10 دقیقه
تحقیقات جدید نشان میدهد که تعداد کمی از ستارگان بسیار عظیم و کوتاهعمر — هر یک با جرمی هزاران برابر خورشید — ردپای شیمیایی ویژهای روی کهنترین خوشههای ستارهای جهان گذاشته و در شکلگیری اولین کهکشانها نقش داشتهاند.
در سمت چپ، تصور ذهنی یک هنرمند از یک خوشه کروی در آستانهٔ تولد، که میزبان ستارگان بسیار پرجرم با بادهای ستارهای قدرتمند است و خوشه را با عناصری که در دماهای مرکزی بسیار بالا ساخته شدهاند غنی میکند. در سمت راست، تصویری از یک خوشه کروی باستانی همانطور که امروز مشاهده میکنیم: ستارگان کمجرم بازمانده، ردپای بادهای آن ستارگان بسیار پرجرم را حفظ کردهاند؛ ستارگانی که از آن زمان به سیاهچالههای میانجرم فروپاشیدهاند. Credit: Fabian Bodensteiner; background: image of the Milky Way globular cluster Omega Centauri, captured with the WFI camera at ESO’s La Silla Observatory.
خوشههای باستانی بهمثابه کپسولهای زمانی شیمیایی
خوشههای کروی مجموعههای متراکم و تقریباً کروی از ستارگان هستند که به دور کهکشانها، از جمله کهکشان راه شیری، میگردند. این ساختارها معمولاً از صدها هزار تا میلیونها ستاره تشکیل شدهاند و بسیاری از آنها بیش از ده میلیارد سال پیش — در فاصلهٔ زمانی نزدیک به پس از بیگبنگ — شکل گرفتهاند. به همین دلیل خوشههای کروی بهعنوان فسیلهای تاریخ آغازین شکلگیری ستارگان و تکامل شیمیایی عمل میکنند.
با وجود این، خوشههای کروی یک معمای سرسخت در اخترفیزیک باقی ماندهاند: ستارگان موجود در آنها الگوهای فراوانی شیمیایی غیرمعمول و تکرارشوندهای نشان میدهند. بهجای ترکیب شیمیایی یکسان در سراسر خوشه، بسیاری از خوشهها چندین جمعیت ستارهای با فراوانیهای غیرمنتظرهٔ هلیوم، نیتروژن، سدیم، اکسیژن، منیزیم و آلومینیوم دارند. دههها است که اخترشناسان بر سر این پرسش بحث کردهاند که چه فرآیندهایی موجب این ناهنجاریها شدهاند و چگونه مواد پردازششده میتوانستهاند در نسلهای بعدی ستارگان داخل همان خوشهٔ نسبتاً فشرده وارد شوند.
این الگوهای شیمیایی غیرمعمول نهتنها برای درک فرایندهای نوکلئوسینتزی (ساخت عناصر) در ستارگان ابتدایی مهم هستند، بلکه اطلاعات ارزشمندی دربارهٔ فیزیک گاز چگال، دینامیک تجمع مواد و تعامل بین ستارهها و محیط پیرامون در دوران آغازین عالم فراهم میآورند. مطالعهٔ خوشههای کروی باستانی یک پنجرهٔ مستقیم به شرایط فیزیکی و شیمیایی در اولین میلیارد سال کیهان میگشاید و میتواند پرسشهایی دربارهٔ منشأ سیاهچالهها و جزءبندی کهکشانها را پاسخ دهد.
چگونه ستارگان بسیار پرجرم میتوانند معما را حل کنند
یک تیم بینالمللی بهسرپرستی مارک گیلس پژوهشگر ICREA در Institute of Cosmos Sciences دانشگاه بارسلونا مدلی را پیشنهاد کردهاند که این ناهنجاریهای شیمیایی را به ستارگان بسیار پرجرم (Extremely Massive Stars یا EMS) مرتبط میسازد — ستارگانی با جرم تقریبی بین ۱۰۰۰ تا ۱۰٬۰۰۰ برابر جرم خورشید. این مطالعه که در نشریهٔ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده، مدل «جریان اینرسی» (inertial-inflow) در فرایند شکلگیری ستارگان را برای شرایط چگال و آشفتهٔ جهان اولیه بومیسازی میکند.
در آن محیطهای بسیار متراکم و تلاطمزده، جریانهای گاز و آشفتگیهای هیدرودینامیکی میتوانند جرم را به سرعت متمرکز کنند و امکان شکلگیری فقط چند ستارهٔ بسیار پرجرم را در بزرگترین پروتوشها فراهم آورند. این غولها هیدروژن را در دماهای مرکزی فوقالعاده بالا میسوزانند و بادهای ستارهای پرتوانی را تولید میکنند که سرشار از محصولات واکنشهای هستهای در دماهای بالا است. وقتی این بادها با گاز دستنخوردهٔ اطراف مخلوط میشوند، نسل بعدی ستارگان را با نشانههای شیمیایی متمایزی آلوده میکنند.
مدل پیشنهادی نشان میدهد که حتی وجود تنها چند عدد از چنین ستارگان بسیار پرجرمی میتواند اثر شیمیایی پایداری بر کل خوشه برجا بگذارد. این سناریو بهطور طبیعی توضیح میدهد که چگونه مادهٔ پردازششده — که بهسرعت و در مراحل اولیه تولید شده — میتواند در طی نسلهای بعدی ستارگان کمجرمتر که امروز بازماندهاند، وارد شود و ردپای ترکیبهای غیرمعمولی را حفظ کند.
نکتهٔ کلیدی این مدل رابطهٔ مستقیم میان جریان جرم در مرحلهٔ پروتوكلاستری و تولید EMSها است: وقتی نرخ ورود جرم و مقیاس آشفتگی به حد معینی میرسد، احتمال تشکیل یک یا چند EMS در قلب خوشه افزایش مییابد. این موضوع را میتوان با شبیهسازیهای عددی جریانهای توربولنت گازی و مدلهای تزریق باد ستارهای بررسی و کمّیسازی کرد؛ بنابراین این فرضیه نهفقط یک توضیح کیفی، بلکه مسیری برای پیشبینیهای دقیقتر فراهم میسازد.
فرآیندهای سریع و گاز پاک: زمانبندی اهمیت دارد
یکی از جنبههای حیاتی مدل، سرعت رخدادهاست. غنیسازی هدایتشده توسط EMS به مقیاس زمانی تقریباً یک تا دو میلیون سال انجام میشود — که بهطور قابلتوجهی سریعتر از طول عمر ستارگان پرجرمی است که در پایان به ابرنواختر تبدیل میشوند. از آنجا که بادها و اختلاط شیمیایی پیش از انفجارهای ابرنواختری نخست رخ میدهند، گاز غنیشده از آلودگیهای عناصر سنگین ناشی از ابرنواخترها مصون میماند؛ در نتیجه الگوهای فراوانی متمایز حفظ میشوند و محو نمیگردند.
این بخش زمانی برای تبیین چگونگی وقوع ترکیبهای ویژهٔ هلیم، نیتروژن و تغییرات در عناصر سبکتر اهمیت دارد. واکنشهای هستهای در هستهٔ EMSها در شرایط دمایی و چگالی بسیار بالا به مسیرهای نوکلئوسینتزی میانجامند که نسبت به ستارگان پرجرم عادی ترکیب عنصر متفاوتی تولید میکنند. بنابراین، این گازهای خروجی — که از طریق بادها به محیط تزریق میشوند — میتوانند الگوهای همگن یا نیمههمگنی از عناصر را در ناحیهٔ تشکیل ستارهٔ بعدی ایجاد کنند.
محققان لورا رامیرز گالیانو و کورین شاربونل از دانشگاه ژنو اشاره میکنند که واکنشهای هستهای در هستهٔ ستارگان بسیار پرجرم قبلاً بهعنوان سازندهٔ ترکیب مناسب عناصر شناخته شده بودند. آنها اضافه میکنند: «ما اکنون مدلی داریم که مسیر طبیعیای برای شکلگیری این ستارگان در خوشههای پرجرم ارائه میدهد»، و مکانیزم inertial-inflow را بهعنوان یک مسیر شکلگیری قابلاعتنا معرفی میکنند.
از خوشههای ستارهای تا کهکشانها و سیاهچالهها
دلالتهای این ایده فراتر از خوشههای منفرد است. خوشههایی که غنی از EMS هستند ممکن است بلوکهای ساختمانی رایج نخستین کهکشانها بوده باشند. مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) که اخیراً انجام شده، کهکشانهایی با قرمزشیفت بالا و انتشار نیتروژن بهطور غیرمعمول قوی را نشان داده است — نشانههایی که با خروجی شیمیایی انتظارشده از سیستمهای غنیشده توسط EMS هماهنگاند.
پائولو پادوان از Dartmouth College و ICCUB-IEEC میگوید: «ستارگان بسیار پرجرم ممکن است نقش کلیدی در تشکیل اولین کهکشانها ایفا کرده باشند.» تابش شدید و پردازش شیمیایی این ستارگان توضیحی طبیعی برای پیشکهکشانهای غنی از نیتروژن فراهم میآورد که JWST اکنون کمکم آشکار میکند. از منظر رصدی، اندازهگیری خطهای انتشار نیتروژن و نسب عناصر سبک در طیفهای کهکشانهای دوردست میتواند سرنخهای مستقیمی دربارهٔ فراوانی و تأثیر EMSها ارائه دهد.
هنگامی که EMSها سوخت هستهای خود را تمام میکنند، احتمال انفجارشان بهصورت ابرنواخترهای معمولی پایین است. درعوض، بسیاری از مدلها فروپاشی مستقیم به سیاهچالههای میانجرم (IMBH) را پیشبینی میکنند — اجرامی با جرم چندصد تا چندهزار برابر خورشید. این سیاهچالههای میانجرم منابع بالقوهٔ امواج گرانشی جالبی در زمان ادغام هستند و میتوانند دانههای اولیهٔ رشد سیاهچالههای ابرجرم مرکزی کهکشانها را فراهم کنند.
از دیدگاه تئوریک، مسیر ایجاد IMBHها از EMSها چندوجهی است: هم فروپاشی مستقیم و هم تجمع جرمی از طریق ادغامهای ستارهای و جذب گاز میتوانند سهم داشته باشند. این سازوکارها به ما کمک میکند تا پیوند منطقیای میان مراحل اولیهٔ شکلگیری ستارگان، رشد سیاهچالهها و تکامل کهکشانها ترسیم کنیم — موضوعی که برای درک سیر تکاملی کهکشانهای امروزی حیاتی است.
فناوریهای مرتبط و چشماندازهای آینده
فرضیهٔ تأثیر EMSها بر شیمی اولیهٔ کهکشانها با مشاهدات نسل بعدی قابل آزمون است. طیفسنجی JWST، رصدها از سطح زمین که بر جمعیتهای ستارهای در خوشههای کروی قدیمی تمرکز میکنند، و آشکارسازهای امواج گرانشی که به دنبال سیگنالهای ادغام IMBHها هستند، همگی محدودیتها و آزمونهایی تکمیلی ارائه خواهند داد. علاوه بر این، شبیهسازیهای بهبودیافتهٔ جریانهای گازی توربولنت و اختلاط بادهای ستارهای برای تصحیح پیشبینیهای مدل ضروری بهنظر میرسند.
ابعاد نظری و مشاهداتی این پژوهش نیازمند همگرایی رشتههاست: از فیزیک نوکلئوسینتزی و دینامیک سیالات نجومی تا طیفسنجی دقیق و تحلیلهای امواج گرانشی. در حوزهٔ شبیهسازی، نیاز به مدلهای چندفازی وجود دارد که تعامل میان بادهای ستارهای، جریانهایِ تغذیهکنندهٔ مرکز خوشه و بازخوردهای تابشی را پوشش دهند. از منظر رصدی نیز اندازهگیری دقیق نسبتهای عنصرها در ستارگان بازماندهٔ خوشه و ردیابی خطوط انتشار در کهکشانهای دوردست، کلید تأیید یا رد این سناریو خواهد بود.
همچنین لازم است بررسی شود که چه نسبتی از خوشههای نخست واقعاً شرایط لازم برای تولید EMSها را داشتهاند و چگونه تفاوت در نرخ تشکیل ستاره و فلورنس اولیه (metallicity اولیه) میتواند فراوانی این ستارگان را تحتتأثیر قرار دهد. دادههای آینده از JWST و تلسکوپهای زمینی بزرگتر میتوانند این پارامترها را محدودتر کرده و تصویر بهتری از نقش EMS در تکامل شیمیایی کیهان بهدست دهند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر آنا ریبیرو، اخترفیزیکدانی که در زمینهٔ شکلگیری ستارگان اولیه تخصص دارد، میگوید: «این مدل بهشیوهای زیبا پویایی، نوکلئوسینتز و نشانههای رصدی را بههم پیوند میدهد. اگر EMSها در اولین خوشههای پرجرم شایع بودهاند، باید الگوهای شیمیایی منسجم در بسیاری از خوشههای باستانی و جمعیتی از سیاهچالههای میانجرم را در هستههای آنها ببینیم. زمان هیجانانگیزی است — JWST و اخترفیزیک امواج گرانشی ممکن است سرانجام به ما اجازه دهند این ایدهها را آزمایش کنیم.»
چه EMSها «گوشهچرخ شیمیایی» کهکشانهای نوپا را تنظیم کرده باشند و چه صرفاً یادداشتی قابلتوجه در تاریخ کیهان افزوده باشند، مدل جدید چارچوبی یکپارچه ارائه میدهد. این چارچوب فیزیک شکلگیری ستاره، شیمی دقیق ذخیرهشده در ستارگان باستانی و منشأ سیاهچالهها را به هم پیوند میزند و راههای تازهای برای رصد و نظریهپردازی در نخستین میلیارد سال کیهان میگشاید.
در میان زمینههای تحقیق آتی میتوان موارد زیر را برجسته ساخت:
• پیگیری طیفی دقیق از خوشههای کروی محلی برای استخراج نسبتهای عنصرها و جستجوی الگوهای همگرا؛
• تحلیل آماری کهکشانهای قرمزشیفت بالا با استفاده از دادههای JWST برای شناسایی فراوانی ویژگیهای نشانهدهندهٔ EMS؛
• شبیهسازیهای چندمقیاسی جریانهای گاز و اختلاط شیمیایی بهمنظور پیشبینی کمی الگوهای فراوانی؛
• جستجوی امواج گرانشی از ادغامهای احتمالی IMBHها با آشکارسازهای زمینی و فضایی نسل بعدی؛
این مسیر تحقیقاتی نهتنها توانایی ما را در بازسازی تاریخ شیمیایی و ساختار نخستین کهکشانها میافزاید، بلکه به درک بهتر چگونگی شکلگیری و رشد سیاهچالهها و پیوند آنها با محیط ستارهای کمک خواهد کرد.
منبع: scitechdaily
نظرات
مکس_
اگر واقعا IMBHها از این راه شکل گرفته باشن، یعنی کلی سیگنال امواج گرانشی منتظره، ولی پیدا کردنشون کار آسونی نیست right?
آرش
خیلی خوب پیوند زده شده بین نوکلئوسینتز و مشاهدات، ولی یه ذره اغراق هم حس میشه، نیاز به آزمونهای قوی تره
تریپم
برداشت متعادلیه، ترکیب رصد و شبیهسازی میتونه جزییاتو روشن کنه، ولی تعیین فراوانی EMSها تو همه خوشهها سخت و زمانبره
آسترو
تو کار با خوشههای محلی، الگوهای عجیب شیمیایی دیدم، شاید EMSها پاسخ باشن... یه مسیر منطقی اما هنوز جا داره تا ثابت بشه
درايور
معقول به نظر میاد، اما نیاز به شبیهسازیهای دقیقتر و بیشتره، مخصوصا برای توربولانس گازی و نرخ ورود جرم
رمزار
این ایده جذابه ولی واقعا میشه جلوی مخلوط شدن با آلودگی ابرنواخترها رو گرفت؟ سوال بزرگیه، شک دارم همه چیز تو 1-2 میلیون سال ثابت بمونه
رودکس
وااای... اینکه چند ابرستاره بتونن ردپای شیمیایی بذارن، خیلی شگفت آوره؛ هیجان زدهم ببینم JWST چی میگه
ارسال نظر