اخترفیزیک: علم مطالعه هرآنچه در آسمان می‌بینیم

کمابیش برای همه ما پیش آمده است که نگاهی به آسمان بالای سر خود بیندازیم و اجرامی درخشان ازجمله ستاره‌ها یا دیگر سیارات را ببینیم. وضعیت، موقعیت و ویژگی‌های چنین اجرامی را چطور می‌توان با استفاده از علم توصیف کرد؟ آیا فیزیک می‌تواند یک ستاره را به‌صورت علمی برای ما توصیف کند؟ اینجاست که وارد حیطه علم اخترفیزیک می‌شویم. در این مقاله قصد داریم با این شاخه از علم آشنا شویم و حیطه‌‌های کاری مختلف اخترفیزیکدانان را بررسی کنیم.

نجوم، فیزیک و اخترفیزیک

مورخان علم عقیده دارند علوم نجوم و فیزیک از قدیمی‌ترین علوم دنیا هستند. بااین‌حال اخترفیزیک که قوانین فیزیک را بر هر چیزی که فراتر از زمین می‌بینیم، اعمال می‌کند، در قرن بیستم به یک علم رسمی تبدیل شد. تقریباً هرآنچه از عالم فراتر از زمین می‌دانیم، از اخترفیزیک می‌آید.

هرگاه انسان اجرام سماوی را رصد و ثبت می‌کند، درحقیقت در شاخه نجوم فعالیتی انجام داده است. از سوی دیگر، اگر قوانین فیزیک را در مطالعه این جرم سماوی به‌کار بگیرد، درگیر علم فیزیک شده است. مدت‌ها تصور می‌شد این دو رشته با قدمت هزاران‌ساله خود مستقل از یکدیگر هستند. به عبارت دیگر، تصور می‌شد فیزیک فقط برای مشاهدات و آزمایش‌های زمینی به‌کار می‌رود و نجوم قلمرو آسمان‌ها را کاوش می‌کند.

اما امروزه می‌دانیم قوانین فیزیک جامع هستند و همان‌طور که برای مشاهدات در زمین می‌توان به آن‌ها تکیه کرد، برای توصیف اجرام سماوی نیز می‌توان از آن‌ها استفاده نمود. قوانین فیزیک در تمام زمان‌ها و مکان‌ها یکسان است و تغییر نمی‌کند.

بنابراین اخترفیزیک هم‌پوشانی نجوم با فیزیک است: رشته‌ای که در آن هرآنچه در ورای زمین دیده می‌شود، با قوانین فیزیک مطالعه می‌گردد.

تاریخچه آغاز این علم به یوهانس کپلر بازمی‌گردد؛ زیرا به دقیق‌ترین روش ممکن حرکت اجرام در منظومه شمسی را با سه قانون خود توصیف کرد. این قوانین عبارتند از:

سیارات روی مدارهای بیضوی به دور خورشید می‌چرخند و خورشید در یکی از کانون‌های این بیضی قرار دارد. سیاراتی که به دور خورشید در گردش هستند، در بازه‌های زمانی برابر مسافت برابری را طی می‌کنند. دوره تناوب مدار یک سیاره با نیم محور اصلی مدار آن رابطه دارد.

جالب اینجاست این قوانین به‌صورت تجربی توسط کپلر به‌دست آمده و اکنون ثابت شده است که صحیح هستند.

پس از آن آیزاک نیوتن با قوانینی که ارائه داد، سبب تولد علم اخترفیزیک به‌صورت نوین شد. او قانون گرانش را - که پیش از این نیز مطالعه شده بود - به‌گونه‌ای تدوین کرد که تنها مختص به اجرام زمین نیست.

بدین‌ترتیب می‌توان گفت اخترفیزیک منحصراً در مورد اعمال قوانین طبیعت که ما در زمین کشف می‌کنیم، در عالم بزرگ‌تر نیست، بلکه در مورد استفاده از مشاهدات در دسترس ما در آزمایشگاه کیهان است تا به ما در مورد قوانین و خواص عالم آموزش دهد.

هرجا که یک سیستم فیزیکی در کیهان داریم، پدیده‌های فیزیکی نیز در آن مشاهده می‌شوند که می‌توان رد قوانین فیزیک را در آن‌ها دید. باید گفت تمام علم فیزیک، اخترفیزیک نیست و همه علم نجوم نیز در اخترفیزیک خلاصه نمی‌شود؛ بلکه اخترفیزیک محل تلاقی این دو رشته است - علم رصدی نجوم و علم آزمایشگاهی فیزیک.

امروزه‌ علم اخترفیزیک در چهار شاخه دسته‌بندی می‌شود تا بتون حقایق عالم را عمیق‌تر درک کرد. این چهار شاخه عبارتند از

اخترفیزیک نظری: در این شاخه قوانین ثابت‌شده فیزیک در نظر گرفته می‌شوند و در سراسر عالم به‌کار برده می‌شوند و ما را قادر می‌سازند تا آنچه را مشاهده می‌کنیم، تفسیر کنیم.

اخترفیزیک رصدی: امروزه با پیشرفت تکنولوژی قادر هستیم اجرام مختلف در کیهان را در طول‌موج‌های مختلف رصد کنیم. حتی می‌توانیم با روش‌های پیشرفته‌تر، امواج گرانشی یا وجود برخی ذرات کیهانی را ثبت کنیم. اخترفیزیک رصدی در شناخت بصری هرچه بیشتر عالم به ما کمک می‌کند.

اخترفیزیک ابزاری: برای آنکه بتوان عالم را در طول‌موج‌های مختلف نور رصد کنیم، نیاز به ابزار و تلسکوپ‌های پیشرفته داریم. شاخه‌ای از علم که در آن مهندسان به کمک دانشمندان می‌آیند تا تلسکوپ‌ها، دوربین‌ها، آشکارسازها، تداخل‌سنج‌ها و دیگر ابزار رصدی ساخته شوند، اخترفیزیک ابزاری نام دارد.

اخترفیزیک محاسباتی: این شاخه تنها در چند دهه گذشته ظهور پیدا کرده است و در آن شبیه‌سازی‌های اخترفیزیکی و همچنین مدیریت داده‌های رصدی انجام می‌شود. دانشمندان در این شاخه به پُر‌کردن شکاف‌های اخترفیزیک نظری و رصدی کمک می‌کنند و ابزارهایی مانند هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی را در‌زمینه اخترفیزیک ارتقا می‌دهند.

سؤالاتی که زمانی تصور می‌شد فراتر از حوزه تحقیقات علمی هستند، اکنون در حوزه اخترفیزیک قرار گرفته‌اند و در بسیاری از موارد، دانشمندان حتی به پاسخ‌های آن‌ها به‌دقت پی برده‌اند. برای هزاران هزار سال، اجداد ما از وسعت کیهان شگفت‌زده می‌شدند و معماهایی را مطرح می‌کردند که نمی‌توانستند حل کنند؛ اما حالا پاسخ اکثر این سؤالات با دقت بالایی در دسترس است.

ابزار پاسخ‌دهی به سؤالات

اخترفیزیکدانان در پاسخ به سؤالاتی که در این رشته مطرح می‌شود از ابزارهای علمی مختلفی استفاده می‌کنند که در این بخش قصد داریم دو مورد از آن‌ها را باهم بررسی کنیم.

طیف‌سنجی در اخترفیزیک

طیف‌سنجی یکی از ابزارهای مورد علاقه اخترفیزیکدانان در شناسایی اجرام سماوی و درک بهتر آن‌هاست. سیارات، ستارگان و کهکشان‌ها در فواصل بسیار زیادی از ما قرار دارند و نمی‌توان آن‌ها را در آزمایشگاه‌های زمینی مورد مطالعه قرار داد. اما می‌توان با استفاده از نوری که از آن‌ها به تلسکوپ‌های ما می‌رسد، اطلاعات ارزشمندی به‌دست آورد.

اما در نظر داشته باشید نور به‌خودی‌خود قابل خواندن نیست و برای جمع‌آوری اطلاعات از آن باید آن را به رنگ‌های مختلف‌اش تجزیه کرد - دقیقاً همان‌طور که قطرات باران نور خورشید را تجزیه می‌کنند تا رنگین‌کمان تشکیل شود.

اولین کاربرد نجومی طیف‌سنجی در تجزیه‌وتحلیل نوری که از اجرام دور به ما می‌رسد، در قرن نوزدهم انجام شد. انتظار می‌رفت نور سفیدی که از خورشید به ما می‌رسد، در عبور از یک منشور رنگین‌کمان بی‌عیب و نقصی را تولید کند؛ اما این‌طور نبود و برای اولین‌بار الگوی خطوطی تیره نیز در طیف آن مشاهده شد. این خطوط غیرمنتظره همانند اثر‌انگشت هستند؛ به این معنا که این خطوط نشان‌دهنده عناصر شیمیایی خاصی هستند که در آن جسم (جسمی که نور آن به ما رسیده است و طیف‌اش را بررسی می‌کنیم) وجود دارد. این خطوط را خطوط جذبی یا نشری می‌نامند.

طیف‌سنجی همچنین اولین شواهدی را ارایٔه کرد که نشان داد ستاره‌ها حاوی موادی هستند که در زمین نیز وجود دارند. این شاخه علمی ثابت کرد برخی از ابرهای گاز که در آسمان مشاهده کردیم، نه‌تنها سحابی نیستند، بلکه کهکشان‌های مملو از ستاره‌اند. در اوایل دهه ۱۹۲۰ اخترفیزیکدانان دریافتند ستارگان عمدتاً مملو از گاز هیدروژن هستند.

اخترفیزیکدانان این کار را با استفاده از ابزاری به نام «طیف‌سنج» انجام می‌دهند. طیف‌سنج‌ها ابزارهایی نجومی هستند که همان کار منشور را به شیوه‌ای پیچیده‌تر انجام می‌دهند. طیف‌ها روی قطعه‌ای به نام «CCD» ثبت شده و درنهایت در فایل‌های قابل‌اجرا در برنامه‌های مخصوص کامپیوتری با هدف پردازش و تجزیه‌وتحلیل، ذخیره می‌شوند.

طیف یک ستاره یا هر جسم نجومی نه‌تنها حضور عناصر شیمیایی خاصی را نشان می‌دهد، بلکه از شرایط فیزیکی مانند دما و چگالی نیز خبر می‌دهد. طیف همچنین می‌تواند در مورد سرعت حرکت ستاره نیز با استفاده از اثر دوپلر اطلاعاتی دهد. به کمک این اثر و میزان جابه‌جایی خطوط طیفی می‌توان سرعت دور‌شدن کهکشان (ستاره) را از زمین اندازه‌گیری کرد. طیف همچنین حاوی اطلاعاتی در مورد میدان مغناطیسی موجود در جسم است.

امروزه بیشتر رصدخانه‌ها و تلسکوپ‌های دنیا به طیف‌سنج مجهز هستند و دامنه‌های طول‌موجی مختلف را پوشش می‌دهند. جالب است بدانید هرچه وضوح طیف بیشتر باشد، پراکندگی نور نیز بیشتر است و اطلاعات بیشتری را می‌توان از طیف استخراج کرد.

نورسنجی

نورسنجی یا فوتومتری یکی از تکنیک‌هایی است که در علم نجوم مورد‌ استفاده قرار می‌گیرد تا شار یا شدت نور تابش‌شده توسط اجرام نجومی اندازه‌گیری شود. این نور از طریق «نورسنج» یا «فوتومتر» تلسکوپ جمع‌آوری و اندازه‌ گرفته می‌شود. وقتی نورسنج در برابر ستارگانی که به‌عنوان ستارگان استاندارد با رنگ و شدت تابش مشخص کالیبره می‌شوند، می‌توانند روشنایی یا قدر ظاهری اجرام دیگر آسمان را به نسبت آن‌ها اندازه بگیرند.

روش‌های دقیق انجام نورسنجی به طول موجی بستگی دارد که قصد داریم در آن جرم یا ناحیه سماوی را مطالعه کنیم. در روش‌های مرسوم از فیلترهای مختلف که در طول موج‌های مختلف طراحی شده‌اند استفاده می‌شود تا انرژی و شار نور رسیده از یک ستاره ثبت شود. در روش‌های پیچیده‌تر از ابزاری به نام اسپکتروفوتومتر استفاده می‌کنند تا میزان تابش و توزیع طیفی ستاره به‌صورت دقیق مشخص شود.

نورسنجی همچنین در رصد ستارگانی که میزان درخشندگی آن‌ها در بازه‌های زمانی تغییر می‌کند - آن‌ها را «ستارگان متغیر» می‌نامیم - مورد‌ استفاده قرار می‌گیرد.

پس حالا به‌طور خلاصه می‌توان گفت اخترفیزیک شاخه‌ای از علم فیزیک است که در آن ساختارها و پدیده‌های نجومی با استفاده از روش‌ها و اصول فیزیک مورد مطالعه قرار می‌گیرند. همان‌طور که گفته شد، علم نجوم مدرن نیازمند مقدار قابل‌توجهی کار نظری و رصدی است. اخترفیزیکدانان به تعیین ویژگی‌های ماده تاریک، انرژی تاریک، سیاهچاله‌ها و سایر اجرام نجومی علاقه‌مندند. این علم شگفت‌انگیز روز‌به‌روز درحال پیشرفت است. پیشرفت تکنولوژی و ساخته‌شدن تلسکو‌پ‌های زمینی و فضایی بزرگ‌تر و قدرتمندتر به پیشرفت چشمگیر این علم و همچنین افزایش دانش ما از عالم کمک شایانی خواهد کرد.