8 دقیقه
بازماندگان دست‌نخورده: منظوری که اخترشناسان از «کم‌فلزی» دارند
کیهان با پالت شیمیایی ساده‌ای آغاز شد: هیدروژن و هلیوم که در سنتز هسته‌ای مه‌بانگ تولید شدند، همراه با مقدار ناچیزی لیتیوم و چند ایزوتوپ سبک دیگر. تمام عناصر سنگینتر — مانند کربن، اکسیژن، آهن و فراتر از آن — بعداً داخل ستارگان یا در مرگ‌های انفجاری ستارهای ساخته شدند. در اصطلاح اخترشناسی، هر عنصر سنگینتر از هلیوم به‌طور کلی «فلز» نامیده میشود. بنابراین فلزیّت ستاره (نسبت فراوانی این عناصر نسبت به هیدروژن) نشانه‌ای مستقیم از تبار و تاریخ شکلگیری آن فراهم می‌آورد: فلزیّت پایین‌تر معمولاً نشاندهنده تشکیل در مراحل پیشین تاریخ کیهانی است.
اندازه‌گیری فلزیّت عمدتاً از طریق طیفسنجی انجام میشود: نور ستاره به طول‌موج‌های تشکیل‌دهنده‌اش تجزیه میشود و خطوط جذبی، اثر انگشت شیمیایی عناصر مختلف را نشان میدهند. مقادیر بسیار پایینِ [Fe/H] (آهن نسبت به هیدروژن) و نسبت‌های مشخص فراوانی مانند [C/Fe] یا [Mg/Fe] گویای آلودگی گاز توسط تنها یک یا چند ابرنواختر نخستین‌اند، یا حتی ارث‌بری مستقیم از نسل اول ستارگان را نشان میدهند. آن ستارگان نسل اول که به نام Population III شناخته می‌شوند، معتقدند که بسیار پرجرم و کوتاه‌عمر بوده‌اند و محیط میان‌ستاره‌ای را با نخستین عناصر سنگین غنی کرده‌اند. در مطالعات اخترشناسی ردیابی این نشانه‌ها در ستارگان کمفلز، برای بازسازی تاریخچه شیمیایی کیهان و فهم فرآیندهای شکلگیری کهکشان‌ها اهمیت زیادی دارد؛ از جمله فهم چارچوب‌هایی مانند تابع جرم اولیه (IMF) و نقش ابرنواخترها در پخش عناصر.
کشف SDSS J0715-7334 و ویژگی‌های استثنایی آن
اخترشناسان ستارهای غول سرخ به نام SDSS J0715-7334 را در هاله کهکشان لارج ماژلانیک کلاود (LMC) شناسایی کرده‌اند که امضای شیمیایی آن جزو پایینترین فلزیّت‌های اندازهگیریشده تا کنون است. تحلیل طیفی نشان میدهد که فراوانی آهن و کربن در این ستاره چنان اندک است که بسیاری از کهکشانهای بسیار دور و فوق‌العاده کمفلز هنوز تقریباً ده برابر فلزات بیشتری دارند. این موضوع SDSS J0715-7334 را به نزدیک‌ترین آنالوگ در اختیار ما به یک ستاره نخستین و تقریباً بکر تبدیل میکند؛ نمونه‌ای که می‌تواند نقش فسیل‌های محلی در پژوهش ستاره‌شناسی باستان (stellar archaeology) را ایفا کند.
تصویر نشاندهنده سهم عناصر در یک ستاره نسل اول در مقایسه با خورشید است. ستارگان نسل اول تقریباً به‌طور کامل از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند، در حالی که خورشید حاوی عناصر سنگین‌تری است که اخترشناسان آنها را «فلز» می‌نامند. (NASA/ESA/CSA/STScI)
نسبت‌های فراوانی دقیق‌تر نشان میدهد که SDSS J0715-7334 احتمالاً به نسل دوم ستارگان تعلق دارد؛ ستارهای که از گازی شکل‌گرفته که توسط یک پیشینیان منفرد و پرجرم غنی شده بوده است. مدلسازی نسبت‌های مشاهده‌شده — بهویژه منیزیم، آهن و دیگر عناصر آلفا — نشان میدهد که ابرنواختری که این آلودگی را ایجاد کرده احتمالاً پیشینه‌ای با جرمی در حدود ~30 جرم خورشیدی داشته است. این نکته قابل توجه است، زیرا انتظارات نظری برای ستارگان Population III معمولاً بر جرم‌های بسیار بزرگ‌تر (چندصد جرم خورشیدی) تأکید دارند؛ بنابراین یک ابرنواختر با جرم کمتر که قادر به تولید فلزات بوده، دید متفاوتی نسبت به فرایند غنیسازی شیمیایی اولیه ارائه میدهد و نشان میدهد توزیع جرم اولیه ممکن است گسترده‌تر یا پیچیده‌تر از آن چیزی باشد که پیش از این تصور می‌شد.
نمودار لگاریتمی که ستارگان کمفلز را بر اساس فراوانی کربن در برابر فراوانی آهن نشان میدهد. در این نمودار SDSS J0715-7334 کم‌ترین مقدار هر دو عنصر را دارد. (Ji و همکاران، arXiv)
ویژگی چشمگیر دیگر، مقدار بسیار پایین کربن در این ستاره است. ستارگان اولیه پرجرم معمولاً در جریان سوزاندن هلیوم و از طریق چرخه CNO کربن و اکسیژن قابل‌توجهی تولید می‌کردند. کربن پایین در SDSS J0715-7334 نشان میدهد که ابر زایا (ابر مادری) تجربه خنکسازی مؤثر توسط گردوغبار را داشته است، که اجازه داده تا توده‌های کوچک‌تر گاز سرد شوند و ستارگان کمجرم و بادوام شکل بگیرند. خنکسازی با کمک گردوغبار یکی از مسیرها است — در کنار خنکسازی ساختار ریز توسط عناصر C و O — که می‌تواند دمای گاز را کاهش دهد و موجب شود قطعاتی از گاز به جا بیفتند و به ستارگان کمجرم و بلندعمر تبدیل شوند. شناخت این فرآیندها برای فهم منشأ ستارگان کمفلز محلی و مقایسه آنها با کهکشانهای کمفلز دوردست بسیار مهم است.
پیامدها برای شکلگیری ستارگان اولیه و جست‌وجوهای محلی
یافتن چنین ستارهای با ترکیب شیمیایی بدوی در هاله LMC از جهات متعددی اهمیت دارد. نخست اینکه نشان میدهد بازمانده‌هایی از چند نسل اول ستارگان میتوانند در عالم نزدیک باقی بمانند و با طیفسنجی با وضوح بالا قابل دسترسی باشند. این ستارگان فسیلی محلی به ما امکان میدهند تا سوابق شیمیایی نخستین اَبرنواخترها را مستقیماً بررسی کنیم و مدل‌های تکاملی شیمیایی کهکشان را با داده‌های مشاهده‌ای تقویت کنیم. دوم اینکه جرم پیشینیان استخراج‌شده و الگوی فراوانی مشاهده‌شده، مدل‌های تابع جرم اولیه (IMF) برای ستارگان اولیه و انواع ابرنواخترهایی که نسلهای بعدی را غنی کردند، روشن‌تر می‌سازد.
شواهد کینماتیکی نیز قطعات دیگری از پازل را تکمیل میکنند: حرکت SDSS J0715-7334 در درون LMC نشان میدهد که این ستاره یک مهمان گذرا از راه شیری نیست و احتمالاً در جای خود در هاله کهکشان کوتوله شکل‌گرفته است. این یافته مؤید این نکته است که کهکشانهای هم‌سازمانده مانند LMC مکان‌های امیدوارکننده‌ای برای جستوجوی ستارگان باستانی و کمفلز هستند. مطالعه ساختار فضایی و سرعتی این ستارگان در هاله‌ها می‌تواند به بازسازی تاریخ الحاق کهکشانهای کوچک به کهکشانهای بزرگ‌تر کمک کند و نقاط پرجمعیتی از ستارگان با فلزیّت بسیار پایین را آشکار سازد.
از دید عملیاتی، این کشف به ترکیبی از نظرسنجی‌های میدان وسیع و طیفسنجی پیگیری با وضوح بالا متکی است. امکانات آینده — از جمله تلسکوپهای فوق‌العاده بزرگ (ELTs) و رصدخانههای فضایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) برای مطالعات مکمل در قرمز-بالاتر — امکان رویکرد دوشاخه‌ای را فراهم میکنند: یافتن ستارگان کمفلز در نزدیکی ما و مقایسه امضای شیمیایی آنها با کهکشانهای کمفلز دوردست که در عصرهای نخست کیهان قابل مشاهده‌اند. این قیاس بین رکوردهای محلی و مشاهدات با قرمزشیفت بالا گامی کلیدی در پیوند دادن تاریخچه محلی با تکامل کیهان در مقیاس بزرگ است و می‌تواند شاخص‌هایی از تنوع کانال‌های غنیسازی اولیه را آشکار سازد.
دیدگاه کارشناسان
«ستارگان فسیلی محلی یک سابقه شیمیایی مستقیم از نخستین اَبَرنواخترها فراهم میکنند،» دکتر النا مارکز، اخترفیزیک‌دانی که در باستان‌شناسی ستارهای تخصص دارد، می‌گوید. «SDSS J0715-7334 یک آزمایشگاه نادر است: الگوی کم‌کربن و کم‌آهن آن به ما می‌گوید که خنکسازی با گردوغبار نقش قابل‌توجهی در آغاز داشت و بخشی از بازماندههای نسل اول از پیشینیان کمتر پرجرم‌تر از آنچه پیش‌تر انتظار می‌رفت، نشأت گرفته‌اند. جست‌وجوهای سیستماتیک در هالههای کهکشانهای کوتوله نمونه‌ای بزرگ‌تر فراهم خواهند کرد و مدل‌های ما از تکامل شیمیایی اولیه را پالایش خواهند کرد.»
نتیجه‌گیری
SDSS J0715-7334 به‌عنوان یکی از پاک‌ترین ستارگان از نظر ترکیب شیمیایی که تاکنون شناسایی شده، برجسته است و از همه مهم‌تر در همسایگی کهکشانی ما در ابر بزرگ ماژلان قرار دارد. الگوی منحصر به‌فرد فراوانی آن فهم ما را از چگونگی تولید و اختلاط نخستین عناصر سنگین در نسلهای بعدی تیزتر میکند و بر اهمیت کهکشانهای ماهوارهای برای یافتن ستارگان نزدیک‌به‌بکر تأکید دارد. ادامه نظرسنجی‌های طیفی و بهره‌برداری از تلسکوپهای نسل بعد به اخترشناسان امکان میدهد تا شمارش کامل‌تری از این فسیل‌های ستارهای تهیه کنند و رکوردهای شیمیایی محلی را مستقیماً با مشاهدات کیهان دور در قرمزشیفت بالا پیوند دهند. در همان حال، تحلیل‌های مدل‌های نظری و شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی همراه با داده‌های مشاهده‌ای به بازتعریف نقش مسیرهای مختلف خنکسازی (از جمله خنکسازی گردوغبار و ساختار ریز C/O) در شکلگیری ستارگان کمجرم اولیه کمک خواهد کرد. به‌عبارت دیگر، SDSS J0715-7334 نه تنها یک کشف مهم در اخترفیزیک ستارهای است، بلکه کلیدی برای باز کردن فصل‌های جدیدی از تاریخچه شیمیایی کیهان در دسترس محققان محلی قرار میدهد.
منبع: sciencealert
ارسال نظر