انفجارهای بیمرگ در فضا؛ ستارههایی که باید نابود میشدند اما زنده ماندند
به نقل از space؛ برخی ستارههای پرجرم با فورانهای شدید میتوانند شبیه ابرنواختر شوند اما نابود نمیشوند؛ پدیدهای مرموز که هنوز سازوکار دقیق آن در اخترفیزیک مشخص نیست. اخترشناسان این پدیده را «اتلاف جرم فورانی» (eruptive mass loss) مینامند؛ یک درام ستارهای که هنوز در تلاش برای درک کامل آن هستیم.
وقتی به آسمان شب نگاه میکنید، ممکن است تصور کنید ستارهای ناگهان شعلهور شده و هزاران برابر روشنتر از حالت معمول میدرخشد؛ یک انفجار کیهانی واقعی، یعنی ابرنواختر. اما همیشه اینطور نیست. گاهی چنین ستارهای پس از فوران همچنان به حیات خود ادامه میدهد.
این فورانهای شدید اما غیرمرگبار باعث میشوند برخی ستارهها رفتاری شبیه ابرنواخترها داشته باشند؛ پدیدهای که به آنها «ابرنواخترهای تقلبی» (supernova impostors) گفته میشود.
این ستارهها، اجرامی بسیار پرجرم هستند که مستعد فورانهای عظیماند و در این فرآیند حجم زیادی از ماده خود را به فضا پرتاب میکنند. اخترشناسان این رفتار را «اتلاف جرم فورانی» مینامند؛ پدیدهای که همچنان بهطور کامل درک نشده است.
درک این پدیده شبیه تلاش برای اندازهگیری خروجی یک آتشفشان خروشان بدون نزدیک شدن به آن است؛ میدانیم اهمیت دارد، اما سنجش دقیق میزان ماده پرتابشده و علت وقوع آن بسیار دشوار است.
روشهای فعلی برای اندازهگیری اتلاف جرم، مانند مشاهدات فروسرخ یا رادیویی، معمولا تنها وضعیت لحظهای ستاره را نشان میدهند. اما این ستارهها ماده را بهصورت ناگهانی و مقطعی پرتاب میکنند، نه در یک جریان پیوسته. به همین دلیل، وقتی دادهها را در سطح جمعیت ستارهای میانگینگیری میکنیم، جزئیات مهم رفتار هر ستاره از بین میرود.
برای دههها، اخترشناسان مدلهای پیچیدهای برای شبیهسازی زندگی و مرگ ستارهها ساختهاند؛ مدلهایی که مانند «بلورهای کیهانی پیشبینیکننده» عمل میکنند. اما برای ستارههای بسیار پرجرم، این مدلها اغلب در میانه مسیر از کار میافتند و قادر به شبیهسازی کامل چرخه زندگی آنها نیستند. یکی از مشکلات اصلی، همین اتلاف جرم فورانی است.
در این مدلها، برای توضیح این پدیده فرض میشود که فشار نور میتواند ماده را از سطح ستاره جدا کند و از حد پایداری روشنایی آن فراتر برود؛ شرایطی که در علم به آن «ابرادینگتون» گفته میشود.
اما برای اجرای این مدل، یک پارامتر آزاد و ناشناخته وجود دارد که شدت فوران را تعیین میکند. مشکل اینجا بود که هیچکس نمیدانست این مقدار باید چقدر باشد؛ عددی کلیدی اما نامشخص که مانع درک دقیق تکامل این ستارههای عظیم شده بود.
با وجود شواهد روبهرشد از فورانهای شدید ستارهای، سازوکار فیزیکی دقیق آنها همچنان بهخوبی شناخته نشده است.
با این حال، گروهی از اخترشناسان به سرپرستی «شلی جِی. چِنگ» از مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان، به همراه «چارلی کانروی» و «جارد ای. گلدبرگ»، در پژوهشی جدید که در arXiv منتشر شده، تلاش کردند این مسئله را از زاویهای متفاوت بررسی کنند.
ایده آنها این بود که به جای بررسی تکتک فورانهای یک ستاره، یک «سرشماری» از ابرغولهای سرخ در کهکشانهای نزدیک انجام دهند؛ ستارههایی عظیم در مراحل پایانی عمر که متورم شده و رنگی سرخ دارند و در کهکشانهای اطراف قابل مشاهدهاند. ما محل زندگی و ویژگیهای آنها را میدانیم.
پیمایشهای وسیع آسمانی مانند PanSTARRS1 Medium-Deep Survey نیز در سالهای اخیر شناسایی این رویدادهای نادر و فورانهای درخشان را متحول کردهاند و امکان نقشهبرداری دقیق از این ستارهها در کهکشانهای دورتر را فراهم کردهاند. این دادهها برای تنظیم و کالیبره کردن مدلهای اتلاف جرم فورانی حیاتی هستند.
این تیم از مدلهای پیشرفته تکامل ستارهای MESA استفاده کرد و با تغییر دادن همان پارامتر ناشناخته کارایی فوران، نتایج مختلف را بررسی کرد. سپس «جمعیتهای مصنوعی ستارهای» ساختند؛ یعنی کهکشانهای شبیهسازیشدهای که در آنها ستارههایی با جرمها و سنهای مختلف مانند کهکشانهای واقعی در حال شکلگیری بودند.
در ادامه، آنها توزیع روشنایی این ستارههای شبیهسازیشده را با مشاهدات واقعی ابرغولهای سرخ در ابر ماژلانی کوچک، ابر ماژلانی بزرگ و کهکشان آندرومدا (M31) مقایسه کردند؛ فرآیندی شبیه تطبیق یک عکس تار از جمعیت با یک فهرست دقیق از افراد، و تنظیم تدریجی مدل تا زمانی که تصویر با دادههای واقعی همخوان شود.
نتایج نشان داد که پارامتر کارایی فوران یک عدد تصادفی نیست و رابطهای مشخص و مثبت با فلزینگی دارد؛ یعنی میزان عناصر سنگین موجود در ستاره.
به زبان ساده، هرچه ستاره عناصر سنگین بیشتری داشته باشد، فورانهای آن شدیدتر است؛ درست مانند اضافه کردن مواد بیشتر به یک آزمایش آتشفشانی که باعث افزایش شدت واکنش میشود.
با این مدل کالیبرهشده، ستارههایی که جرم آنها بیش از حدود ۲۰ برابر جرم خورشید است، در شبیهسازیها حتی به مرحله ابرغول سرخ هم نمیرسند؛ زیرا در فورانهای شدید خود بخش بزرگی از جرمشان را از دست میدهند و مسیر تکاملی متفاوتی را طی میکنند.
با این حال، هنوز کارهای زیادی باقی مانده است. این رابطه باید در کهکشانهای بیشتری آزمایش شود تا مشخص شود آیا این الگو در سراسر جهان قابل تعمیم است یا خیر. همچنین باید بررسی شود که آیا فلزینگی بر «شروع» فوران تاثیر دارد یا فقط بر میزان مادهای که در آن آزاد میشود.
داستان این ستارههای «تفکننده» هنوز به پایان نرسیده است. هر مشاهده جدید و هر مدل دقیقتر، لایه دیگری از این راز کیهانی را کنار میزند و نشان میدهد زندگی ستارگان تا چه اندازه پویا، پیچیده و غیرمنتظره است.