کاروتک

تکنولوژی و علمی

تلویزیون و سینما

تلویزیون کاروتک

این خالقان کیهانی که از ماده تاریک نیرو می‌گیرند، می‌توانند مسئول وجود ما و ظاهر جهان امروزی باشند.

هر از گاهی یک نور بسیار روشن به‌صورت ناگهانی در فضا دیده می‌شود که خبر از مرگ یک ستاره می‌دهد. با این حال، مرگ تنها بخشی از چرخه زندگی ستارگان است؛ زیرا مواد غنی ایجاد شده در هنگام مرگ ستاره توسط ابرنواختر به فضا پرتاب می‌شوند.

وقتی نسل بعدی ستارگان شکل می‌گیرند، بقایای ابرنواختر را جارو می‌کنند و فلزاتی را که یک ستاره در حال مرگ تولید می‌کند، جمع می‌کنند. فلزات اصطلاحی است که ستاره‌شناسان برای هر چیزی سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم استفاده می‌کنند. فلزات یکی از مهم‌ترین بخش‌های ستارگان هستند؛ بدون آن‌ها، غبار اطراف یک ستاره تازه شکل‌گرفته نمی‌تواند سیارات سنگی ایجاد کند. اما اگر ستارگان جدید فلزات تولید شده در مرگ ستارگان قدیمی را استفاده می‌کنند، اولین ستارگان دنیا چگونه فلزات خود را به‌دست آورده‌اند یا اصلا چگونه تشکیل شده‌اند؟ این دقیقا همان سوالی است که جواب آن به ستاره‌های تاریک ختم می‌شود و ما قصد داریم به آن بپردازیم.

قبل از این‌که وارد اصل ماجرا بشویم، ابتدا باید بدانید که جهان از دو ماده مجزا تشکیل شده است: ماده معمولی و ماده تاریک. ماده تاریک، ماده اسرارآمیزی است که هنور مستقیما شناسایی نشده است و ماده معمولی نیز شامل همه چیزهایی است که حجم و جرم داشته باشند. به‌عبارتی دیگر، هر شیء فیزیکی که مشاهده می‌کنید، جزء ماده معمولی است. اکنون که تفاوت این دو ماده را متوجه شدیم، می‌توانیم به بحث اصلی خودمان بپردازیم.

دسته‌بندی ستارگان

جهان با بیگ‌بنگ آغاز شد و گازهای هیدروژن، هلیوم، مقادیر کمی لیتیوم و شاید بریلیم را نیز همراه خود ایجاد کرد. در ابتدا ماده تاریک شروع به جمع کردن گاز‌ها و چیز‌های بیش‌تری از طریق جاذبه گرانشی به سمت خود کرد. سپس، ماده معمولی چیزهایی را که می‌توانیم ببینیم، مانند هیدروژن و هلیوم را سمت خود جذب کرد. بعد از این فرایند، ماده تاریک و معمولی با هم چیزی را ایجاد کردند که به عنوان «هاله کوچک» یا «Mini Halo» شناخته می‌شود. البته نام آن تا حدودی گمراه کننده است؛ زیرا هاله‌ کوچک دارای جرمی حدود یک میلیون برابر خورشید ما بوده است.

در واقع، هاله‌های کوچک، زادگاه اولین ستاره‌های کیهان در 200 میلیون سال پس از بیگ‌بنگ هستند.

اولین ستارگان به‌عنوان ستارگان III شناخته می‌شوند و به‌دلیل این‌که بسیار کم‌نور هستند، هیچ‌کدام از آن‌ها تا به‌‌حال مشاهده نشده‌اند. اولین ستارگان باید با آن‌چه 200 میلیون سال پس از بیگ‌بنگ در دسترس بوده است به‌وجود آمده باشند و از ابرهایی که فقط حاوی هیدروژن و هلیوم بودند تشکیل شده‌اند. سپس، در انفجار ابرنواخترها جان خود را از دست دادند و اولین فلزات را برای گروه بعدی ستارگان، یعنی گروه II که دارای نسبت کمی از فلزات هستند، تولید کردند. ستاره‌های این گروه نیز ستاره‌هایی غنی از فلزات در گروه I ایجاد کردند. در واقع، ستاره‌های گروه I، همان ستاره‌هایی هستند که امروزه وجود دارند و ما شب‌ها به زیبایی مسحورکننده‌‌شان خیره می‌شویم.

ماده تاریک چه نقشی در ساخت ستاره‌های تاریک دارد؟

ماده تاریک در هاله کوچک بیش‌ترین عناصر را گرد‌آوردی کرده است و حتی ممکن است در اعماق اولین ستاره‌ها نیز وجود داشته باشد. این ستارگان به‌دلیل وجود ماده تاریک درون‌شان به «ستاره‌های تاریک» معروف هستند؛ اگرچه در واقع بسیار درخشان بوده‌اند (‌به‌طور کلی به‌نظر می‌رسد که علم در نام‌گذاری خیلی موفق نبوده است).

همه چیزهایی که می‌توانیم ببینیم و تشخیص دهیم، (تمام ستارگان و کهکشان‌ها) فقط 5 درصد از جهان را تشکیل می‌دهند؛ در حالی که ماده تاریک 25 درصد از کیهان در دستان خود دارد. 70 درصد باقی‌مانده نیز از انرژی تاریک ساخته شده است. انرژی تاریک یکی دیگر از موارد عجیب و غریب این دنیا است که تصور می‌شود مسئول انبساط جهان است.

بیش‌تر بخوانید: ماده تاریک و انرژی تاریک چه هستند و چگونه تشکیل شدند؟

طبق تحقیقات انجام‌شده اخیر، ماده تاریک با ماده معمولی واکنش نمی‌دهد و هیچ نوری تولید نمی‌کند. ما فقط می‌دانیم که نیروی گرانشی عظیمی که در ماده تاریک وجود دارد روی ماده معمولی تأثیر می‌گذارد؛ پس به‌دلیل وجود ماده معمولی در ستاره‌های تاریک، ماده تاریک نیز باید در آن‌ها وجود داشته باشد.

یکی از نظریه‌های پیشرو که تلاش می‌کند مواد نامرئی در جهان را توضیح دهد، ذره‌ای فرضی است که به عنوان WIMP شناخته می‌شود. WIMP یک ذره عظیم با تعامل بسیار ضعیف است. اگر دو WIMP با یکدیگر برخورد کنند، یکدیگر را در فرآیندی به نام «نابودی» از بین می‌برند. این موضوع به این دلیل است که نظریه‌هایی مختلفی هستند که پیش‌بینی می‌کنند WIMP‌ها ضد ذراتی که شبیه خودشان باشند، هستند؛ درست مانند دو قطب هم‌نام آهن‌ربا که وقتی به هم نزدیک می‌شوند هم‌دیگر را دفع می‌کنند.

حال ممکن است با خود بپرسید که ارتباط بین WIMPها و ماده تاریک و معمولی چیست؟ احتمال داده می‌شود که WIMPها در ماده معمولی حضور داشته باشند و همان‌طور که گفته شد، ماده معمولی در ستاره‌های گروه III وجود دارد. هم‌چنین ما فهمیدیم که ذرات WIMP هم‌دیگر را از بین می‌برند؛ پس باید بین ماده معمولی که در ستاره‌های تاریک وجود دارد چیزی باشد که مانع برخورد WIMPها به یک‌دیگر شود و آن چیز، احتمالا همان ماده تاریک است؛ زیرا در 200 میلیون سال پس از بیگ‌بنگ هیچ چیز دیگری وجود نداشته است که بتواند مانع برخورد WIMPها به یک‌دیگر شود.

هم‌جوشی، مقدمه‌ای برای نابودی ستارگان

ماده معمولی دارای ذرات بسیار ریزی است که خواص یکسان اما بار مخالف دارند. اتم‌ها نیز از هسته‌ای تشکیل شده‌اند که توسط الکترون‌ها احاطه شده است. الکترون‌ها دارای بار منفی هستند و اگر با ذره‌ای به نام پوزیترون (که بار مثبت دارد) برخورد کنند، الکترون و پوزیترون به‌طرز فاجعه‌باری یک‌دیگر را نابود می‌کنند.

یک از پیامد‌های این نابودی، تولید انرژی به‌مقدار بسیار زیاد است. همان‌طور که یک ستاره در یک هاله کوچک شروع به تشکیل می‌کند، مواد در حال فروپاشی این انفجار نیز حاوی هیدروژن، هلیوم و WIMP هستند. در ابتدا انرژی تولید‌شده توسط WIMPهای برخورد کننده به فضا نشت می‌کند. اما زمانی که چگالی هیدروژن به اندازه کافی بالا باشد، انرژی حاصل از WIMPها را در داخل ستاره به دام افتاده می‌شود. اگرچه WIMPها تنها بخش کوچکی از جرم ستاره را تشکیل می‌دهند، اما در تولید انرژی به‌قدری کارآمد هستند که می‌توانند یک ستاره تاریک را برای میلیون‌ها یا حتی میلیاردها سال انرژی بدهند.

هنوز مشخص نیست که آیا همه ستارگان اولیه یا ستارگان معمولی و بدون ماده تاریک گروه III، ستارگان تاریک بوده‌اند یا هر دو نوع ستاره در کنار هم وجود داشته‌اند. اریک زاکریسون از دانشگاه اوپسالا در سوئد می‌گوید:

سناریوی استاندارد برای تشکیل اولین ستاره‌ها بر وجود ماده تاریک متکی نیست. در واقع، ستاره‌های تاریک به‌عنوان یک جایگزین عجیب و غریب برای مسیر شکل‌گیری استاندارد دیده می‌شوند.

ستاره‌های معمولی از هم‌جوشی نیرو می‌گیرند؛ هم‌جوشی فرآیندی است که هیدروژن را به هلیوم در هسته ستاره تبدیل می‌کند. ستارگان گروه III بسیار پرجرم هستند و وزنی در حدود 100 برابر جرم خورشید ما دارند. با این حال، آن‌ها هم‌چنین بسیار گرم بوده‌اند و این موضوع، مقدار موادی را که می‌توانستند بسازند محدود می‌کرد. از سوی دیگر، ستارگان تاریک بسیار سردتر بودند. این بدان معنا است که آن‌ها می‌توانستند میزان قابل‌توجهی از مواد اطراف خود را جمع کنند و تا زمانی که ماده تاریک کافی برای سوخت آن‌ها وجود داشته باشد، رشد کنند. ستارگان تاریک می‌توانستند جرمی تا یک میلیون برابر خورشید داشته باشند و درخشندگی آن‌ها یک میلیارد برابر بیش‌تر از آن باشد.

بازگشت همه به سوی سیاه‌چاله‌هاست

دنیا بر این پایه است که همه چیز‌های خوب روزی باید به پایان برسند. WIMPها نیز از این قضیه مستثنی نیستند؛ اما تفاوت آن‌ها با چیز‌های دیگر این است که WIMPها خودشان خودشان را نابود می‌کنند. برخلاف ستارگان گروه III که به زندگی خود با ابرنواختر پایان می‌دهند، ستارگان تاریک آن‌قدر عظیم هستند که سرنوشت‌شان به سیاه‌چاله‌ها ختم می‌شود. البته ستاره‌های تاریک کوچک‌تر اندکی دیرتر فراموش می‌شوند و برای مدت کوتاهی به‌عنوان یک ستاره معمولی با نیروی هم‌جوشی مشتعل شوند. وقتی این اتفاق می‌افتد، ستاره منقبض و بسیار داغ‌تر از حالت عادی می‌شود، هیدروژنی که درون ستاره وجود دارد به‌سرعت مصرف می‌شود و زمانی که سوخت کافی برای هم‌جوشی وجود نداشته باشد، ستاره به‌صورت اجتناب‌ناپذیر به یک سیاه‌چاله فروپاشی می‌کند.

بیش‌تر بخوانید: درباره تونل‌های کابوس‌وار کیهان، سیاه‌چاله‌ها چه می‌دانیم؟

در واقع، ستارگان تاریکی که جرم زیادی دارند، مرحله هم‌جوشی را به‌طور کامل دور زده و مستقیماً در یک سیاه‌چاله فرو می‌ریزند. این سیاه‌چاله‌ها به قدری عظیم هستند که زمانی که دانشمندان میزان بزرگی آن‌ها را متوجه شدند، متحیر شده بودند. سیاه‌چاله‌های پرجرم که می‌توانند میلیاردها جرم خورشیدی داشته باشند، در مرکز هر کهکشانی وجود دارند و تنها یک میلیارد سال پس از بیگ‌بنگ وجود داشته‌اند. با این حال، یک ستاره معمولی که در یک سیاه‌چاله فرو می‌ریزد، به بیش از چند صد میلیون سال نیاز دارد تا مواد کافی برای تبدیل شدن به یک سیاه‌چاله بزرگ را ببلعد. کاترین فریز از دانشگاه تگزاس در آستین توضیح می‌دهد:

ستاره‌های معمولی به‌دلیل کوچک بودن نمی‌توانند این کار را انجام دهند. از سوی دیگر، ستاره‌های تاریک می‌توانند بزرگ شوند و حتی تا یک میلیون برابر خورشید جرم داشته باشند. سپس وقتی سوخت‌شان تمام شد به سیاه‌چاله‌هایی با جرم میلیون‌ها خورشید فرو روند. در واقع،‌ ستاره‌های تاریک حکم دانه‌هایی کوچک را برای این سیاه‌چاله‌های ابر پرجرم هیولایی دارند.

هابل و جیمز وب در جست‌وجوی ستاره‌های تاریک

ستارگان تاریک پرجرمی که دارای WIMP هستند، تنها می‌توانستند در هاله‌های کوچک کیهان اولیه شکل گرفته باشند؛ زمانی که چگالی ماده تاریک بسیار بیش‌تر از امروز بود. با گذشت زمان، با انبساط جهان، همه چیز گسترده‌تر شد، بنابراین دیگر هاله کوچکی وجود نداشت که بتواند ستارگان تاریک بسیار پرجرم را متولد کند.

این موضوع هاله‌های کوچک را محدود به جهان اولیه می‌کند و هم‌چنین بدین معنا است که آن‌ها در فاصله بسیار زیادی از ما این‌جا روی کره زمین هستند. اخترشناسان از اصطلاح «تغییر سرخ» برای نشان دادن فاصله در کیهان‌شناسی استفاده می‌کنند؛ زیرا نور اجسام دور هنگام جابه‌جایی طیف مرئی قرمر را انعکاس می‌دهند و ما می‌توانیم با استفاده از آن متوجه شویم که یک جسم چقدر دور است. ستارگان تاریک نیز تقریبا در هیچ جابه‌جایی که طیف مرئی قرمز داشته باشد وجود ندارند و این موضوع رصد آن‌ها را بسیار سخت‌تر می‌کند. تصاویر مادون قرمز فوق‌العاده عمیق که توسط تلسکوپ هابل گرفته شده‌اند برای جستجوی ستاره‌های تاریک استفاده شدند، اما هیچ نشانه‌ای از آن‌ها یافت نشد. این لزوما به این معنی نیست که آن‌ها وجود ندارند، بلکه ممکن است ستارگان تاریک در معرض دید هابل نبوده باشند یا نور کمی داشته باشند. یکی از مأموریت‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب که در اکتبر 2021 به فضا پرتاب شد نیز شناسایی ستاره‌های تاریک است.

زاکریسون می‌گوید:

اگر ستاره‌های تاریک وجود داشته باشند و به اندازه کافی پرجرم، متعدد و با عمر طولانی باشند، مطمئناً جیمز وب شانس زیادی برای تأیید وجود آن‌ها در مادون قرمز دارد. با این حال، از آن‌جایی که توزیع ویژگی‌های ستاره‌های تاریک هم به ویژگی‌های ذرات ماده تاریک و هم به تکامل کیهانی هاله‌های کوچکی که میزبان آن‌ها هستند بستگی دارد، این موفقیت به‌هیچ‌وجه تضمین‌شده نیست.

در حال حاضر ناسا هنوز اطلاعاتی را مربوط به وجود مادون قرمز ستاره‌های تاریک در عکس‌های تلسکوپ جیمز وب منتشر نکرده است. اما حتی اگر جیمز وب نتواند ستارگان تاریک منفرد را تشخیص دهد، ممکن است هم‌چنان بتواند درخشش کلی آن‌ها را تشخیص دهد. هما‌ن‌طور که چراغ‌هایی که در خیابان‌ها وجود دارند یک درخشش زرد در فضای خیابان ایجاد می‌کنند، نور ستاره‌ها و کهکشان‌ها در فضا پخش می‌شود و می‌تواند قابل شناسایی و مشاهده باشد. این پدیده «نور پس‌زمینه کهکشانی» یا «EBL» شناخته می‌شود. EBL قبلاً تا حدی توسط هابل مشخص شده است؛ اما اندازه‌گیری‌های که جیمز وب ارائه می‌کند، بسیار بهبود‌یافته هستند و می‌توانند کمک زیادی به شناسایی ستاره‌های تاریک کنند.

نسل جدید ستارگان تاریک

در حالی که نابودی WIMP از نظر تئوری می‌تواند سوخت کافی برای حفظ یک ستاره تاریک را برای میلیاردها سال فراهم کند، بعید است که هیچ یک از ستارگان تاریک از کیهان اولیه تا امروز دوام آورده باشند. با این حال، این امکان وجود دارد که نسل جدیدی از ستارگان تاریک در جایی که غلظت ماده تاریک هنوز تا حدودی بالاست، مانند مرکز کهکشان‌ها، وجود داشته باشد. از آن‌جایی که ماده تاریکی که در مرکز کهکشان‌ها وجود دارد در مقایسه با هاله‌های کوچک خیلی کم‌تر است، نسل جدید ستارگان تاریک جرم بسیار کم‌تری دارند؛ در واقع، احتمال داده می‌شود که جرم ستارگان نسل جدید چیزی حدود خورشید ما باشد و به‌هیچ‌وجه قابل مقایسه با اولین ستاره‌های تاریک باشکوه کیهان اولیه نیستند.

نسل جدید ستارگان تاریک در نزدیکی مراکز کهکشان‌ها در حین به دام انداختن WIMPها در داخل خود شکل نگرفته‌اند، بلکه با گرفتن مقداری از ماده تاریکی که در مرکز کهکشان قرار دارند، شکل می‌گیرند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، گرمایش ماده تاریک از هم‌جوشی معمولی خارج می‌شود و ستارگان سرد و منبسط می‌شوند. این امر نه تنها باعث می‌شود که آنها جوان‌تر از آن‌چه هستند به‌نظر برسند، بلکه می‌تواند به‌طور تصاعدی طول عمر آنها را افزایش دهد. اگر ماده تاریک کافی برای جمع شدن در مرکز کهکشان‌ها وجود داشت، ستارگان تاریک می‌توانستند به‌طور نامحدود وجود داشته باشند. ستاره‌های تاریک ابدی می‌توانند زندگی برخی از ستارگان در جهان را مخدوش کنند.

احتمال دیگر این است که ستاره‌های مرده مانند ستاره‌های نوترونی یا کوتوله‌های سفید در مرکز کهکشان می‌توانند WIMP‌های کافی را جمع‌آوری کنند تا گرمایش ماده تاریک را تحریک کنند. در غیر این صورت این ستارگان با گذشت زمان کم‌نورتر می‌شدند؛ اما با وجود یک منبع گرمایشی جدید جان تازه‌ای دریافت می‌کردند و به‌طرز عجیبی جوان‌تر و داغ‌تر از حد انتظار به‌نظر می‌رسیدند.

شناخت سال‌های اولیه جهان شگفت‌انگیز ما و چگونگی پیدایش اولین ستارگان برای درک آن‌چه امروزه در اطراف خود می‌بینیم، بسیار مهم است. کیهان اولیه دوره‌ای است که درک آن بسیار دشوار است؛ اما با نسل بعدی تلسکوپ‌ها از جمله تسلکوپ جیمز وب، ممکن است در نهایت بتوان ستارگان تاریک عظیم‌الجثه کیهان اولیه و عموزاده‌های کم‌تر تأثیرگذار آن‌ها را در مرکز کهکشانی شناسایی کرد.

کشف این‌که آیا ستارگان مادر و گروه III همان ستاره‌های تاریک هستند، تأثیر عمیقی بر شناخت ما از جهان خواهد داشت. به امید روزی که بتوانیم تمام قسمت‌های تاریک کیهان را با نور علم روشن کنیم و به درک درستی از جهان برسیم.

پی‌نوشت

ابرنواختر: ابرنواختر بزرگ‌ترین انفجاری است که بشر می‌تواند ببیند و زمانی رخ می‌دهد که یک ستاره در حال مرگ باشد. این انفجار با به‌شدت درخشان و قدرت‌مند است.

انبساط جهان: فرض کنید که یک بادکنک باد نشده دارید و روی آن تعدادی نقطه را با خودکار مشخص می‌کنید. اکنون همان بادکنک را باد می‌کنید و همان‌طور که متوجه می‌شوید، نقاطی که مشخص کرده‌اید در حال فاصله گرفتن از یک‌دیگر هستند. انبساط جهان نیز یک چیزی مانند باد کردن بادکنک است؛ یعنی هر چقدر زمان بیش‌تری بگذرد، فاصله اجسام در کیهان از هم‌دیگر زیادتر می‌شود.

نور پس‌زمینه کهکشانی: EBL یا همان نور پس‌زمینه کهکشانی که از فروسرخ تا نور ماوراء بنفش گسترش می‌یابد، نور تمام ستارگان (و تا حدی هسته‌های فعال کهکشانی) است که تاکنون در جهان وجود داشته‌اند. دانش EBL برای درک تکامل جهان ما و نحوه تشکیل ستاره‌ها و کهکشان‌ها مهم است.