10 دقیقه
یک غول سرخ که ظاهراً عادی به نظر می‌رسد و به دور یک همراه نامرئی در سیستم Gaia BH2 می‌چرخد، انتظارات ما دربارهٔ سیر تکاملی ستارگان را بازنویسی میکند. اثر انگشت شیمیایی این ستاره می‌گوید «باستانی» اما ساعت داخلی و دوران آن نشان میدهد «میانسال» — و این ناسازگاری نشاندهندهٔ گذشته‌ای پرخشونت است.
تناقض عجیب در تعیین سن: شیمی در برابر لرزه‌های ستاره‌ای
وقتی ستاره‌شناسان نور یک ستاره را اندازه می‌گیرند، در واقع به خواندن یک زندگی‌نامهٔ طولانی می‌پردازند: دما، فراوانی عناصر و نشانه‌هایی از نحوهٔ تکامل آن. همراه Gaia BH2 مملو از عناصر آلفا است — عناصری مانند اکسیژن، نئون، منیزیم و سیلیکون که در نسل‌های اولیهٔ ستارگان سنگین ساخته شده‌اند و معمولاً در ستارگانی که در دوران اولیهٔ جهان شکل گرفته‌اند فراوان‌اند. تنها این ترکیب شیمیایی معمولاً این ستاره را در حدود ده میلیارد سال سن میدهد.
با این حال، ماهوارهٔ TESS متعلق به ناسا به نوسانات ظریف روشنایی این ستاره — زلزله‌های ستاره‌ای — گوش داد و حکم متفاوتی صادر کرد. آستروسِیسمولوژی (فیزیک ارتعاشات ستاره‌ای)، که به مطالعهٔ این تاب‌نوس‌ها می‌پردازد، ویژگی‌های هسته را نشان داد که با سنی نزدیک به پنج میلیارد سال سازگار است. دانیل هی، نویسندهٔ اصلی مطالعهٔ جدید در نشریهٔ The Astrophysical Journal، می‌گوید: «ستارگان جوانِ غنی از آلفا خیلی نادر و معماگونه‌اند. ترکیب جوانی و شیمی باستانی نشان میدهد این ستاره به‌تنهایی تکامل نیافته است.»
Gaia BH2 (UCAC4 154-126202) (مرکز) یک دوتایی متشکل از یک ستاره و یک سیاهچالهٔ جرمی-ستاره‌ای است.
روش‌های بررسی و یافته‌های تیم پژوهشی
تیم تحقیقاتی، آستروسِیسمولوژی فضایی را با طیفسنجی زمینی دقیق ترکیب کرد. آستروسِیسمولوژی مانند زمین‌شناسی زلزله عمل میکند: تاب‌نوس‌ها اطلاعاتی دربارهٔ چگالی داخلی، شیب‌های درجهٔ دما و جرم هسته حمل می‌کنند. این اندازه‌گیری‌ها وضعیت واقعی تکاملی ستاره را با دقت غیرمعمولی محدود کردند و پارامترهای داخلی را آشکار ساختند که صرفاً از طیفسنجی سطحی قابل استخراج نیستند.
دوران و انتقال تکانه: چه چیزی دوران ستاره را تسریع کرد؟
یک نکتهٔ دیگر نیز غیرعادی بود: این غول سرخ حدوداً در مدت 398 روز یک بار می‌چرخد — سرعتی که برای ستاره‌ای تنها و همسن و سال غیرمنتظره به‌حساب می‌آید. در روند طبیعی تکامل، ستارگان وقتی به غول سرخ تبدیل می‌شوند، تکانهٔ زاویهای خود را از دست می‌دهند و کند می‌چرخند. بنابراین دوران سریعتر از حد انتظار نشاندهندهٔ رویدادی خارجی است که تکانهٔ زاویهای و احتمالاً جرم را به ستاره منتقل کرده است.
چند مکانیسم فیزیکی می‌توانند چنین انتقالی را توضیح دهند: همجوشی یا ادغام با یک همراه ستاره‌ای، انتقال جرم در یک مرحلهٔ نزدیک به ساخت سیاهچاله (مانند انفجار ابرنواختری یک همراه یا فروپاشی آن) یا جریان‌های نزدیکی که در مدار مشترک رخ دادهاند. هر یک از این فرآیندها میتواند هم جرم و هم تکانه به ستاره بدهد و ترکیب سطحی عناصر را تغییر دهد — یعنی همان امری که ترکیب آلفا-باثبات اما سن جوان‌تر را تولید میکند.
روایتِ محتملِ منشأ: آمیختگی‌ها و انتقال جرم‌های خشونت‌آمیز
قوی‌ترین توضیحات مبتنی بر رویدادهای پرخشونت ستاره‌ای هستند. یک سناریو این است که غول سرخ در گذشته با یک ستارهٔ همراه ادغام شده است؛ ادغام میتواند هم جرم ستاره را افزایش دهد و هم دوران آن را تصحیح کند و مواد افزودنی را در لایه‌های سطحی پراکنده سازد. سناریوی دیگر این است که در زمان تولد سیاهچاله (مثلاً وقتی همراه قبلی منفجر یا فروپاشیده) مقدار قابل‌توجهی ماده به ستارهٔ باقی‌مانده انتقال یافته است. در هر دو حالت، ترکیبی از افزایش جرم، تزریق تکانهٔ زاویهای و تغییر در فراوانی سطحی میتواند پروفایل عجیب «غنی از آلفا اما ظاهراً جوان» را تولید کند که ما اکنون مشاهده می‌کنیم.
نکتهٔ مهم این است که Gaia BH2 یک سیستم سیاهچالهٔ «خوابیده» است: سیاهچاله در وضعیت فعالی نیست که مواد را به‌طور پیوسته ببلعد و اشعهٔ ایکس قوی منتشر کند. در عوض، حضور همراه تاریک از طریق تکان ریز در حرکت ستارهٔ مرئی آشکار شد — حرکتی که توسط مأموریت گایا (ESA Gaia) اندازهگیری شد. تکنیک آشکارسازی مبتنی بر استرومتری گایا افق تازه‌ای از جمعیتِ سیاه‌چاله‌های کم‌صدا و بدون تابش قوی ایکس که در غیر این صورت نامرئی می‌ماندند، گشوده است.
تصویر هنری از ماهوارهٔ گایا (ESA) در حال رصد راه شیری.
پیامدها، پرسش‌های باز و گامهای بعدی
این کشف پیامدهای گسترده‌تری دارد. نخست اینکه نشان میدهد تعاملات دوتایی و ادغام‌ها می‌توانند سن واقعی و تاریخچهٔ شیمیایی یک ستاره را بپوشانند یا تحریف کنند. به عبارت دیگر، «برچسبِ سنی» استخراج‌شده صرفاً از فراوانی عناصر ممکن است گمراه‌کننده باشد اگر تاریخچهٔ دوتایی یا رویدادهای انتقال جرم را در نظر نگیریم. دوم اینکه همراهان سیاهچالهٔ ساکت ممکن است شواهدی از برخوردها یا رویدادهای انتقال جرم گذشته را نگه دارند که در سیستم‌های فعال (که با تابش قوی و دیسک بیرونی پوشیده شده‌اند) محو میشود.
تیم همچنین به Gaia BH3 نگریسته است، جایی که نوسانات مورد انتظار شناسایی نشده‌اند — موضوعی که نشان میدهد مدل‌های فعلی برای همراهان بسیار کم‌فلز (extremely metal-poor companions) ممکن است نیاز به بازبینی داشته باشند. فقدان نوسان میتواند به معنای تفاوت در ساختار داخلی، سطح نویز بالاتر یا پیچیدگی‌های مداری باشد که آشکارسازی آستروسِیسمولوژیک را دشوار می‌سازد.
رصدهای آتی TESS با بازهٔ زمانی طولانیتر نوسانات و نرخ‌های دوران برای Gaia BH2 و سیستم‌های مشابه را به دقت بیشتری مشخص خواهد کرد. داده‌های با بازهٔ زمانی طولانیتر به تشخیص مودهای فرکانسی ضعیفتر، تفکیک بهتر بین مودهای هادی و ایستایی و اندازهگیریهای دقیق‌تر انتقال دورهٔ چرخش کمک می‌کنند. این مجموعه داده‌ها باید فرضیهٔ ادغام را بیازمایند و به کمّی‌سازی فراوانی چنین تاریخچه‌های خشونت‌آمیز در میان نمونهٔ رو به رشد دوتایی‌های سیاهچالهٔ ساکت کمک کنند.
از نظر فنی، دنبال کردن این سیستم‌ها به بررسیهای تکمیلی نیاز دارد: طیفسنجی با وضوح بالا برای تعیین دقیق‌تر فراوانیهای شیمیایی (chemical tagging)، رصدهای پیوستهٔ سرعت شعاعی (radial velocity) برای محدود کردن جرم همراه تاریک، و بررسیهای چندطولی (multiwavelength) برای جستجوی هر گونه تابش ضعیف در ایکس-ری یا رادیویی. همچنین شبیهسازیهای هیدرو-نوکلئاری و مدلسازی تکاملی دوتایی میتواند محدودهٔ پارامتری که منجر به پروفایل فعلی میشود را محدودتر کند.
تحلیل‌های تخصصی: چرا ترکیب آلفا-غنی و سن جوان نادر است
در کیهان‌شناسی شیمیایی (chemical evolution)، عناصر آلفا عمدتاً در انفجارهای ابرنواختری نوع II که از ستارگان جرمی زیاد نشأت می‌گیرند ساخته می‌شوند، در حالی که عنصراتی مانند آهن به‌طور قابل‌توجهی از انفجارهای نوع Ia حاصل می‌شوند که تاخیر زمانی طولانی‌تری دارند. بنابراین نسبت بالای عناصر آلفا به آهن در یک ستاره معمولاً نشاندهندهٔ تشکیل در دوران‌های اولیهٔ کهکشان است، زمانی که تأثیر انفجارهای نوع Ia هنوز ضعیف بوده است. چنین ستاره‌هایی معمولاً بسیار قدیمی‌اند و در دیسک ضخیم یا بخش‌های کهنسال کهکشان یافت می‌شوند.
وقتی یک ستارهٔ جوان‌تر فراوانی آلفا را نشان میدهد، دو مسیر محتمل وجود دارد: یا ستاره واقعاً در مناطق با ترکیب شیمیایی متفاوت شکل گرفته و به نحوی به ناحیهٔ فعلی منتقل شده است (radial migration)، یا تاریخچهٔ سطحی آن پس از تولد تغییر کرده است (مثلاً از طریق انتقال جرم یا ادغام). در Gaia BH2، شواهد آستروسِیسمولوژیک که به ساختار درونی و جرم هسته مرتبط است، سن داخلی را نزدیک به پنج میلیارد سال نشان میدهد؛ این تناقض با سن سطحی ناشی از فراوانی آلفا، نشانگر دست‌کاری یا رویدادی است که تاریخ شیمیایی را دگرگون کرده است.
از منظر نظری، ادغام با یک همدم کوچک یا انتقال جرم پایدار میتواند مواد غنی از آلفا را به لایه‌های سطحی وارد کند یا با مخلوط‌شدن کنترلی درون ستاره را دوباره ترکیب کند. همچنین، اگر سیاهچالهٔ همراه از یک ستارهٔ بسیار جرم‌دار به‌وجود آمده باشد، بقایای آن و مراحل انفجاری قبل از فروپاشی میتواند نقش مهمی در تغییر ساختار شیمیایی و دینامیکی داشته باشد.
چطور این کشف درک ما از جمعیت سیاه‌چاله‌های خاموش را تغییر میدهد
روش‌های سنتی کشف سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای معمولاً بر تابش ایکس ناشی از اکسایش ماده در اطراف آنها تکیه دارد. اما بسیاری از سیاه‌چاله‌ها در حالت ساکت یا کم‌فعال قرار دارند و هیچ دیسک روشن‌کنندهٔ پدیدآیندهٔ ایکسی ندارند. گایا با اندازهگیری حرکت دقیق ستارگان، امکان شناسایی همراهان تاریک را از طریق آشکارسازی تکان‌های مداری میسر کرده است. هرچه نمونهٔ این سیاه‌چاله‌های ساکت بزرگ‌تر شود، می‌توانیم توزیع جرم، فراوانی، و تاریخ تشکیل آنها را در کهکشان راه شیری بهتر تعیین کنیم.
در نتیجه، کشف Gaia BH2 و دیگر سیستم‌های مشابه بر اهمیت مطالعات ترکیبی تاکید دارد: ترکیب آستروسِیسمولوژی، استرومتری فوق‌العادهٔ گایا، طیفسنجی زمینی و رصدهای چندطولی میتواند تصویری جامع از تاریخچهٔ دینامیکی و تکاملی ستاره‌ها و همراهان تاریکشان ارائه دهد. این رویکرد میان‌رشته‌ای برای فهم چگونگی شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای، تاثیر تعاملات دوتایی در تکامل ستاره‌ای، و نحوهٔ توزیع عناصر در کهکشان حیاتی است.
جمع‌بندی و نکات کلیدی برای پژوهش‌های آینده
- تناقض بین سن شیمیایی (فراوانی آلفا) و سن آستروسِیسمولوژیک نشان میدهد که تاریخچهٔ دوتایی و انتقال جرم میتواند تصویر سنین ستاره‌ها را تحریف کند.
- دوران نسبتاً سریع غول سرخ در Gaia BH2 نشانهٔ انتقال تکانهٔ زاویهای از یک رویداد خارجی مانند ادغام یا انتقال جرم در گذشته است.
- گایا به‌عنوان ابزاری برای کشف سیاه‌چاله‌های ساکت اهمیت دارد؛ ترکیب داده‌های گایا با TESS و طیف‌سنجی‌های زمینی رویکرد قدرتمندی برای بررسی این جمعیت نوظهور است.
- گامهای بعدی شامل رصدهای طولانی‌مدت TESS، طیفسنجی با وضوح بالا و شبیهسازیهای تکاملی-هیدرودینامیکی است تا مکانیزم‌های محتمل به‌طور کمی بررسی شوند.
در مجموع، Gaia BH2 نمونه‌ای شاخص از سیستم‌هایی است که به ما نشان می‌دهند چگونه تعاملات دوتایی و رخدادهای خشونت‌آمیز می‌توانند تاریخچهٔ شیمیایی و سنی ستارگان را بازنویسی کنند. افزایش نمونه‌های کشف‌شدهٔ سیاه‌چاله‌های ساکت و تحلیل دقیق‌تر هر مورد، درک ما از تکامل ستاره‌ای، تولید عناصر و دینامیک کهکشان را به‌طرزی چشمگیر ارتقا خواهد داد.
منبع: sciencealert
ارسال نظر