9 دقیقه
تصور کنید ستارهای بهقدری محکم پرتاب شود که خود کهکشان راه شیری را ترک کند. در اخترفیزیک، کمتر پدیدهای بهاندازهٔ تبدیل یک ستارهٔ پرجرم به یک تیر کِشکِ آسمانی احساس سینمایی ایجاد میکند.
از نشانههای اولیه تا دقت مدرن
در دههٔ ۱۹۶۰، آدریان بلاو (Adriaan Blaauw) برای نخستینبار جمعیتی از ستارگان را مشاهده کرد که با سرعتهای غیرعادی در کهکشان راه شیری حرکت میکردند. او یک توضیح فیزیکی ساده اما قدرتمند پیشنهاد داد: زمانی که یکی از دو ستارهٔ نزدیک در یک سامانهٔ دوتایی منفجر و اَبَرنو اختر (supernova) میشود، ستارهٔ بازمانده میتواند مانند ترکش پرتاب شود. ساده و زیبا.
اما طبیعت بهندرت مدلهای منظم ما را دقیق دنبال میکند. ناظران بعداً اجرامی بسیار سریعتر — ستارگان هایپرسرعت (هایپروِلوسیتی) واقعی — یافتند که نیازمند بازاندیشی در مورد چگونگی کسب چنین سرعتهای فوقالعادهای هستند. آیا انفجار یک همراه دوتایی برتری دارد؟ یا برخوردهای آشفتهٔ گرانشی در خوشههای ستارهای جوان و متراکم نمایش را میربایند؟
نظرسنجی جدید چه عناصری را بررسی کرد
پاسخ به این پرسش به دو ابزار مدرن نیاز داشت. نخست گایا (Gaia): مأموریت دیرپای اخترسنجی که موقعیتها، حرکتها و ویژگیهای پایهای میلیاردها ستاره را اندازهگیری کرده است. دوم IACOB: پروژهٔ طیفنگاری که برای ثبت «اثر انگشت» ستارگان داغ و پرجرم نوع OB در سراسر کهکشان طراحی شده بود. ترکیب این دو منبع، اطلاعات حرکت و وضعیت فیزیکی را برای یک نمونهٔ بزرگ و یکنواخت فراهم میسازد.
تیمِ هدایتشده توسط محققان اسپانیایی، اخترسنجی گایا را با طیفهای باکیفیت از پایگاهدادهٔ IACOB ترکیب کرد تا ۲۱۴ ستارهٔ نوع O را مورد مطالعه قرار دهد — غولهای نادر، روشن و کوتاهعمر که بازخور (feedback) را در مناطق شکلگیری ستارهای غالب میسازند. اندازهٔ نمونه و کیفیت دادهها این مطالعه را تا کنون گستردهترین بررسی رصدی ستارگان فراری پرجرم در کهکشان ما کرده است.
ستارهٔ داغ و آبی HE 0437-5439 که از مرکز راه شیری بهاندازهای پرتاب شده که توان فرار از میدان گرانشی کهکشان را دارد.
چرخش، دوتاییبودن و نشانههای پرتاب
چرخش اهمیت دارد. ستارهٔ پرجرمی که سریع میچرخد اغلب داستانی از تعامل گذشته را به همراه دارد — انتقال جرم از همراه یا پیامد رقص تعویضشده در یک دوتایی فشرده. بررسی نشان میدهد یک الگوی روشن وجود دارد: بیشتر ستارگان فراری نوع O، چرخش کندی دارند. آنهایی که سریع میچرخند احتمال بیشتری دارد نشانههایی از عضویت در یک سامانهٔ دوتایی که توسط اَبَرنو اختر از هم گسسته شده است نشان دهند. به بیان ساده: چرخش سریع نشاندهندهٔ منشأ انفجاری است.
سرعتها داستان موازیای را روایت میکنند. سریعترین ستارگان نمونه — آنهایی که سرعتشان از چندصد کیلومتر بر ثانیه فراتر میرود و به آستانهای نزدیک میشود که اجازهٔ فرار از کشش راه شیری را میدهد — معمولاً تک هستند. این امر نشان میدهد که آنها توسط برخوردهای گرانشی قوی درون خوشههای متراکم و جوان شتاب گرفتهاند: پرتابهای سهبدنه، گذرهای نزدیک با ستارگان پرجرم، یا تعاملات دینامیکی که میتوانند ستارهای را بدون نیاز به انفجار بیرون برانند.
در میان ۲۱۴ ستارهٔ نوع O، تیم ۱۲ سامانهٔ دوتایی فراری را شناسایی کرد. سه مورد از اینها سامانههای پرتو ایکس هستند که اشیاء فشردهای مانند ستارههای نوترونی یا سیاهچالهها را در خود دارند؛ سه مورد دیگر نیز نامزدهای اصلی میزبانی سیاهچاله بهشمار میآیند. این یافتهها نشان میدهد که هر دو کانال — گسست ناشی از اَبَرنو اختر و پرتاب دینامیکی — فعال هستند، اما اهمیت نسبی آنها با میزان چرخش ستاره و سرعت آن تغییر میکند.
نمای هنری از دیسک برافزایشی پیرامون سیاهچالهٔ V404 Cygni، جایی که باد شدید شناساییشده توسط GTC آشکار میشود.
چرا این مسأله برای کهکشانها مهم است
ستارگان فراری پرجرم تنها کنجکاویهایی نجومی نیستند؛ آنها عاملانِ تغییرند. وقتی یک ستارهٔ پرجرم خوشهٔ زایش خود را ترک میکند، تابش فرابنفش آن و در نهایت اَبَرنو اخترش انرژی و عناصر سنگین را دورتر از محل تشکیلشان پخش میکنند. این توزیع مجدد روی شیمی محیط میانستارهای، شکلگیری نسلهای بعدی ستارگان و سیارات و حتی پخش عناصر حیاتی برای زندگی تأثیر میگذارد.
درک اینکه کدام مسیرها تولیدکنندهٔ فراریها هستند، مدلهای تکامل ستارهای ما را پالایش میکند و کمک میکند پیشبینی شود که عناصر مانند اکسیژن و آهن چگونه و کجا در کهکشان مخلوط میشوند. همچنین انتظارها برای سامانههای عجیب را شکل میدهد: دوتاییهایی که پس از یک ضربهٔ اَبَرنو اختری باقی میمانند، جفتهای اجسام فشرده که در محیطهای نامعمول شکل گرفتهاند و سامانههای سیارهای احتمالی که ممکن است تحت شرایطی شدید دوام بیاورند.
از منظر شیمی کهکشانی و مدلهای گازی-ستارهای (chemo-dynamical models)، فرار ستارگان پرجرم میتواند لایهای از آلودگی فلزی (metal enrichment) را به بخشهای بیرونی خوشهها یا حتی دیسک کهکشان منتقل کند و نرخ تشکیل ستاره (star formation rate) محلی را تغییر دهد. بهویژه در کهکشانهای کوچک یا خوشههای با جرمی متوسط، اثرات این فرارها میتواند مقیاسهای زمانی و مکانی شکلگیری جهان ستارهای را دگرگون سازد.
دیدگاه تخصصی
«با ترکیب اندازهگیریهای چرخش با تشخیصهای دوتایی و حرکتهای دقیق گایا، ما سرانجام میتوانیم اثر انگشتهای انفجارها را از خشونت دینامیکی در خوشهها جدا کنیم،» میگوید مار کاررترو-کاستریلو از ICCUB/IEEC، یکی از نویسندگان اصلی مطالعه، که اکنون در ESO مشغول است. «این محدودیتها به نظریهپردازان اجازه میدهد تا کانالهای شکلگیری را با دادهها آزمایش کنند نه با حدس و گمان.»
دیدگاه دیگری از یک اخترفیزیکدان برجستهٔ فرضی که از صدای جامعهٔ علمی ترکیب شده است هم شنیده میشود: دکتر النا روئیز، متخصص بازخور ستارگان پرجرم. «وقتی یک ستارهٔ پرجرم زایشگاه خود را ترک میکند، بازخور را به مناطقی میبرد که در غیر این صورت دستنخورده باقی میماند. این امر نحوهٔ تشکیل نسل بعدی ستارگان و مکان رسوب عناصر سنگین را تغییر میدهد. این نظرسنجی آن نقالهٔ موادِ کهکشانی را کمیسازی میکند.»
انتشارات دادههای بعدی گایا و پیگیریهای طیفنگاری ادامهدار به اخترشناسان اجازه خواهد داد تا ردیابی ستارگان فراری به محل تولدشان را با اعتماد بیشتری انجام دهند. تعیین دقیق خوشههای مبدأ سرانجام به محققان امکان میدهد برای هر ستارهٔ فراری مشخص کنند که مقصر یک انفجار اَبَرنو اختری بوده یا یک پرتاب گرانشی — و همچنین جانوران نادرتری را بیابند: سامانههای سیارهای بسته که از یک اخراج ستارهای جان سالم به در بردهاند، یا سامانههای دوتایی که میزبان سیاهچالههایی هستند که بدون اَبَرنو اختر مرئی به دنیا آمدهاند.
این مطالعه نشان میدهد که هیچ توضیح واحدی برای همهٔ ستارگان فراری وجود ندارد؛ کهکشان از ابزارهای متعددی برای پرتاب فرزندان پرجرم خود به فضای خلأ استفاده میکند.
فصلهای بعدی هنگامی فرامیرسند که اندازهگیریهای حرکت دقیقتر شوند و نظرسنجیهای بقایای فشرده و منابع پرتو ایکس به عمق بیشتری در راه شیری برسند — تا آن زمان، هر ستارهٔ فراری یک نشانه است که منتظر بازگرداندن به منشا خشونتآمیز خود است.
روشها و جزئیات فنی برای خوانندگان حرفهای
در بخش روششناسی، تیم از دادههای موقعیت و حرکت گایا (proper motions, parallaxes و radial velocities در صورت موجود بودن) بهره برد تا سرعتهای سهبعدی نسبی را محاسبه کند. طیفهای IACOB برای اندازهگیری پارامترهای ستارهای کلیدی نظیر دمای مؤثر (T_eff)، شدت جاذبهٔ سطحی (log g)، و سرعت چرخش خطپهنی شده (v sin i) بهکار رفتند. ترکیب این پارامترها با مدلهای تکاملی ستارهای اجازه میدهد تا سنها و جرمهای تقریبی تخمین زده شوند و سنخیتی بین زمان لازم برای طی مسیر حرکت و عمر ستاره مقایسه شود.
برای تفکیک کانالهای اَبَرنو اختری از دینامیکی، پژوهشگران روی دو نشانگر کلیدی تمرکز کردند: الف) افزایش سرعت چرخش یا علائم انتقال جرم (نمودارهای زایا/فشار خطوط طیفی، نشانههای شیمیایی مثل سطوح بالای هلیوم یا نیتروژن) که معمولاً با تعامل دوتایی و انتقال جرم همزمان است؛ ب) وجود همراههای پرجرم یا اجسام فشرده که با تابش پرتو ایکس یا تغییرات سرعت شعاعی قابل ردیابیاند.
تحلیل آماری نمونه با در نظر گرفتن ابهامهای فاصله و اندازهگیری، و با شبیهسازی مونتِ-کارلو برای تخمین فراوانیهای پیشبینیشده در مدلهای مختلف، انجام شد. نتایج به نظریهپردازان فرصت میدهد تا کانالهای تشکیل ستارگان فراری را بهصورت کمی مقایسه کنند و پارامترهای کلیدی خوشهها (چگالی، جرم میانگین، توزیع اسکایتر جرم اولیه) را محدود سازند.
پیامدها برای پژوهشهای آینده و مشاهدات چند-پهنهای
این نتایج برای برنامهریزی رصدهای آینده اهمیت دارند. ترکیب دادههای گایا با طیفهای دقیقتر (برای نمونه از تلسکوپهای بزرگ مانند VLT, GTC یا آیندهٔ ELT) و رصدهای پرتو ایکس/رادیویی میتواند نهتنها منشأ رانآویها را روشنتر کند، بلکه نقش آنها در تولید منابع موج گرانشی و اجسام فشردهٔ دوتایی را نیز مشخص نماید. همچنین مطالعهٔ محیط اطراف ستارگان فراری (مانند حبابهای بادی و شتابدهی ذرات) میتواند بینشهایی دربارهٔ بازخورد انرژی در مقیاس کهکشانی فراهم آورد.
در نهایت، شناسایی نظامهای دوتایی فراری که میزبان سیاهچالهاند یا آنهایی که باقیماندههای اَبَرنو اختری را در بر دارند، برای درک فرایندهای تولید سیاهچالههای ستارهای و نرخ رویدادهای امواج گرانشی اهمیت دارد. همهٔ اینها نشان میدهد که مطالعهٔ «ستارگان فراری»، در تقاطع اخترفیزیک ستارهای، دینامیک خوشهای، کهکشانشناسی و اخترشیمی قرار دارد و میتواند به پیوند میان مقیاسهای میکروسکوپی و کهکشانی کمک کند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر