بررسی ۲۶۰۰۰ ستاره‌ی مرده: حقایق شگفت‌انگیز آشکار شد

تأثیر دما بر ستاره‌های کوتوله سفید: کشف جدید در اخترشناسی

یک مطالعه بر روی بیش از ۲۶,۰۰۰ ستاره کوتوله سفید **تأثیر پیش‌بینی‌شده و دشواری** را در این ستاره‌های فوق‌چگال و در حال مرگ تأیید کرده است: ستاره‌های کوتوله سفید داغ‌تر **کمی پف‌دارتر** از ستاره‌های سردتر هستند، حتی زمانی که جرم آن‌ها یکسان باشد. این یافته‌ها دانشمندان را یک گام به استفاده از این اجرام ستاره‌ای به عنوان آزمایشگاه‌های طبیعی برای بررسی تأثیرات گرانش شدید و جستجوی ذرات عجیب **ماده تاریک** نزدیک‌تر کرده است. جزئیات این تحقیق که به رهبری دانشگاه جانز هاپکینز انجام شده، در نشریه «مجله اخترفیزیکی» منتشر شده است.

نیکول کرامپلر، اخترفیزیک‌دان دانشگاه جانز هاپکینز که رهبری این تحقیق را بر عهده داشته، گفت: “ستاره‌های کوتوله سفید یکی از بهترین ستاره‌هایی هستند که می‌توانیم با آن‌ها کار کنیم تا نظریه‌های بنیادی فیزیک را آزمایش کنیم و امیدواریم که شاید بتوانیم چیزی عجیب پیدا کنیم که به فیزیک بنیادی جدید اشاره کند.” او افزود: “اگر می‌خواهید به دنبال ماده تاریک، گرانش کوانتومی یا دیگر پدیده‌های عجیب باشید، باید فیزیک عادی را به خوبی درک کنید. در غیر این صورت، چیزی که به نظر جدید می‌رسد ممکن است تنها یک تجلی جدید از یک اثر باشد که قبلاً می‌شناسیم.”

ستاره‌های کوتوله سفید هسته‌های ستاره‌هایی هستند که زمانی مانند خورشید ما بودند اما تمام هیدروژنی را که به عنوان سوخت هسته‌ای استفاده می‌شد، مصرف کرده‌اند. این ستاره‌های برهنه آن‌قدر چگال هستند که یک قاشق چای‌خوری از ماده آن‌ها بیش از یک تن وزن دارد که بسیار سنگین‌تر از ماده عادی است. با این چگالی بالا، نیروی گرانشی آن‌ها می‌تواند صدها برابر قوی‌تر از زمین باشد.

این تحقیق به اندازه‌گیری تأثیر شرایط شدید بر امواج نوری که از ستاره‌های کوتوله سفید ساطع می‌شوند، متکی بود. نور در حال فرار از چنین اجرام سنگینی در فرآیند فرار از گرانش خود انرژی خود را از دست می‌دهد و به تدریج به رنگ قرمزتر تبدیل می‌شود. این اثر “قرمزشدگی” مانند لاستیک امواج نوری را کش می‌دهد به گونه‌ای که تلسکوپ‌ها می‌توانند آن را اندازه‌گیری کنند. این پدیده ناشی از انحراف زمان-فضا به دلیل گرانش شدید است، همان‌طور که توسط نظریه نسبیت عام انیشتین پیش‌بینی شده است.

با میانگین‌گیری اندازه‌گیری‌های حرکات ستاره‌های کوتوله سفید نسبت به زمین و گروه‌بندی آن‌ها بر اساس گرانش و اندازه، تیم تحقیقاتی توانست قرمزشدگی گرانشی را ایزوله کرده و بسنجد که چگونه دماهای بالاتر بر حجم لایه‌های گازی بیرونی آن‌ها تأثیر می‌گذارد. این تحقیق ادامه تلاش‌های همان گروه دانشگاه جانز هاپکینز است. بررسی آن‌ها در سال ۲۰۲۰ بر روی ۳,۰۰۰ ستاره کوتوله سفید تأیید کرد که این ستاره‌ها به دلیل “فشار انحطاط الکترون” که یک فرآیند مکانیک کوانتومی است، در حالی که جرم خود را افزایش می‌دهند، کوچک می‌شوند. این فرآیند هسته‌های چگال آن‌ها را در طول میلیاردها سال بدون نیاز به همجوشی هسته‌ای که معمولاً خورشید و دیگر انواع ستاره‌ها را پشتیبانی می‌کند، پایدار نگه می‌دارد.

تا کنون، تیم به اندازه کافی داده نداشت تا با اطمینان تأثیر ظریف‌تر اما مهم دماهای بالاتر بر رابطه جرم-اندازه را تأیید کند، کرامپلر گفت. این مطالعه شامل مشاهداتی از «نقشه‌برداری دیجیتال آسمان اسلون» است که از تلسکوپ‌هایی در شیلی و نیومکزیکو استفاده می‌کند و همچنین مأموریت گایا از آژانس فضایی اروپا. هر دو پروژه به طور مداوم در حال نقشه‌برداری و ردیابی میلیون‌ها ستاره، کهکشان و دیگر اجرام کیهانی هستند.

کشف تفاوت‌های ظریف در هسته‌های کوتوله‌های سفید

نادیا زاکامسکا، استاد اخترفیزیک در دانشگاه جانز هاپکینز و مدیر این تحقیق، گفت: “مرز بعدی می‌تواند شناسایی تفاوت‌های بسیار ظریف در ترکیب شیمیایی هسته‌های کوتوله‌های سفید با جرم‌های مختلف باشد.” او افزود: “ما به طور کامل نمی‌دانیم که حداکثر جرمی که یک ستاره می‌تواند داشته باشد تا به یک کوتوله سفید تبدیل شود، چیست؛ در مقابل، یک ستاره نوترونی یا یک سیاه‌چاله. این اندازه‌گیری‌های با دقت روزافزون می‌توانند به ما کمک کنند تا نظریه‌ها درباره این و دیگر فرآیندهای نامشخص در تکامل ستاره‌های بزرگ را آزمایش و اصلاح کنیم.”

کرامپلر همچنین اشاره کرد که این مشاهدات می‌توانند به تلاش‌ها برای شناسایی نشانه‌های ماده تاریک، مانند آکسیون‌ها یا سایر ذرات فرضی، کمک کنند. با ارائه تصویری دقیق‌تر از ساختارهای کوتوله سفید، تیم می‌تواند از این داده‌ها برای کشف سیگنال یک مدل خاص از ماده تاریک که منجر به الگوی تداخل در کهکشان ما می‌شود، استفاده کند. او ادامه داد: “اگر دو کوتوله سفید در همان ناحیه تداخل ماده تاریک قرار داشته باشند، در این صورت ماده تاریک ساختار این ستاره‌ها را به یک شکل تغییر می‌دهد.” کرامپلر افزود: “با اینکه ماده تاریک جاذبه دارد، اما نور یا انرژی‌ای که تلسکوپ‌ها بتوانند ببینند، منتشر نمی‌کند. دانشمندان می‌دانند که ماده تاریک عمده‌ترین ماده موجود در فضا را تشکیل می‌دهد زیرا جاذبه‌اش بر ستاره‌ها، کهکشان‌ها و سایر اشیاء کیهانی تأثیر می‌گذارد، به شیوه‌ای مشابه با تأثیر خورشید بر مدار سیاره ما.”

کرامپلر گفت: “ما به شدت تلاش کرده‌ایم تا بفهمیم ماده تاریک چیست، اما باید بگویم که در این زمینه هیچ چیز مشخصی نداریم. در واقع، ما چیزهای زیادی را درباره اینکه ماده تاریک چیست نمی‌دانیم و محدودیت‌هایی درباره اینکه چه چیزی می‌تواند و نمی‌تواند باشد داریم، اما هنوز نمی‌دانیم که چیست. به همین دلیل درک اشیاء اخترفیزیکی ساده‌تر مانند ستاره‌های کوتوله سفید بسیار مهم است، زیرا این‌ها امیدی برای کشف ماهیت ماده تاریک به ما می‌دهند.”

نویسندگان و حمایت‌های مالی

دیگر نویسندگان شامل ودانت چاندرا و پریانکا چاکرابورتی از مرکز اخترفیزیک | هاروارد و اسمیتسونیان؛ گوتام آدامانه پالاتادکا، استفان آرسنو و استیون پی. اشمیت از دانشگاه جانز هاپکینز؛ نیکولا گنتیله فوزیلو از دانشگاه تریسته؛ جی. جی. هرمس از دانشگاه بوستون؛ کارلس بادنس از دانشگاه پیتسبورگ؛ و بوریس تی. گانسیکه از دانشگاه وارویک هستند.

این تحقیق با حمایت برنامه بورس تحصیلی تحقیقات فارغ‌التحصیلی بنیاد ملی علوم تحت شماره گرنت 679DGE2139757، بورس پی‌یرس از دانشگاه هاروارد، جایزه مرز ریاست دانشگاه جانز هاپکینز، یک گرنت اولیه از موسسه مهندسی و علوم داده محور دانشگاه جانز هاپکینز، جایزه تحقیقات کارشناسی معاونت دانشگاه جانز هاپکینز، بنیاد آلفرد پی. اسلون و بنیاد هایزینگ-سیمونز انجام شده است.

تلسکوپ‌های نظرسنجی دیجیتال اسلون در رصدخانه آپاچی پوینت واقع شده‌اند که توسط کنسرسیوم تحقیقات اخترفیزیکی تأمین مالی و توسط دانشگاه ایالت نیومکزیکو اداره می‌شود. همچنین این تلسکوپ‌ها در رصدخانه لاس کامپاناس که توسط مؤسسه کارنگی برای علم مدیریت می‌شود، قرار دارند. تأمین مالی برای کنسرسیوم تحلیل داده‌های گایا از سوی مؤسسات ملی شرکت‌کننده در توافق چندجانبه گایا فراهم شده است.