دانشمندان چطور عمر یک ستاره را محاسبه می‌کنند؟

ما اطلاعات بسیاری در مورد ستاره‌ها داریم. پس از قرن‌ها مشاهده آسمان شب به وسیله تلسکوپ، ستاره‌شناسان می‌توانند ویژگی‌های اصلی هر ستاره همانند جرم یا ترکیب سازنده آن را بدست آورند. برای محاسبه جرم یک ستاره، تنها لازم است تناوب مداری آن را بررسی کنید و سپس به سراغ جبر بروید. از طرفی برای تعیین اینکه ستاره مورد نظر شما از چه چیزی ساخته شده است، می‌توانید طیف نوری ساطع شده آن را مطالعه کنید. با این حال، هنوز دانشمندان در بدست آوردن ویژگی دیگری از ستاره‌ها با مشکلاتی روبرو هستند. این ویژگی، سن ستاره است.

ستاره‌شناس «دیوید سودربلوم» از موسسه مطالعات فضایی بالتیمور در این‌باره می‌گوید: «خورشید تنها ستاره‌ای است که ما سن آن را بدست آورده‌ایم.»

حتی ستاره‌های شناخته شده‌ای که دانشمندان روی آن‌ها مطالعه می‌کنند، هر از چند گاهی باعث تعجب همگان می‌شوند. در سال 2019 وقتی ابرستاره سرخ Betelgeuse کم‌ نور شد، ستاره‌شناسان مطمئن نبودند که این ستاره تنها در حال پشت سر گذاشتن یک تغییر فاز است و یا یک انفجار ابرنواختری در حال رخدادن است، البته معلوم شد که تنها یک فاز بوده است. وقتی دانشمندان متوجه شدند که ستاره Betelgeuse همانند دیگر ستاره‌های میان‌سال رفتار نمی‌کند، بسیار شوکه شدند.

آن‌ها دریافتند که این ستاره در مقایسه با ستاره‌های هم‌ سن و هم جرم خود، فعالیت مغناطیسی کمتری دارد. این مسئله نشان می‌دهد که احتمالا ستاره‌شناسان درک صحیح و کاملی از ستاره‌های میان‌سال ندارند.

محاسبات مبتنی بر فیزیک و اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم سن یک ستاره می‌تواند یک مقدار تقریبی در اختیار ستاره‌شناسان قرار دهد. در این میان برخی از روش‌ها پاسخ‌های بهتری را به همراه دارند. عمدتا ستاره‌شناسان با استفاده از سه روش می‌توانند سن یک ستاره را بدست آورند.

نمودار Hertzsprung-Russell

امروزه ستاره‌شناسان اطلاعات بسیار خوبی درباره نحوه تولد یک ستاره، زندگی و نحوه مرگ آن‌ دارند. به عنوان مثال، ستارگان به وسیله سوخت هیدروژنی خود شروع به سوختن می‌کنند، اصطلاحا ورم می‌کنند و در نهایت گازهای خود را چه با صدای غرشی بلند، چه با ناله‌ای آهسته به فضا می‌رانند. اما هنگامی که دچار تغییر فاز در مراحل چرخه زندگی خود می‌شوند، فرآیندهای پیچیده‌ای اتفاق می‌افتند. وابسته به میزان جرم هر ستاره، ستارگان کم جرم به مرحله‌ای می‌رسند که می‌توانند برای میلیاردها سال بسوزنند و این در حالی است که ستارگان پر جرم جوان می‌میرند.

در اوایل قرن بیستم، دو ستاره‌شناس با نام‌های «اجنار هرتسپرانگ» و «هنری نوریس راسل»، به صورت مستقل به این ایده رسیدند که میزان حرارت و روشنایی هر ستاره را در یک نمودار ترسیم کنند. الگوهای مرتبط با نمودارهای Hertzsprung-Russell و یا به اختصار H-R، متناظر با وضعیتی هستند که ستارگان مختلف در طول چرخه زندگی خود به مرحله تغییر فاز مذکور می‌رسند. امروزه دانشمندان از این الگوها برای مشخص کردن سن خوشه‌های ستاره‌ای استفاده می‌کنند. فرض می‌شود خوشه‌های ستاره‌ای دارای ستارگانی هستند که همگی در یک زمان ساخته شده‌اند.

نکته مهم این است که در صورت استفاده نکردن از ریاضیات و مدل‌سازی، این روش تنها می‌تواند برای ستاره‌های خوشه‌ای که از نظر روشنایی و میزان حرارت با ستاره‌های نمودار H-R همخوانی دارند، استفاده شود. «تراویس متکالف»، ستاره‌شناس از موسسه علوم فضایی در Boulder می‌گوید: «این روش خیلی دقیق نیست. با این‌حال، بهترین روشی است که تاکنون بدست آورده‌ایم.»

نرخ چرخش

تا دهه 1970، اخترفیزیکدانان دریافته بودند ستاره‌های خوشه‌های جوان‌تر از ستار‌ه‌های خوشه‌های قدیمی سریع‌تر می‌چرخند. در سال 1972، «اندرو اسکومانیچ» ستاره‌شناس از نرخ چرخش یک ستاره و میزان فعالیت سطح آن استفاده کرد تا بتواند یک معادله ساده برای تخمین سن ستاره ارائه دهد. در در نهایت نتیجه مطالعات خود را بدین صورت منتشر کرد: نرخ چرخش =〖(سن)〗^ (1/2)

این روش برای دهه‌ها در تقریب سن تک تک ستاره‌ها استفاده شده بود، اما داده‌های جدید در کاربرد آن را زیر سوال بردند. به نظر می‌رسد که برخی از ستاره‌ها هنگام رسیدن به سن خاصی سرعت خود را کم نمی‌کنند. در عوض آن‌ها سرعت چرخش خود را تا آخر عمر حفظ می‌کنند.

متکالف می‌گوید: «چرخش بهترین پارامتری است که می‌توان از آن برای تقریب سن ستاره‌های کوچکتر از خورشید استفاده کرد.» اما برای ستاره‌های بزرگتر از خورشید، روش‌های دیگر بهتر هستند.

زلزله‌شناسی ستاره‌ای

داده‌های جدید که نشان می‌دهند بررسی میزان چرخش ستاره بهترین روش برای تخمین سن آن نیست، از یک منبع عجیب و بعید بدست آمده‌اند: شکارچی سیارات فراخورشیدی، تلسکوپ فضایی «کلپر». کلپر نه تنها این امکان را فراهم می‌کند که بتوان در زمینه سیارات فراخورشیدی مطالعه کرد، بلکه مبحث زلزله‌شناسی ستاره‌ای را با زیر نظر گرفتن ستاره‌ها برای مدت زمانی طولانی، به یک روش متداول تبدیل کرد.

تماشای سوسو زدن یک ستاره می‌تواند اطلاعاتی از سن آن در اختیار اخترشناسان قرار دهد. دانشمندان به تغییرات روشنایی یک ستاره به عنوان شاخصی نگاه می‌کنند که می‌توانند به کمک آن و انجام محاسباتی پیچیده، سن ستاره را به صورت تقریبی محاسبه کنند. برای انجام این کار، به یک مجموعه عظیم از داده‌های مرتبط با چرخش هر ستاره نیاز داریم – تلسکوپ کپلر قادر است این داده‌ها را فراهم کند.

سودربلوم می‌گوید: «همه فکر می‌کنند تمام ماموریت کپلر یافتن سیارات بوده است اما من دوست دارم بگویم که ماموریت این ماهواره، یک ماموریت ستاره‌ای بود که مخفیانه انجام می‌شد.»

این روش کمک کرد تا بحران میان‌سالی مغناطیسی خورشید مطرح شود و در نهایت سرنخ‌هایی درباره تکامل کهکشان راه شیری بدست آید. حدود 10 میلیارد سال پیش، کهکشان ما با یک کهکشان کوتوله برخورد کرده است. دانشمندان دریافته‌اند که ستاره‌های به جا مانده از آن کهکشان، جوان‌تر و یا تقریبا هم‌سن ستاره‌های اصلی کهکشان راه شیری هستند. بنابراین، راه شیری ممکن است سریع‌تر از آنچه پیشتر تصور می‌شد تکامل یافته باشد.

درحالی که تلسکوپ‌های فضایی مانند TESS ناسا و CHEOPS متعلق به آژانس فضایی اروپا الگوهای جدیدی را در آسمان بررسی می‌کنند، اخترفیزیکدانان می‌توانند اطلاعات بیشتری را در مورد چرخه حیات ستاره‌ کسب کنند. آن‌ها همچنین می‌توانند تخمین‌هایی برای سن ستاره‌های جدید نیز بزنند.

گذشته از کنجکاوی درباره ویژگی‌های ستارگان، آن‌ها اطلاعاتی فراتر از منظومه شمسی برای ما به همراه دارند. آن‌ها رموزی از نحوه تشکیل سیارات تا تکامل کهکشان و حتی حیات فرازمینی را در خود جای داده‌اند.

سودربلوم در پایان می‌گوید: «احتمالا یکی از همین روزها –شاید اندکی طول بکشد- کسی ادعا کند که نشانه‌هایی از زندگی را در یک سیاره یافته است. در این صورت اولین سوال بشر این است: این ستاره چند سال دارد؟» او در ادامه گفت: «پاسخ دادن به این سوال بسیار سخت است.»