پنج حقیقت اخترشناسی که در قرن بیست‌ویکم تغییر کردند

به گزارش عصر ایران، در آستانه قرن بیست‌ویکم دانشمندان تصور می‌کردند سازوکار بسیاری از پدیده‌های کیهانی را به درستی درک کرده‌اند، اما رصدهای دقیق‌تر در بیست‌وپنج سال اخیر نشان داد جهان هستی بسیار شگفت‌انگیزتر و پیچیده‌تر از مدل‌های کلاسیک عمل می‌کند.

بر پایه قوانین بنیادین گرانش، الکترومغناطیس، فیزیک کوانتوم و فیزیک هسته‌ای، شالوده نظری قدرتمندی برای پیش‌بینی اتفاقات آینده وجود دارد، اما هر چند وقت یک بار داده‌های رصدی تازه‌ای از راه می‌رسند که روایت تعریف‌شده درباره سازوکار جهان هستی را از نو می‌نویسند. در ادامه پنج مورد از بزرگ‌ترین باورهای علمی مرور می‌شود که طی ربع قرن گذشته دستخوش انقلاب شدند.

سرنوشت کوتوله‌های سفید و ابرنواخترهای نوع Ia

ستارگان سنگین‌تر در پایان عمر خود طی رویدادهای موسوم به «ابرنواخترهای رمبش هسته» منفجر می‌شوند و از بقایای آن‌ها ستارگان نوترونی و سیاه‌چاله‌ها پدید می‌آیند. ستارگان کم‌جرم‌تر از جمله ستارگانی هم‌اندازه خورشید، لایه‌های بیرونی خود را به صورت یک سحابی سیاره‌نما پرتاب می‌کنند و هسته مرکزی‌شان منقبض می‌شود تا یک «کوتوله سفید» را شکل دهد.

از نظر نظری، این کوتوله‌های سفید از هسته‌های اتمی و الکترون‌ها تشکیل شده‌اند و الکترون‌ها بر اساس «اصل طرد پائولی» فشاری به نام «فشار تبهگنی الکترونی» ایجاد می‌کنند که مانع فروپاشی بیشتر ستاره تحت نیروی گرانش می‌شود. اگر جرم کافی به کوتوله سفید اضافه شود، گرانش الکترون‌ها را به درون هسته‌های اتمی می‌راند و واکنش‌هایی مانند «گیراندازی الکترون» مجموعه‌ای مهارنشدنی از همجوشی را رقم می‌زند که کل کوتوله سفید را نابود می‌کند.

این آستانه بحرانی به عنوان «حد جرم چاندراسخار» شناخته می‌شود که معادل حدود ۱.۴ برابر جرم خورشید است. تا دهه‌ها تصور می‌شد جذب تدریجی ماده از ستاره همدم در سامانه‌های دوتایی و عبور از این حد، مکانیسم اصلی خلق «ابرنواخترهای نوع Ia» است. اما بررسی تعداد بسیار زیادی از ابرنواخترهای نوع Ia نشان داد جرم تمام کوتوله‌های سفید منفجرشده به طور قابل توجهی کمتر از حد چاندراسخار و در بازه حدود ۱.۰ تا ۱.۲ برابر جرم خورشید است.

مکانیسم پذیرفته‌شده امروز این است که دو کوتوله سفید در یک سامانه دوتایی با یکدیگر برخورد و ادغام می‌شوند. این ادغام سناریویی به نام «انفجار دوگانه» را رقم می‌زند که در آن ابتدا یک واکنش هسته‌ای در سطح بیرونی رخ می‌دهد و موج شوک ناشی از آن انفجار دوم و اصلی را در اعماق هسته داخلی فعال می‌کند. امروز در سال ۲۰۲۶ اخترشناسان بر این باورند که دست‌کم ۸۰ درصد و احتمالا تا ۱۰۰ درصد از تمام ابرنواخترهای نوع Ia ناشی از سناریوی انفجار دوگانه و ادغام دو کوتوله سفید هستند و سناریوی کلاسیک جذب تدریجی ماده احتمالا هرگز رخ نمی‌دهد.

ادغام کهکشان‌ها و چیدمان منظومه شمسی

دو نوع رایج از کهکشان‌های بزرگ و پرجرم، کهکشان‌های مارپیچی و کهکشان‌های بیضوی هستند. کهکشان‌های مارپیچی عمدتا در انزوای نسبی یافت می‌شوند و دارای قرص‌های سرشار از گاز با ستاره‌زایی فعال هستند. در مقابل کهکشان‌های بیضوی عموما بزرگ‌تر و پرجرم‌ترند، فاقد گاز و مواد اولیه برای ستاره‌زایی هستند و در اغلب موارد میلیاردها سال است که هیچ ستاره جدیدی در آن‌ها متولد نشده است.

تا آغاز قرن بیست‌ویکم این فرمول ساده پذیرفته شده بود: «مارپیچی + مارپیچی = بیضوی». تصور می‌شد برخورد دو کهکشان مارپیچی هم‌جرم و غنی از گاز باعث مصرف یا رانده شدن تمام گازهای ستاره‌ساز شده و کهکشان نهایی را به بیضوی تبدیل می‌کند. اما با نقشه‌برداری‌های گسترده مانند «نقشه‌برداری دیجیتال آسمان اسلوان» اخترشناسان تعداد عظیمی از کهکشان‌ها را در مراحل پیش از ادغام، حین ادغام و پس از ادغام زیر نظر گرفتند.

نتایج نشان داد در اکثریت قریب به اتفاق موارد هنگامی که دو کهکشان دارای قرص و غنی از گاز ادغام می‌شوند، محصول نهایی نیز همچنان دارای یک قرص سرشار از گاز و بازوهای مارپیچی تازه است. تبدیل شدن دو کهکشان مارپیچی به یک کهکشان بیضوی نیازمند تعداد بسیار زیادی برخورد و ادغام مکرر است تا سرانجام تمام مواد ستاره‌ساز مصرف یا تخلیه شوند.

ویژگی تعیین‌کننده منظومه شمسی، آرایش منظم آن است: چهار سیاره سنگی درونی، یک کمربند سیارکی، چهار غول گازی و یخی بیرونی و یک کمربند دوردست کویپر. در آغاز قرن بیست‌ویکم تصور می‌شد این چیدمان الگویی استاندارد است. اما با ماموریت‌های شکارچی سیارات فراخورشیدی مانند تلسکوپ‌های فضایی «کپلر» و «تس» این تصور در هم شکست.

اکنون می‌دانیم رایج‌ترین ستارگان کهکشان یعنی کوتوله‌های سرخ کم‌جرم به ندرت دارای سیارات غول‌پیکر هستند. رایج‌ترین جرم سیاره‌ای در کیهان سیاراتی هستند که از زمین سنگین‌تر اما از نپتون سبک‌ترند؛ اجرامی موسوم به «مینی-نپتون‌ها» یا «ابرزمین‌ها» که در منظومه شمسی هیچ نمونه‌ای از آن‌ها وجود ندارد. داده‌ها نشان می‌دهند هر نوع سیاره‌ای می‌تواند در هر فاصله‌ای از ستاره مادر شکل بگیرد و ستارگان می‌توانند بین صفر تا سه کمربند خرده‌سیاره‌ای داشته باشند. با کشف بیش از شش هزار سیاره فراخورشیدی، پیکربندی منظومه شمسی نه یک هنجار کیهانی بلکه صرفا نتیجه یک تصادف آماری بوده است.

ردیابی پس‌زمینه نوترینوی کیهانی

انبساط جهان، رشد ساختارهای بزرگ‌مقیاس، تابش ریزموج پس‌زمینه کیهانی و فراوانی اولیه عناصر سبک چهار ستون مشاهده‌ای کلاسیک نظریه «مهبانگ داغ» را تشکیل می‌دهند. یک ستون نظری پنجم نیز وجود داشت که پیش‌بینی شده بود اما تصور می‌شد برای همیشه غیرقابل مشاهده باقی بماند: یک پس‌زمینه به جا مانده از ذرات نوترینو و پادنوترینو که از نخستین ثانیه پس از مهبانگ در فضا سرگردان مانده‌اند.

به دلیل برهم‌کنش فوق‌العاده ضعیف نوترینوها با ماده، ردیابی مستقیم آن‌ها تقریبا غیرممکن به نظر می‌رسید. اما پس از آغاز قرن بیست‌ویکم اخترفیزیک‌دانان دریافتند به دلیل جدا شدن زودتر نوترینوها از پلاسمای اولیه و تفاوت دمای آن‌ها با تابش ریزموج پس‌زمینه، این ذرات امضای ظریف و متمایزی در دو مکان بر جای می‌گذارند: یکی در الگوی قله‌ها و دره‌های تابش ریزموج پس‌زمینه کیهانی و دیگری در ویژگی‌های نوسانی خوشه‌بندی کهکشان‌ها.

نخستین ردپای این پدیده در سال ۲۰۱۵ در داده‌های تابش ریزموج پس‌زمینه شناسایی شد و در سال ۲۰۱۹ نیز سیگنال مربوط به خوشه‌بندی کهکشان‌ها آن را تایید کرد. این دو روش ردیابی غیرمستقیم ثابت می‌کنند که پس‌زمینه نوترینوی کیهانی واقعا وجود دارد و دمای آن با خطای رصدی کمتر از ۲ درصد دقیقا با پیش‌بینی نظریه مهبانگ داغ مطابقت دارد.

راه‌های متنوع شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ها

در بخش عمده‌ای از قرن بیستم تصور می‌شد انفجارهای ابرنواختری رمبش هسته در پایان عمر ستارگان پرجرم تقریبا تنها روشی است که کیهان برای ساخت سیاه‌چاله به کار می‌گیرد. اما امروز می‌دانیم کیهان راه‌های متنوع‌تری برای خلق این اجرام دارد. علاوه بر اینکه در سال ۲۰۱۷ شواهد مستقیمی از طریق امواج گرانشی دریافت شد که ادغام دو ستاره نوترونی می‌تواند یک سیاه‌چاله خلق کند، مشاهدات دیگری نیز شگفتی آفریدند.

در سال ۲۰۰۷ تلسکوپ فضایی هابل یک ستاره بسیار پرجرم با جرم حدود ۲۵ برابر خورشید را رصد کرد، اما در سال ۲۰۱۵ متوجه شد این ستاره بدون هیچ انفجار ابرنواختری یا بقایای درخشانی به کلی ناپدید شده است؛ پدیده‌ای که نشان می‌دهد ستاره مستقیما در درون خود فروپاشیده و به سیاه‌چاله تبدیل شده است.

در سال‌های اخیر نیز تلسکوپ فضایی جیمز وب سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم و غول‌پیکری را در جهان اولیه کشف کرده است که جرمشان با مجموع جرم تمام ستارگان کهکشان میزبان برابری می‌کند و تنها از طریق «رمبش مستقیم» ابرهای عظیم گازی قابل توضیح هستند. در نهایت این پنج دگرگونی به ما یادآوری می‌کنند حتی پذیرفته‌شده‌ترین حقایق علمی ممکن است تنها تقریب ساده‌ای از یک واقعیت عمیق‌تر باشند.