شبیهسازی چگونگی پیدایش بذر نخستین ستارهها

شایدمحققان نتوانند نخستین ستارههای جهان را از پشت تلسکوپهایشان ببیننداما این مسئله باعث نمیشود که آنها از تلاش برای درک چگونگی پیدایش اینکرههای آتش از آن روزهای تاریک و سرد که جهان هنوز جوان بود،دستبردارند. شبیهسازیهای سه بعدی اخیر که در ژورنال ساینس (Science)منتشر شدهاند، مجموعه مراحلی هستند که چگونگی شکلگیری ستارهها را بهخوبی نشان میدهند. بر اساس این شبیهسازیها، پیش از آنکه ستارهها شکلبگیرند باید غبار و مه ناپایداری از اتمهای هیدروژن وجود داشته باشد کهبه شکل «پیش ستاره» (Protostar) متراکم شود. در واقع پیش ستاره کره چگالیاز اتمهای هیدروژن است که جرم آن به یک درصد جرم خورشید میرسد. اینبذرهای ستارهای سرانجام به شکوفایی کامل میرسند و به ستارههایی بزرگتراز خورشید تبدیل خواهند شد، ستارههایی که با راه افتادن فرایند همجوشیهستهای، هیدروژن در آنها به هلیم و سپس به تدریج به دیگر عناصر سنگینترتبدیل میشود.
این ستارهها که در واقع رآکتورهای هستهای غولآساییهستند که برخلاف رآکتورهای ساخت بشر به جای فرایند شکافت در آنها همجوشیهستهای رخ میدهد، با ادامه یافتن فعالیت هستهایشان، ستارههای مدرن،سیارات و حتی خود حیات را به وجود میآورند. این نتایج به دست آمده ازشبیهسازیهای سه بعدی بسیار پیچیده اخیر میتواند به روشن کردن دورانتاریک کیهان در خلال چند میلیارد سال نخست پس از «انفجار بزرگ» کمک کند،جهانی که حدود ۷/۱۳ میلیارد سال پیش با آن انفجار مهیب آغاز شد. پراکندگیو نوسانات «تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی» به محققان میگوید که اینموضوع نتیجه توزیع ناهمگن انفجار بزرگ است. این حقیقت که ستارهها وکهکشانها در جاهایی شکل گرفتهاند که گاز غلیظ و متراکم بوده است، بسیارساده به نظر میآید اما فواصل بینهایت عظیم در چنین مسائلی باعث میشودتا فرایندهای شبیهسازی بسیار چالشبرانگیز باشند. در بررسیهای اخیر کهتوسط محققانی از دانشگاه ناگویا در ژاپن، رصدخانه اخترشناختی ملی ژاپن درتوکیو و دانشگاه هاروارد انجام شده است، دما و چگالی گاز در امتدادفاصلههای عظیمی به طول هزاران سال نوری که بسیار بزرگتر از فاصله متوسطمیان ستارهها است و با دقتی در حد ۸۰ هزار کیلومتر که ۱۰ برابر کوچکتراز شعاع خورشید است، مورد محاسبه قرار گرفت.
این محققان در انجامشبیهسازیهای اخیرشان، بر زمانی تمرکز کردند که چیزی حدود ۳/۱ میلیاردسال از عمر جهان گذشته بود. در این شبیهسازیها گاز موجود در جهان در آنروزها، تحت نیروی گرانش خودش به شکل ابرهایی از مولکولهای هیدروژنچگالیده شد که ابعاد آنها به دهها سال نوری رسید. اما با وجود چنین ابعادعظیمی، این ابرها جرمی تنها به اندازه جرم خورشید داشتند. سپس این ابرهابر اثر ساطع کردن امواج و در نتیجه از دست دادن انرژی رو به سردی گذاشتند.کاهش دما شرایطی را پدید آورد تا این ابرها در مرکزشان به شکل مارپیچ مسطحدواری درآیند. پس از آنکه روند کاهش دما دیگر امکان ادامه نداشت، مرکز اینمارپیچ دوار به شکل کره نسبتا سفت و سختی درآمد که قطر آن به پنج میلیونکیلومتر رسید. در واقع سرد شدن مارپیچ تا جایی ادامه یافت که تراکم گازباعث افزایش چگالی و در نتیجه افزایش دما در مرکز مارپیچ شد. دمای گاز درمرکز کره به وجود آمده در مرکز مارپیچ به بیش از ۱۰ هزار درجه سانتیگرادرسیده بود.
با اینکه تا این جای کار فرایند شبیهسازی به خوبی پیش رفتهبود اما در این مرحله از فرایند واقعی شکلگیری ستاره با توقف کوتاهیمواجه شد. به هر حال جاری شدن امواج شوک از پیش ستاره در این مرحله باعثمیشود تا رفتار آن بسیار پیچیده و در نتیجه شبیهسازی آن بسیار دشوارباشد. با این حال آبراهام لوئب (A.Loeb)، محقق مرکز اخترفیزیکهارواد-اسمیتسونیان در اینباره میگوید «نتایج به دست آمده از اینشبیهسازی، شبیهسازیهای گذشته که با سادهسازیهای بیشتری همراهبودهاند را به خوبی تایید کرد.» لوئب در ادامه افزود «آنچه تا به حالنامعلوم مانده این است که این هسته مرکزی متراکم پس از آنکه شروع بهسوزاندن هیدروژن کرد، چه مقدار گاز را متراکم کرده است. در واقع با دانستناین مسئله میتوان جرم نهایی ستاره و همچنین سرنوشت آن را معلوم کرد،سرنوشتی که میتواند به پیدایش یک سیاهچاله یا ابرنواختر (Supernova)بینجامد. لوئب در این باره میگوید «اعتقاد بیشتر محققان بر این است کهاین ستاره به اندازه چند ۱۰ برابر جرم خورشید، گاز درون خود انباشته کردهبود. اگر چنین باشد، این ستاره پس از مرگ تبدیل به یک ابرنواختر خواهد شدکه میتواند عناصر سنگین و نیز بذر شکلگیری ستارههای کوچکتر را در پهنهبیکران فضا بدمد.» اما با این حال احتمال دیگری هر چند اندک وجود دارد کهاین ستاره تا رسیدن به جرمی معادل چند هزار برابر جرم خورشید، به رشد کردنادامه داده باشد.
در این صورت چنین ستاره غولآسایی به احتمال فراواندچار «رمبش» خواهد شد و در خود فرو خواهد ریخت تا یک سیاهچاله متولد شود،سیاهچالهای که تمام آن عناصر سنگین را خواهد بلعید. محققان برای تاییدنظراتشان باید تا به کار افتادن تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) صبر کنند.شاید این تلسکوپ فضایی که بر اساس برنامه قرار است در سال ۲۰۱۳ پرتاب وجانشین تلسکوپ فضایی هابل شود، بتواند با نگاه کردن به نور ضعیف به جامانده از آنکهکشانهای نخستین، نظرات محققان درباره نخستین ستارههایجهان را مورد تایید قرار دهد. ولکر بروم (V.Bromme)، اخترفیزیکدان دانشگاهتگزاس در سرمقالهای که برای مقاله اخیر منتشر شده در ژورنال ساینس نوشتهبود به این مسئله اشاره کرد که «ترکیب یافتههای به دست آمده از تلسکوپفضایی جیمز وب و دیگر آزمایشها و شبیهسازیهای اصلاح شده در آینده ایننوید را میدهد که طی دهه پیش رو بتوانیم آخرین شکاف در جهان بینیکیهانیمان را پر کنیم.»



کیوان فیضاللهی
Scientific American, Aug. ۰۱, ۲۰۰۸
روزنامه کارگزاران