در برابرِ میزانِ روشناییِ ستارگان ترسیم کرده است و به نمودارِ هرتزسشپرونگ راسل معروف است[۱۵]. (نگاه کنید به پی­ نوشت ه)

  • این نمودار کلیدی برای راهیابی به سیرِ تکاملی ستارگان بوده­ است.
  • برای درجه­ ی حرارت‌ هایی‌ بین ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰ درجه­ ی کلوین بیش از ۹۰ درصدِ ستارگان میزانِ روشنایی­ ای دارند که به نحوی سیستماتیک در رابطه­ ای مستقیم با دما یا درجه­ ی حرارت سطح آنها افزایش می‌‌ یابد.
  • در آن راستا ستارگانی هستند که میزان روشنایی آنها از ۰.۱ درصدِ میزانِ روشنایی خورشید شروع شده و (در مورد ستارگانی داغ­ تر) تا یک میلیون برابر روشنایی خورشید را دارند.
  • رشته یا ردیفِ اصلی آن نمودار همچنین شاملِ ستارگانی است که جرم‌ شان نیز به نحوی سیستماتیک افزایش می‌‌یابد: از ۸ درصدِ جرم خورشید (در موردِ ستارگانِ خنک­ تر در ۳۰۰۰ درجه­ ی کلوین) تا ۸۰ برابر جرمِ خورشید (در موردِ ستارگانی با درجه­ ی حرارت ۵۰۰۰۰ کلوین.)
  • با استفاده از ابزار‌های مدرن دانشمندان استنباط کرده ­اند که ردیفِ اصلی‌ نمودارِ هرتزسشپرونگ راسل ترتیبِ عمرِ ستارگان را هم آشکار می‌‌ کند: از ۳ میلیون سال در موردِ ستارگانی با جرم و حرارتی بالاتر تا بیش از میلیاردها سال در موردِ ستارگانی با جرم و درجه­ ی حرارتی پایین­ تر.
  • البته برخی‌ از ستارگان هم بر رویِ رشته یا ردیفِ اصلی‌ نمودار نمی‌‌ گنجند اما نمایشگرِ فاز‌های فرگشتی یا تکاملیِ[۱۶]  متفاوتِ ستارگان هستند.

با بکارگیری نمودار هرتزسشپرونگ راسل مسیرِ تکاملیِ هستیِ‌ هر سیاره­ ای از ترتیبِ مکانی آن بر رویِ آن نمودار ارزیابی می‌‌شود.

  • دانشمندان بر آن باورند که ستارگان زندگیِ‌ خود را چون توده­ ی انبوهِ سرد و بزرگی‌ (سحاب یا میغ ­واره) در حالِ رُمبِش یا سقوط[۱۷] (که در گوشه­ ی راستِ بالایی‌ نمودارِ هرتزسشپرونگ راسل نشان داده می‌‌ شوند) آغاز می‌‌ کنند[۱۸].
  • با رُمبِش یا سقوطِ گردوغبار‌ها بسویِ درون خود و چگال  یا متراکم­ شدن ­شان[۱۹] مرکزِ آنها آنچنان داغ و متراکم می ‌‌شود که بوجودآورنده­ ی واکنش‌ های هسته­ ای هستند.
  • چنین واکنش­ هایی‌ مکانِ ستارگان را بسویِ ردیفِ اصلیِ‌ نمودار  می ‌‌راند.
  • پس از اینکه در آن واکنش­ ها هسته­ ی­مرکزی تقریبا از هیدروژن تهی می ‌‌شود واکنش ‌های مرکزی بازمی ‌‌ایستند.
  • در نتیجه، انرژی برون­ گرا (که بدلیل واکنش‌ های هسته­ ای مرکزِ ستاره بود) متوقف ­شده، بخاطر گرانش یا جاذبه­ ی درون­ گرا ستاره بسوی درونِ خود شروع به رُمبِش یا سقوط کرده، داغ­ تر و متراکم­ تر می‌‌ شود.
  • لایه‌ های بیرونیِ ستاره (که دیگر گیرنده ­ی انرژیِ درون ­گرا نیستند) شروع به خنک ­ترشدن کرده، از نظر حجمی انبساط پیدا می‌‌ کنند و مکان ستاره­ ها بسوی دست راست و بالایِ نمودار در تغییر است.
  • با داغ ­ترشدنِ مرکز ستاره تبدیلِ هلیوم به کربن آغاز می ‌‌شود و انرژیِ برون­ گرا دیگربار شروع­ شده و ستاره را بسویِ توازن[۲۰]  سوق می‌‌ دهد.
  • این فازِ هستیِ‌ ستاره ­ای، که فازِ غول ‌هایِ سرخ نامیده شده ­اند، ادامه می‌‌ یابد تا زمانی‌ که مغزه یا مرکز آن ستاره­ ها کاملا به کربن خالص تبدیل می ‌‌شود.

همانطور که قبلا نیز اشاره شد، جرم یکی‌ از پارامتر‌ها یا پراسنجه‌ هایِ کلیدی[۲۱]  هر ستاره­ ای برای معیّن­ کردن جایگاهِ آن بر رشته یا ردیفِ اصلیِ‌ نمودار و همچنین برای تشخیصِ عناصری است که می ‌‌تواند در آن فاز تولید کند و نتیجتاً سرنوشت آن ستاره را معیّن­ می‌‌ کند.

  • برای نمونه اشاره شد که خورشید نخست هیدروژنِ مرکزیِ خود و سپس هیدروژنِ پوسته­ ی بیرونی خود و بعد هلیومِ مرکزی را و سپس هلیومِ لایه‌ های بیرونی خود را خواهد سوزاند.
  • هسته یا مغزه یا مرکزِ درونیِ[۲۲]‌  خورشید در این فرآیند به اندازه­ ی کره­ ی زمین (یعنی‌ ۱ درصد اندازه ­ی فعلی) کوچک خواهد شد.
  • نتیجتاً آتمسفرِ آن نزدیک به ۲۰۰ برابر گسترش یافته و زمین تقریبا در نزدیکیِ‌ آتمسفر خورشید (با درجه ­ی حرارتی بالا) قرار خواهد گرفت.
  • در فاز‌های نهایی‌ ناپایدار و بی­ ثباتِ سوزاندن هلیوم در پوسته­ ی خود لایه‌ هایِ بیرونی خورشید بادکرده [۲۳] و ۴۰ درصدِ جرمِ خود را از دست می ‌‌دهد.
  • برخی‌ از مواد، هلیوم و کربنی هستند که در هسته یا مغزه یا مرکزِ کره پخته می‌‌ شوند و ماده‌ های بیرون ­رانده ­شده[۲۴] به توده‌ هایِ ابرگونه­ ای که نسل‌ های بعدی ستارگان را بوجود خواهند آورد می‌‌ پیوندند.
  • هسته ­ی ­مرکزی ­ای (که به اندازه­ ی کره ­ی زمین کوچک شده) کره­ ای داغ در حدودی بیش از ۱۰۰۰۰۰ درجه­ ی کلوین خواهد بود که هیچ امکانِ تولیدِ انرژی نخواهد داشت و تبدیل به سیاره ­ای کوچک شده و به جرگه­ ی ستارگانی می‌‌ پیوندد که دانشمندان کوتوله‌ هایِ سفید می ‌‌نامند.

همه­ ی ستارگانی که جرمِ اولیه یا نخستینی[۲۵]  کمتر از ۸ برابرِ جرمِ خورشید (MSun)دارند در نهایت تبدیل به کوتوله­ ی سفید  می ‌‌شوند.

  • اگرچه ستارگانی با جرمی بیش از جرمِ خورشید این امکان را دارند که چندین چرخه­ ی درون ­سوزی[۲۶] داشته باشند و نتیجتاً می ‌‌توانند عناصرِ بی ­شماری را تولید کنند.
  • ستارگانِ بزرگ­ ترِ این طیف اغلب به کوتوله‌ های سفیدی با ترکیباتی از عناصرِ اکسیژن، نئون و منگنز تبدیل شده­ اند، اگرچه عناصر دیگری را هم در آن فرآیند تولید کرده و به انبوه ابر‌ها و گردوغبار‌ها افزوده­ اند.
  • بزرگ ­ترین جرمِ ممکن برای یک کوتوله­ ی سفید ۱.۴ برابر جرمِ خورشید است و نتیجتاً آنها می‌‌توانند ۸۰ درصدِ جرم خود را در آن فرآیند از دست ­داده باشند.

ستارگانی با جرمی بیش از ۸ برابر جرم خورشید (MSun) سرنوشتی بسیار دراماتیک ­تر دارند.

  • این طیفِ ستارگان با آنکه منبعِ سوخت[۲۷] بزرگ­ تری دارند، آن سوخت را بسیار سریع­ تر استفاده کرده زندگیِ‌ کوتاه­ تری دارند.
  • جرم بالاتر آنها نیز فشار و دما یا درجه­ ی حرارت بیشتری را در هسته یا مغزه یا مرکزِ خود تولید می ‌‌کند و به درهم ­گدازیِ عناصری تا عنصرِ آهن ۲۶  منجر می‌‌ شود که همانطور که پیش ­تر اشاره کردم پایدار‌ترین ساختار هسته ­ای  را در عناصر داراست.
  • وقتی‌ هم که آن ستاره تلاش به تولیدِ عناصرِ شماره ­ی ۲۷ (کوبالت) و ۲۸ (نیکل) می‌‌ کند، بجای رهاکردن انرژی، انرژی را جذب ­کرده و مغزه یا مرکز آن ستاره به نحوی ناگهانی می ­رمبد یا سقوط می ‌‌کند[۲۸].
  • چنین انرژی ­ای، آن ستاره را از هم می ‌‌پاشاند و عناصر شماره­ ی ۱ تا شماره­ ی ۲۶ را به فضای بین­ ستاره ­ای[۲۹] پراکنده می‌‌کند و همچنین بدلیلِ انرژیِ انفجاری[۳۰] موجبِ هم ­نهشتی[۳۱]  عناصر شماره ­ی ۲۷ (کوبالت) تا شماره ­ی ۹۴ (پلوتونیوم) نیز می ‌‌شود.
  • هسته یا مغزه یا مرکزِ رُمبیده یا سقوط­ کرده، الکترون‌ ها را به پروتون ‌ها می‌‌ کوبد و نوترون ساخته و ستاره‌ های نوترونی زاییده می ‌‌شوند.
  • وفورِ نسبی[۳۲]‌ عناصر در کهکشان‌ ها در نتیجه­ ی فرآیندی اینچنینی و در نتیجه­ ی چنین الگویی است که از تحولِ ستارگانی (از نظرِ جرمی) ۸ برابر سنگین ­تر از جرم خورشید بوجود می ‌‌آیند.

سفرِ علمی‌ ما با بکارگیریِ روش‌ هایِ علمی‌ و ابزار‌هایِ فنی تا کنون بخش عمده ­ای از شناختِ ما را از فرآیند هم­ نِهشتیِ هسته ­ای­ستاره­ ای[۳۳] شکل داده است[۳۴] و نتیجتاً ما امروز آشنایی بیشتری با منشأ بخش‌ های اتمیِ‌ تشکیل دهنده­ ی کهکشان­ مان یعنی‌ کهکشانِ راهِ شیری داریم[۳۵].

  • کهن‌ترین ستارگان در کهکشان راهِ شیری[۳۶] چیزی در حدود یک ده­ هزارم عناصرِ سنگینی‌ را که در خورشید موجود هستند دارند و ستارگانی هم که امروزه متولد می ‌‌شوند بدلیل آفرینش اتم‌ های جدید در ستارگان ۲ تا ۳ برابر در میزان مواد غنی ­تر هستند[۳۷].
  • پرسش اساسی‌ برای دانشمندان این است که اتم‌ های اولیه یا ازلیِ هیدروژن و هلیوم از کجا آمدند تا موادِ اولیه، ابتدایی‌ یا ازلی[۳۸] کهکشان‌ ها را شکل دهند[۳۹].
  • برای پاسخ گویی به چنین پرسشی علمِ مدرن در تلاش بوده است تا خود را از محدودیت‌ های کهکشانی[۴۰] رها سازد و فراسویِ آن برود که این خود مستلزمِ بازنگری به مفاهیمِ فضا و زمان بوده است که پسان ­تر باز هم بدان خواهم پرداخت.

_____________________________ 

[۱]

همانگونه که در دیباچه ی کتاب زیر آمد، در میان بخش‌ های به هم مرتبط این کتاب، یاداشت‌ ها و نوشته‌ هایی‌ با عنوان­ های “نمونه‌ های کاربردی” قرارگرفته ­اند که در بیشتر موارد به جنبه‌ های اجرایی و به سرمشق‌ های پیاده ­سازی و به نمونه‌ های کاربردی موضوع ‌های علمی‌ می‌‌ پردازند.

[۲]

Freedman, Roger and Geller, Robert, and Kaufmann, William, J. Universe: Stars and Galaxies. W. H. Freeman, 2015.

[۳]

Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.

[۴]

Brush, Stephen, G. A History of Modern Planetary Physics: Volume 1, The Origin of the Solar System and the Core of the Earth from LaPlace to Jeffreys: Nebulous Earth. Cambridge University Press, 2009.

[۵]

Bennett, J.O. and Donahue, M. and Schneider, N. And Voit, M. The Essential Cosmic Perspective. 5th Edition. Upper Saddle River, NJ: Addison-Wesley, 2009.

[۶]

برای دریافت نیاز‌های ابزاری و شناخت ابعاد و مقیاس ‌هایی‌ که بدان‌ ها پرداخته شده، نگاه کنید به:

http://htwins.net

[۷]

منظور توازن بین نیروی جاذبه­ ی درون­ گرا و فشار گرمایی برون ­گرای ستاره است.

[۸]

Gonzalez, Walter, and Burch, James, L. Key Processes in Solar- Terrestrial Physics. Springer, 2012.

[۹]

Flares of the magnetic storms

[۱۰]

regular pulsation

[۱۱]

Catelan, Marcio, and Smith, Horace, A. Pulsating Stars. Wiley-VCH, 2015.

[۱۲]

Stevenson, David. The Complex Lives of Star Clusters (Astronomers’ Universe.) Springer, 2015.

[۱۳]

chemical composition

[۱۴]

stellar statistics

[۱۵]

Dufay, Jean, and Gingerich, Owen. Introduction to Astrophysics: The Stars. Dover Publication, 2012.

[۱۶]

evolutionary phases

[۱۷]

cool collapsing clouds

[۱۸]

Pankaj, Joshi, S. The Story of Collapsing Stars: Black Holes, Naked Singularities, and the Cosmic Play of Quantum Gravity. Oxford University Press, 2015.

[۱۹]

dense

[۲۰]

equilibrium

[۲۱]

key parameters

[۲۲]

Core

[۲۳]

puffed off

[۲۴]

ejected material

[۲۵]

initial mass

[۲۶]

multiple core-burning cycles

[۲۷]

fuel source

[۲۸]

collapse

[۲۹]

interstellar space

[۳۰]

Stevenson, David. Extreme Explosions: Supernovae, Hypernovae, Magnetars and other Unusual Cosmic Blasts (Astronomers’ Universe.) Springer, 2013.

[۳۱]

synthesis

[۳۲]

relative abundance

[۳۳]

stellar nucleosynthesis

[۳۴]

Jordi, Jose. Stellar Explosions: Hydrodynamics and Nucleosynthesis (Series in Astronomy and Astrophysics.) CRC Press, 2015.

[۳۵]

Russel, Henry Norris. The Solar System and Its Origin. Nabu Press, 2011.

[۳۶]

Aguilar, David, A. The Seven Wonders of the Milky Way. Vikings Books for Young Readers, 2018.

[۳۷]

Frebel, Anna. Searching for the Oldest Stars: Ancient Relics from the Early Universe. Princeton University Press, 2015.

[۳۸]

primordial material

[۳۹]

Sanchez, Norma, G. Zichichi, Antonio. Current Topics in Astro-fundamental Physics: Primordial Cosmology (NATO Science Series.) Springer, 2012.

[۴۰]

galactic confines


 

«مسکن و اقامت و پندار»

برای همه پناهجویان بی‌مسکن این روزگار

 >مسکنی می سازیم، ساکن می شویم، می اندیشیم <هایدگر

سکونی باید

و اِقامتی

تا بیاندیشد، پِندار کند.

افتادن بدین خاک

اِسکان را گلشنی نبود

و روزمره­گی

سکون­اش را گلخنی کرد

بی هیچ آرامشی.

در مَامِنِ بی­پَناهِ خورشید،

در پیِ گلریزِ آتش­بازِ سکون و اقامت،

به غربتی وَهم­اَنگیز

به اندوهِ خویش می­اندیشد

بی­خبر از خانه و کاشانه.

هستی­اش در این خاک

تکرارِ بی­پایانی­ست

بی هیچ پنداری،

و در گردشی بی­فرجام

مسکنِ کوچکِ اقامت­اش

مَکانِ اِسکان موقتِ همین راندگانِ زمین است

که توهمی را

بر گُلشنگهِ آسمان

اندیشه می­کنند!

سکونی شاید

تا آرامشی

و پنداری.

_____________________________

پی­نوشته:

 

نمودارِ هرتزسشپرونگ راسل

__________________________

بخش ۴۲ این نوشته


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.