کشف زوج‌های نادر ستاره‌ای: نگاهی نو به تحول ستارگان

کشف جفت‌های ستاره‌ای در خوشه‌های ستاره‌ای جوان

ستاره‌شناسان دانشگاه تورنتو (U of T) اولین جفت‌های ستاره‌های کوتوله سفید و ستاره‌های اصلی زنجیره‌ای را در خوشه‌های ستاره‌ای جوان کشف کرده‌اند. این یافته که در مطالعه‌ای جدید در مجله نجوم و اخترفیزیک منتشر شده، بینش‌های جدیدی درباره یک مرحله افراطی از تکامل ستاره‌ای و یکی از بزرگ‌ترین معماهای اخترفیزیک ارائه می‌دهد. اکنون دانشمندان می‌توانند فاصله بین مراحل اولیه و نهایی سیستم‌های ستاره‌ای دوتایی را پر کنند — دو ستاره‌ای که حول یک مرکز گرانشی مشترک می‌چرخند — تا درک ما از چگونگی شکل‌گیری ستاره‌ها، چگونگی تکامل کهکشان‌ها و چگونگی ایجاد بیشتر عناصر جدول تناوبی را گسترش دهند. این کشف همچنین می‌تواند به توضیح رویدادهای کیهانی مانند انفجارهای سوپرنوا و امواج گرانشی کمک کند، زیرا دوتایی‌هایی که شامل یکی یا چند تا از این ستاره‌های مرده فشرده هستند، منبع چنین پدیده‌هایی به شمار می‌روند.

نقش ستاره‌های دوتایی در کیهان

بیشتر ستاره‌ها در سیستم‌های دوتایی وجود دارند. در واقع، تقریباً نیمی از تمام ستاره‌های مشابه خورشید ما حداقل یک ستاره همراه دارند. این ستاره‌های جفت معمولاً از نظر اندازه متفاوت هستند، به طوری که یکی از آن‌ها معمولاً از دیگری بزرگ‌تر است. اگرچه ممکن است وسوسه شوید که فرض کنید این ستاره‌ها با یک نرخ مشابه تکامل می‌یابند، اما ستاره‌های بزرگ‌تر معمولاً عمر کوتاه‌تری دارند و مراحل تکامل ستاره‌ای را بسیار سریع‌تر از همتایان کم‌جرم خود طی می‌کنند.

در مرحله‌ای که یک ستاره به پایان عمر خود نزدیک می‌شود، در آنچه که به آن مرحله غول قرمز یا شاخه غول نامتقارن می‌گوییم، به صدها یا هزاران برابر اندازه اولیه خود گسترش می‌یابد. در سیستم‌های دوتایی نزدیک، این گسترش به قدری شدید است که لایه‌های خارجی ستاره در حال مرگ می‌توانند به طور کامل ستاره همراه خود را در بر بگیرند. ستاره‌شناسان به این مرحله، مرحله پوشش مشترک می‌گویند، زیرا هر دو ستاره در یک ماده مشترک پیچیده می‌شوند. این مرحله یکی از بزرگ‌ترین معماهای اخترفیزیک باقی مانده است. دانشمندان برای درک چگونگی تأثیر چرخش ستاره‌ها به سمت یکدیگر در این دوره بحرانی بر تکامل بعدی آن‌ها با چالش‌هایی مواجه بوده‌اند. این تحقیق جدید ممکن است این معما را حل کند.

کوتوله‌های سفید و مراحل تکامل ستاره‌ای

بازمانده‌های باقی‌مانده پس از مرگ ستاره‌ها، اشیاء فشرده‌ای به نام کوتوله‌های سفید هستند. یافتن این سیستم‌های پس از پوشش مشترک که شامل یک بازمانده ستاره‌ای “مرده” و یک ستاره “زنده” هستند — که به آن‌ها دوتایی‌های کوتوله سفید-زنجیره‌ای اصلی می‌گویند — روشی منحصربه‌فرد برای بررسی این مرحله افراطی از تکامل ستاره‌ای فراهم می‌کند.

استفانی گروندین، نویسنده اصلی این تحقیق و دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دپارتمان نجوم و اخترفیزیک دیوید آ. دانلاپ در دانشگاه تورنتو می‌گوید: “ستاره‌های دوتایی نقش بسیار بزرگی در جهان ما ایفا می‌کنند. این نمونه مشاهداتی یک گام کلیدی در فراهم کردن امکان پیگیری چرخه‌های زندگی کامل دوتایی‌ها است و امیدواریم به ما کمک کند تا مرزهای مرحله مرموزترین تکامل ستاره‌ای را محدود کنیم.”

تحلیل داده‌ها با استفاده از یادگیری ماشین

محققان از یادگیری ماشین برای تحلیل داده‌ها از سه منبع اصلی استفاده کردند: مأموریت گایا آژانس فضایی اروپا – یک تلسکوپ فضایی که بیش از یک میلیارد ستاره در کهکشان ما را مطالعه کرده است – به همراه مشاهدات از نظرسنجی‌های 2MASS و Pan-STARRS1. این مجموعه داده ترکیبی به تیم این امکان را داد تا به جستجوی جفت‌های جدید در خوشه‌هایی بپردازند که ویژگی‌های مشابهی با جفت‌های کوتوله سفید و توالی اصلی شناخته شده دارند. با اینکه این نوع سیستم‌های دوتایی باید بسیار رایج باشند، اما پیدا کردن آن‌ها دشوار بوده و تنها دو نامزد در خوشه‌ها قبل از این تحقیق تأیید شده بودند. این تحقیق پتانسیل افزایش این تعداد به 52 دوتایی در 38 خوشه ستاره‌ای را دارد.

از آنجایی که ستاره‌های این خوشه‌ها تصور می‌شود که همزمان شکل گرفته‌اند، پیدا کردن این دوتایی‌ها در خوشه‌های ستاره‌ای باز به ستاره‌شناسان این امکان را می‌دهد که سن سیستم‌ها را محدود کنند و تکامل کامل آن‌ها را از قبل از شرایط پوشش مشترک تا دوتایی‌های مشاهده شده در مرحله پس از پوشش مشترک پیگیری کنند.

جاشوا اسپگل، نویسنده همکار و استاد در دپارتمان نجوم و اخترفیزیک دیوید آ. دانلاپ و دپارتمان علوم آماری دانشگاه تورنتو، می‌گوید: “استفاده از یادگیری ماشین به ما کمک کرد تا نشانه‌های واضحی برای این سیستم‌های منحصر به فرد شناسایی کنیم که نمی‌توانستیم به راحتی با چند نقطه داده پیدا کنیم.” او ادامه می‌دهد: “این همچنین به ما این امکان را داد که جستجوی خود را در میان صدها خوشه به صورت خودکار انجام دهیم، کاری که اگر بخواهیم این سیستم‌ها را به صورت دستی شناسایی کنیم، غیرممکن بود.”

ماریا دروت، نویسنده همکار و استاد در دپارتمان نجوم و اخترفیزیک دیوید آ. دانلاپ دانشگاه تورنتو، می‌گوید: “این واقعاً نشان می‌دهد که چقدر در جهان ما در دید مستقیم پنهان است – هنوز در انتظار کشف شدن.” او اضافه می‌کند: “در حالی که نمونه‌های زیادی از این نوع سیستم دوتایی وجود دارد، تعداد بسیار کمی از آن‌ها دارای محدودیت‌های سنی لازم برای ترسیم کامل تاریخ تکاملی خود هستند. در حالی که کارهای زیادی باقی مانده است تا این سیستم‌ها تأیید و به طور کامل مشخص شوند، این نتایج تأثیرات قابل توجهی در چندین حوزه اخترفیزیک خواهند داشت.”

دوتایی‌هایی که شامل اشیاء فشرده هستند، اجداد یک انفجار ستاره‌ای شدید به نام سوپرنوا نوع Ia و نوع ادغامی هستند که باعث ایجاد امواج گرانشی می‌شود، که امواجی در فضا-زمان هستند که می‌توانند توسط ابزارهایی مانند رصدخانه امواج گرانشی لیزری (LIGO) شناسایی شوند. در حالی که تیم از داده‌های تلسکوپ‌های جمنای، کک و ماژلان برای تأیید و اندازه‌گیری ویژگی‌های این دوتایی‌ها استفاده می‌کند، این کاتالوگ در نهایت به روشن کردن بسیاری از پدیده‌های گذرا و فرار در جهان ما کمک خواهد کرد.

مؤسسات مشارکت‌کننده شامل دپارتمان نجوم و اخترفیزیک دیوید آ. دانلاپ، مؤسسه دانلاپ برای نجوم و اخترفیزیک، دپارتمان علوم آماری و مؤسسه علوم داده در دانشگاه تورنتو، همچنین مؤسسه فنی ملی برای ناشنوایان و مرکز نسبیت محاسباتی و گرانش در مؤسسه فناوری راچستر، دپارتمان نجوم و مؤسسه تحقیقاتی اخترفیزیک در دانشگاه بوستون و دپارتمان نجوم در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی می‌باشد.