کشف “زوج‌های ستاره‌ای عجیب” که به رازهای کیهان جواب می‌دهند!

کشف زوج‌های ستاره‌ای در دل پُـرشورِ خوشه‌های ستاره‌ای جوان

منجمان دانشگاه تورنتو (U of T) موفق به شناسایی اولین جفت‌های ستاره‌ای شدند که در آن‌ها یک عضو، کوتوله سفید است و دیگری یک ستاره از رده اصلی به شمار می‌رود. این کشف، که در مقاله‌ای جدید در نشریهٔ نجوم و اخترفیزیک (Astrophysical Journal) منتشر شده، دریچه‌ای نو به سوی یکی از عجیب‌ترین مراحل تکامل ستاره‌ای می‌گشاید و به معمایی بزرگ در علم اخترفیزیک پاسخ می‌دهد. اکنون دانشمندان می‌توانند فاصله‌ی میان مراحل اولیه و پایانی سامانه‌های ستاره‌های دوتایی را پر کنند. این سامانه‌ها، از دو ستاره تشکیل شده‌اند که به دور یک مرکزِ ثقل مشترک می‌چرخند. این امر به درک ما از چگونگی شکل‌گیری ستاره‌ها، تکامل کهکشان‌ها و چگونگی پیدایش عناصر گوناگون جدول تناوبی کمک شایانی خواهد کرد. این کشف می‌تواند به تبیین پدیده‌های کیهانی همچون انفجارهای ابرنواختری و امواج گرانشی نیز یاری رساند، چرا که سامانه‌های دوتایی‌ای که شامل یکی یا چند ستارهٔ فشرده و مرده هستند، منبع چنین رویدادهایی به شمار می‌روند.

نقش ستاره‌های دوتایی در پهنهٔ گیتی

بسیاری از ستاره‌ها به صورت دوتایی وجود دارند؛ به‌راستی، تقریباً نیمی از ستاره‌های مشابه خورشید ما، دست‌کم یک همدم دارند. این ستاره‌های جفت، معمولاً اندازه‌های متفاوتی دارند، به طوری که یک ستاره از دیگری بزرگ‌تر است. گرچه ممکن است این‌طور به نظر برسد که این ستاره‌ها با آهنگ مشابهی تکامل می‌یابند، اما ستاره‌های بزرگ‌تر، معمولاً عمر کوتاه‌تری دارند و مراحل تکاملی را بسیار سریع‌تر از همتایان کم‌جرم خود طی می‌کنند.

در مراحل پایانی عمر یک ستاره، در مرحله‌ای که آن را غول سرخ یا شاخهٔ غول پیکر نامتقارن می‌نامیم، اندازه‌ی ستاره به صدها یا هزاران برابر اندازه‌ی اولیه خود می‌رسد. در سامانه‌های دوتایی نزدیک به هم، این گسترش آن‌چنان شدید است که لایه‌های بیرونی ستارهٔ در حال مرگ توانایی دربرگرفتن کامل ستارهٔ همراه را پیدا می‌کنند. منجمان به این مرحله، مرحلهٔ پوشش مشترک می‌گویند، چرا که هر دو ستاره در یک ماده‌ی مشترک درهم می‌پیچند. این مرحله همچنان یکی از بزرگ‌ترین معماهای اخترفیزیک است. دانشمندان برای درک این‌که چرخش ستـاره‌ها به سمت یکدیگر در این دورهٔ بحرانی چه تأثیری بر تکامل بعدی آن‌ها دارد، با چالش‌هایی روبه‌رو بوده‌اند. این پژوهش جدید شاید بتواند به حل این معما کمک کند.

کوتوله‌های سفید و مراحل تکامل ستاره‌ای

بازمانده‌های باقی‌مانده پس از مرگ ستاره‌ها، اشیای فشرده‌ای به نام کوتوله‌های سفید هستند. یافتن این سامانه‌های پس از پوشش مشترک که شامل یک بازماندهٔ ستاره‌ای «مرده» و یک ستارهٔ «زنده» هستند – که به آن‌ها دوتایی‌های کوتوله سفید-رشته اصلی می‌گویند – روشی یگانه برای بررسی این مرحلهٔ افراطی از تکامل ستارگان فراهم می‌آورد.

استـفـانی گروندین، نویسندهٔ اصلی این پژوهش و دانشجوی دوره‌ی دکتری در گروه اخترشناسی و اخترفیزیک دیوید آ. دانلاپ در دانشگاه تورنتو می‌گوید: «ستاره‌های دوتایی نقش بسیار بزرگی در جهان ما بازی می‌کنند. این نمونه‌ی رصدی، گامی کلیدی در فراهم کردن امکان پیگیری چرخه‌های زندگی کامل دوتایی‌هاست و امیدواریم به ما کمک کند تا مرزهای مرحله‌ی مرموزترین تکامل ستاره‌ای را محدود کنیم.»

تحلیل داده‌ها با بهره‌گیری از یادگیری ماشینی

پژوهشگران از یادگیری ماشینی برای تحلیل داده‌ها از سه منبع مهم استفاده کردند: ماموریت گایا (Gaia) آژانس فضایی اروپا – یک تلسکوپ فضایی که بیش از یک میلیارد ستاره در کهکشان ما را بررسی کرده است – به همراه مشاهدات از نقشه‌های ۲MASS و Pan-STARRS1. این مجموعه داده‌ها به تیم امکان داد تا به جستجوی جُفت‌های جدید در خوشه‌هایی بپردازند که ویژگی‌های مشابهی با جفت‌های کوتوله سفید و رشتهٔ اصلی شناخته‌شده دارند. با وجود این‌که انتظار می‌رود این‌گونه سامانه‌های دوتایی بسیار متداول باشند، اما یافتن آن‌ها دشوار بوده و پیش از این پژوهش، تنها دو مورد از آن‌ها در خوشه‌ها تایید شده بودند. این پژوهش، پتانسیل افزایش این تعداد را به ۵۲ دوتایی در ۳۸ خوشهٔ ستاره‌ای نشان می‌دهد.

با توجه به این‌که تصور می‌شود ستاره‌های این خوشه‌ها همزمان شکل گرفته‌اند، یافتن این دوتایی‌ها در خوشه‌های ستاره‌ای باز، به منجمان امکان می‌دهد عمر سامانه‌ها را محدود کنند و کل سیر تکاملی آن‌ها را، از پیش از شرایط پوشش مشترک، تا دوتایی‌های مشاهده‌شده در مرحلهٔ پس از پوشش مشترک، پیگیری کنند.

جاشوا اِسپِگِل، از نویسندگان همکار این پژوهش و استاد گروه اخترشناسی و ‌اخترفیزیک دیوید آ. دانلاپ و گروه علوم آماری دانشگاه تورنتو، می‌گوید: «بکارگیری یادگیری ماشینی، به ما کمک کرد تا نشانه‌های واضحی از وجود این سامانه‌های منحصر به فرد را شناسایی کنیم که به‌آسانی و با تکیه بر چند داده‌ی اندک، امکان‌پذیر نبود.» وی در ادامه می‌افزاید: «این امر، همچنین به ما اجازه داد تا جستجوی خود را در میان صدهـا خوشه، به صورت خودکار انجام دهیم، کاری که اگر قصد داشتیم این سامانه‌ها را به روش معمول (دستی) شناسایی کنیم، غیرممکن بود.»

ماریا دروت، از دیگر نویسندگان همکار این پژوهش و استاد گروه اخترشناسی و اخترفیزیک دیوید آ. دانلاپ دانشگاه تورنتو می‌گوید: «این کشف واقعاً نشان می‌دهد که در جهان ما، چه چیزهای فراوانی در معرض دید نیستند و همچنان در انتظار کشف شدن هستند.» وی می‌افزاید: «در حالی که نمونه‌های زیادی از این نوع سامانه‌های دوتایی وجود دارد، اما تعداد بسیار کمی از آن‌ها دارای محدودیت‌های سنی لازم برای ترسیم کامل تاریخ تکاملی خود هستند. اگرچه کارهای بسیاری باقی مانده است تا این سامانه‌ها تایید و به طور کامل مشخص شوند، ولی این نتایج، تأثیرات قابل توجهی در حوزه‌های گوناگون اخترفیزیک خواهند گذاشت.»

دوتایی‌هایی که شامل اشیای فشرده هستند، اجداد یک انفجار پرقدرت ستاره‌ای به نام ابرنواختر نوع Ia و نوع هم‌ادغامی هستند که موجب پدید آمدن امواج گرانشی می‌شوند، که امواجی در فضا-زمان هستند و می‌توانند توسط ابزارهایی چون رصدخانهٔ امواج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری (LIGO) شناسایی شوند. تیم پژوهشگران از داده‌های تلسکوپ‌های Gemini، Keck و Magellan برای تأیید و اندازه‌گیری ویژگی‌های این دوتایی‌ها استفاده می‌کند؛ این فهرست، در نهایت به روشن‌تر شدن بسیاری از پدیده‌های گذرای و ناپایدار در جهان اطراف ما کمک خواهد کرد.

مؤسساتی که در این پژوهش مشارکت داشته‌اند، عبارت‌اند از: گروه اخترشناسی و اخترفیزیک دیوید آ. دانلاپ، مؤسسهٔ دانلاپ برای نجوم و اخترفیزیک، گروه علوم آماری و مؤسسهٔ علوم داده در دانشگاه تورنتو، همچنین مؤسسهٔ ملی فناوری برای ناشنوایان و مرکز نسبیت محاسباتی و گرانش در مؤسسه فناوری روکِستر، گروه اخترشناسی و مؤسسهٔ تحقیقاتی اخترفیزیک در دانشگاه بوستون و گروه اخترشناسی در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی.