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

جمعه, 16ام فروردین, 1398

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 (M_Sun)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 (M_Sun) 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. 5^th 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.

dense

equilibrium

key parameters

Core

puffed off

ejected material