کشف جدید: کوتوله‌های سفید داغ‌تر، رازهای ماده تاریک را فاش می‌کنند؟

تأثیر دما بر ستاره‌های کوتوله سفید: یه کشف تازه تو دنیای ستاره‌شناسی

یه مطالعه روی بیش از ۲۶,۰۰۰ تا ستاره‌ی کوتوله سفید، تأثیر پیش‌بینی‌شده ولی سخت‌گیرانه رو تو این ستاره‌های فوق‌العاده چگال و رو به موت تأیید کرد: ستاره‌های کوتوله سفید داغ‌تر، یکم قلبه‌سلمبه‌ترن نسبت به ستاره‌های سردتر، حتی وقتی جرم‌شون یکی باشه. این یافته‌ها، دانشمندا رو یه قدم به استفاده از این اجرام ستاره‌ای به عنوان یه آزمایشگاه طبیعی برای بررسی تأثیرات گرانش شدید و دنبال کردن ذرات عجیب و غریب **ماده‌ی تاریک**، نزدیک‌تر کرده. جزئیات این تحقیق که توسط دانشگاه جانز هاپکینز رهبری شده، تو مجله‌ی «مجله اخترفیزیکی» چاپ شده.

خانم نیکول کرامپلر، اخترفیزیک‌دان دانشگاه جانز هاپکینز و کسی که رهبری این تحقیق رو داشت، گفت: «ستاره‌های کوتوله سفید، از بهترین ستاره‌هایی هستن که می‌تونیم باهاشون کار کنیم تا نظریه‌های بنیادین فیزیک رو آزمون کنیم و امیدواریم شاید بتونیم یه چیز عجیب پیدا کنیم که به فیزیک نوین بنیادی اشاره کنه.» اون اضافه کرد: «اگه می‌خواید دنبال ماده تاریک، گرانش کوانتومی یا چیزهای عجیب دیگه باشید، باید فیزیک معمولی رو هم خوب بفهمید. وگرنه، چیزی که جدید به نظر میاد، ممکنه فقط یه نسخه‌ی جدید از یه اثر باشه که قبلاً می‌شناسیم.»

ستاره‌های کوتوله سفید، مرکز ستاره‌هایی هستن که زمانی مثل خورشید ما بودن، ولی همه‌ی هیدروژنی رو که به عنوان سوخت هسته‌ای استفاده می‌شد، مصرف کردن. این ستاره‌های لخت، اون‌قدر چگال هستن که یه قاشق چای‌خوری از ماده‌شون، بیشتر از یه تن وزن داره؛ خیلی سنگین‌تر از ماده‌ی عادی! با این چگالی بالا، نیروی گرانشی‌شون می‌تونه صدها برابر قوی‌تر از زمین باشه.

این تحقیق به اندازه‌گیری تأثیر شرایط سخت بر امواج نوری که از ستاره‌های کوتوله سفید ساطع میشن، تکیه داشت. نور، موقع فرار از این اجرام سنگین، تو فرآیند فرار از گرانشش، انرژی‌ش رو از دست میده و کم‌کم به رنگ قرمزتر تبدیل میشه. این اثر، «قرمزشدگی» مثل کش اومدن لاستیک امواج نوری رو می‌کشه که تلسکوپا بتونن اندازه‌گیریش کنن. این پدیده به‌خاطر خمیدگی فضا-زمان به دلیل گرانش شدید هست؛ همون‌طور که نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی کرده بود.

با میانگین‌گیری اندازه‌گیری‌های حرکت ستاره‌های کوتوله سفید نسبت به زمین و گروه‌بندی‌شون بر اساس گرانش و اندازه، تیم تحقیقاتی تونست قرمزشدگی گرانشی رو جدا کنه و اندازه بگیره که چه‌جوری دماهای بالاتر روی حجم لایه‌های گازی بیرونی‌شون تأثیر می‌ذاره. این تحقیق، ادامه‌ی تلاش‌های همون گروه از دانشگاه جانز هاپکینزه. بررسی‌شون تو سال ۲۰۲۰ روی ۳,۰۰۰ تا ستاره کوتوله سفید تأیید کرد که این ستاره‌ها به خاطر «فشار انحطاط الکترون»، که یه فرآیند مکانیک کوانتومی هست، در حالی که جرمشون زیاد میشه، کوچیک می‌شن. این فرآیند، مرکز چگال‌شون رو تو طول میلیاردها سال، بدون نیاز به هم‌جوشی هسته‌ای که معمولاً خورشید و بقیه‌ی ستاره‌ها رو سرپا نگه می‌داره، پایدار نگه می‌داره.

خانم کرامپلر گفت: «تا حالا، تیم داده‌های کافی نداشت که با اطمینان، تأثیر ظریف‌تر اما مهم‌تری رو از دماهای بالاتر روی رابطه‌ی جرم-اندازه تأیید کنه.» این مطالعه شامل مشاهداتی از «نقشه‌برداری دیجیتال آسمان اسلون» هست که از تلسکوپ‌هایی تو شیلی و نیومکزیکو استفاده می‌کنه؛ و همچنین مأموریت گایا از آژانس فضایی اروپا. هر دو پروژه دارن به صورت مداوم، میلیون‌ها ستاره، کهکشان و بقیه‌ی اجرام کیهانی رو نقشه‌برداری و ردیابی می‌کنن.

کشف تفاوت‌های ریز تو هسته‌ی کوتوله‌های سفید

خانم نادیا زاکامسکا، استاد اخترفیزیک تو دانشگاه جانز هاپکینز و مدیر این تحقیق، گفت: «نقطه‌ی عطف بعدی، می‌تونه شناسایی تفاوت‌های خیلی ریز تو ترکیب شیمیایی هسته‌ی کوتوله‌های سفید با جرم‌های مختلف باشه.» اون اضافه کرد: «ما دقیقاً نمی‌دونیم که حداکثر جرمی که یه ستاره می‌تونه داشته باشه تا به یه کوتوله سفید تبدیل بشه چقدره؛ در مقابل یه ستاره نوترونی یا یه سیاه‌چاله. این اندازه‌گیری‌های با دقت بیشتر، می‌تونن به ما کمک کنن تا نظریه‌ها درباره این و بقیه‌ی فرآیندهای ناشناخته تو تکامل ستاره‌های بزرگ رو آزمون و اصلاح کنیم.»

خانم کرامپلر همچنین اشاره کرد که این مشاهدات می‌تونن به تلاش‌ها برای شناسایی نشانه‌های ماده‌ی تاریک، مثل آکسیون‌ها یا بقیه‌ی ذرات فرضی، کمک کنن. با ارائه یه تصویر دقیق‌تر از ساختارهای کوتوله سفید، تیم می‌تونه از این داده‌ها استفاده کنه تا سیگنال یه مدل خاص از ماده‌ی تاریک رو پیدا کنه که باعث ایجاد یه الگوی تداخل تو کهکشان ما می‌شه. اون ادامه داد: «اگه دو تا کوتوله سفید تو یه ناحیه با تداخل ماده تاریک قرار داشته باشن، تو این صورت ماده تاریک ساختار این ستاره‌ها رو به یه شکل تغییر می‌ده.» کرامپلر اضافه کرد: «با اینکه ماده تاریک جاذبه داره، ولی نور یا انرژی‌ای که تلسکوپا بتونن ببینن رو منتشر نمی‌کنه. دانشمندا می‌دونن که ماده تاریک، ماده‌ی اصلی موجود تو فضاست چون **جاذبه‌ش** رو ستاره‌ها، کهکشان‌ها و بقیه‌ی چیزای کیهانی تأثیر می‌ذاره؛ به یه شکل مشابه تأثیر خورشید رو مدار سیاره‌ی ما.

کرامپلر گفت: «ما سخت تلاش کردیم تا بفهمیم ماده تاریک چیه، ولی باید بگم که تو این زمینه هیچ چیز مشخصی نداریم. در واقع، ما چیزای زیادی رو درباره‌ی اینکه ماده تاریک چیه نمی‌دونیم و محدودیت‌هایی درباره‌ی اینکه چی می‌تونه و نمی‌تونه باشه داریم، ولی هنوز نمی‌دونیم که چیه. به همین خاطر، درک اجرام اخترفیزیکی ساده‌تر مثل ستاره‌های کوتوله سفید خیلی مهمه؛ چون اینا یه امیدی برای کشف حقیقت ماده‌ی تاریک به ما میدن.»

نویسنده‌ها و حمایت‌های مالی

بقیه‌ی نویسنده‌ها 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 هستن.

این تحقیق با حمایت برنامه‌ی بورس تحصیلی تحقیقات فارغ‌التحصیلی بنیاد ملی علوم تحت شماره‌ی گرنت 679DGE2139757، بورس پیرس از دانشگاه هاروارد، جایزه‌ی مرز ریاست دانشگاه جانز هاپکینز، یه گرنت اولیه از مؤسسه‌ی 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.

تلسکوپ‌های نظرسنجی دیجیتال اسلون تو رصدخونه آپاچی پوینت قرار دارن که توسط کنسرسیوم تحقیقات اخترفیزیکی تأمین مالی می‌شن و توسط دانشگاه ایالت نیومکزیکو اداره می‌شن. همچنین این تلسکوپا تو رصدخونه لاس کامپاناس قرار دارن که توسط مؤسسه‌ی کارنگی برای علم مدیریت می‌شه. تأمین مالی برای کنسرسیوم تحلیل داده‌های گایا، از سوی مؤسسات ملی‌ای که تو توافق‌نامه‌ی چندجانبه‌ی گایا شرکت کردن، فراهم شده.