خورشید و دیگر ستارگان چگونه شکل گرفته‌ اند؟

میلیاردها سال است که خورشید هر روز از افق سیاره‌ی ما طلوع می‌کند. با وجود فاصله‌ی ۱۵۰ میلیون کیلومتری این ستاره‌ی درخشان با زمین، هنوز هم نمی‌توانیم با چشم غیر مسلح به آن نگاه کنیم تا مبادا چشم‌هایمان آسیب ببینند. دمای سطح خورشید ۵۵۰۰ درجه‌ی سلسیوس است. این دما می‌تواند یک کاوش‌گر فضایی در حال فرود را در نزدیکی سطح خورشید ذوب کند. به بیانی دیگر، خورشید داغ‌تر از آن است که بتوان از نزدیک، آن را بررسی کرد. اما این به آن معنا نیست که نمی‌توانیم درباره‌ی آن مطالعه کنیم.

برای پی بردن به اسرار ستارگانی که به صورت نقطه مانند در آسمان شب قرار گرفته‌اند، چندین روش هوشمندانه وجود دارد.

توضیحات خود را با "نور" شروع می‌کنیم. شاید ما نتوانیم به خورشید نگاه کنیم اما ابزارهایی علمی این امکان را برای ما فراهم می‌کنند. همان‌طور که می‌دانید، نور سفید از تمام رنگ‌های رنگین‌کمان شکل گرفته است و ما می‌توانیم به وسیله‌ی یک منشور، طیف این رنگ‌ها را از قرمز تیره تا بنفش مشاهده کنیم.

در سال ۱۸۰۲ میلادی، یک دانشمند انگلیسی به نام "ویلیام هاید والستن" این کار را با اشعه‌ی خورشید انجام داد و با صحنه‌ی غیر منتظره‌ی وجود خطوط تیره در طیف نوری مواجه شد. چند سال بعد، چشم‌پزشک آلمانی به نام "یوزف فون فراونهوفر" ابزار خاصی به نام اسپکترومتر (یا همان طیف‌سنج نوری) ساخت تا نور را بهتر متفرق کند. در این حالت او خطوط تیره‌ی بیشتری را مشاهده کرد.

دانشمندان به زودی متوجه شدند که خطوط تیره نشان از یک طیف رنگی گم شده دارد که آن‌ها این طیف را لحاظ نکرده بودند، از آنجا که عناصر موجود در داخل خورشید و اطراف آن، طول موج خاصی از نور را جذب می‌کنند، بنابراین خطوط تیره‌، ناشی از حضور عناصری چون هیدروژن، سدیم و کلسیم بودند.

این یک کشف قابل ملاحظه، جالب و ساده بود که ما را از وجود برخی عناصر کلیدی در نزدیک‌ترین ستاره به زمین، باخبر کرد. با این حال، فیزیکدانی به نام "فیلیپ پادسیادلووسکی" از دانشگاه آکسفورد، این روش‌ها را دارای محدودیت می‌داند. او می‌گوید:

این روش فقط نوع عناصر موجود بر روی سطح خورشید را به شما می‌گوید و اطلاعاتی راجع به ترکیب موجود در مرکز خورشید نمی‌دهد.

پس به راستی در داخل خورشید چه خبر است و آیا دانستن آن، علت انرژی عظیم این ستاره را توضیح خواهد داد؟ درک ما از انرژی بالای خروجی خورشید، در اوایل قرن بیستم تبلور پیدا کرد. در آن زمان بشر این طور استدلال کرد که اگر دو اتم هیدروژن با یکدیگر ترکیب شوند ، یک عنصر کاملا متفاوت -هلیوم- شکل خواهد گرفت و در این فرآیند، انرژی آزاد خواهد شد. پس این احتمال مطرح شد که خورشید غنی از هیدروژن و هلیوم باشد و قدرت عظیم آن مدیون چنین فرآیندی است. اما این ایده هنوز نیاز به اثبات داشت. پادسیادلووسکی در این خصوص می‌گوید:

مردم در دهه‌ی ۱۹۳۰ متوجه شدند که انرژی خورشید، احتمالا ناشی از همجوشی اتم‌های هیدروژن است که البته این گمان در حد یک تئوری باقی ماند.

اینجا، جایی است که مطالعه درباره‌ی خورشید به مراحل عجیب و غریبی می‌رسد. به منظور درک بهتر این ستاره که زندگی را به سیاره‌ی ما بخشیده است، باید به اعماق زمین برویم. در واقع، ما باید آزمایش‌های خود را در زیر کوه‌ها دفن کنیم. بر اساس این دیدگاه، آشکارساز ژاپنی سوپر-کی (Super-K) طراحی شده است.

حدود ۱۰۰۰ متر در زیر سطح زمین، به یک اتاق تاریک عجیب و غریب می‌رسیم. این اتاق شامل یک دریاچه‌ی کم‌عمق با آب به شدت خالص است. ۱۳۰۰۰ عدد شیء کروی، دیوارها، سقف و کف اتاق را پوشش داده‌اند.

چیزی شبیه به داستان‌های علمی-تخیلی به نظر می‌رسد. اما Super-K ساخته شده است تا درک بهتری از حقیقت خورشید را به دست آوریم. با توجه به عمقی که Super-K در آن قرار دارد، واضح است که برای تشخیص نور در نظر گرفته نشده است. در عوض، این ابزار در انتظار ذرات بسیار ویژه‌ای است که از مرکز خورشید نشات می‌گیرد و از طرق ماده، مانند هواپیما در هوا پرواز می‌کند.

در هر ثانیه چند تریلیون از این ذرات از طریق شما عبور می‌کنند. اگر آشکارسازهای ویژه نبودند، محال بود که به وجود آن‌ها پی ببریم. با این حال Super-K می‌تواند، روزانه ۴۰ عدد از این ذرات را به سختی بگیرد. در واقع روند کار به این گونه است که این ذرات که نوترینو نام دارند، با آب خالص وارد تعامل شده و نور خاصی را آزاد می‌کنند که توسط Super-K تشخیص داده می‌شود.

نور ایجاد شده فوق‌العاده ضعیف است اما نوعی هاله در اطراف نوترینو ایجاد می‌کند که می‌تواند توسط آشکارسازهای حساس نوری که دیوار را پوشانده‌اند، گرفته شود. در این روش، انواع خاصی از نوترینو شناسایی می‌شوند که شاهد مستقیمی مبنی بر همجوشی هسته‌ای هیدروژن به هلیوم در داخل خورشید هستند. پادسیادلووسکی در این خصوص می‌گوید:

می توانید فقط بخشی از این نوترینوها را محبوس کنید و پس از آن محاسبه کنید که از بین نوترینوهای مشاهده شده چند عدد باید جمع آوری شوند.

نکته‌ی حیرت‌انگیزتر این است که نوترینوهای مذکور در واکنش‌های همجوشی داخل مرکز خورشید شکل می‌گیرند و تنها هشت دقیقه بعد توسط آشکارساز Super-K برداشت می‌شوند. مطالعه بر روی این نوترینوها، این امکان را برای ما فراهم می‌کند که اتفاقات داخل عمق خورشید را مشاهده کنیم.

به منظور درک بهتر جزئیات واکنش‌های همجوشی، لازم است که این فرآیندها را در زمین هم ایجاد کنیم. در واقع کار سختی به حساب نمی‌آید. یک دانش آموز ۱۳ ساله‌ی انگلیسی در سال ۲۰۱۴ موفق به ایجاد یک واکنش همجوشی هسته‌ای شد. اما چنانچه بخواهید این واکنش را بدون دخالت ذرات خورشیدی مشاهده کنیم، مجبور خواهیم بود دوباره به زیر زمین برگردیم.

این دقیقا همان کاری است که "ماریالوسیا آلیوتا"، فیزیکدان هسته‌ای دانشگاه ادینبورگ انجام می‌دهد. بنا به گفته‌ی آلیوتا، یکی از سختی‌های واکنش همجوشی هسته‌ای، جوش دادن دو اتم موافق به یکدیگر است. احتمال روی دادن چنین واکنشی، با وجود هزاران میلیارد اتم شناور در محیط پیرامون، فوق‌العاده پایین است.

در واقع، فضای خورشید برای روی دادن این واکنش دو مزیت دارد. مورد اول این که فضای زیادی برای اتم‌های اضافی دارد و دوم این که جاذبه‌ی زیادی در آن قرار دارد که می‌تواند هیدروژن را به صورت پلاسما فشرده کند. در چنین فشار زیادی، الکترون‌ها از پروتون‌های هسته‌ی گاز هیدروژن جدا می‌شوند. از این رو در چنین محیطی، واکنش‌های همجوشی آسان‌تر اتفاق می‌افتد.

آلیوتا در توضیحات خود می‌گوید:

در یک ستاره مانند خورشید، به سادگی انرژی قابل توجهی از همجوشی هسته‌ای می‌تواند آزاد شود چرا که پروتون زیادی در این فضا وجود دارد. در حالی که در آزمایشگاه، پروتون زیادی نداریم و همین کار را در مطالعه‌ی فرآیند، بسیار سخت می‌کند.

در حال حاضر، آلیوتا می‌تواند آزمایش‌های همجوشی را در "آزمایشگاه زیرزمینی اختر فیزیک هسته‌ای" (LUNA) در ایتالیا انجام دهد. این پژوهش به آلیوتا و همکارانش کمک می‌کند تا بدانند که بعد از واکنش همجوشی چه اتفاقی می‌افتد؟ چه محصولاتی تولید خواهند شد و چگونه این ذرات وارد تعامل می‌شوند.

راحت است که فکر کنیم خورشید یک پدیده‌ی ثابت و دائمی است که تا ابد درخشان باقی خواهد ماند. در حالی که این طور نخواهد بود. در حقیقت، ستارگان دوره‌ی گردش و طول عمر محدودی دارد که بسته به‌ اندازه و نسبت دقیق عناصر درون آن‌ها می‌تواند متغیر باشد.

در سال‌های اخیر، توانسته‌ایم تا با مطالعه بر روی ویژگی‌های خورشید، دانش بیشتری راجع به تغییرات آن به دست آوریم. برای مثال، لکه‌های خورشیدی که تیره‌رنگ هستند، تکه‌هایی موقتی هستند که گاه‌به‌گاه بر روی سطح خورشید ظاهر می‌شوند. کاوشگران توانسته‌اند تا به صورت دقیق مطالعه کنند که چه مقدار از اشعه‌ی خورشید، از جمله نور مرئی، در طول چند سال تابیده می‌شود.

در دهه‌ی ۱۹۸۰، محققان طی یک ماموریت متوجه شدند که در طول یک دوره‌ی ده ساله، انرژی خروجی خورشید رو به زوال رفته و سپس دوباره رشد می‌کند. آنچه که واقعا قابل توجه بود، تعداد لکه‌های خورشیدی مرتبط با انرژی خروجی بود. به این صورت که هر چه تعداد لکه‌ها بیشتر می‌شد، انرژی خروجی هم افزایش پیدا می‌کرد. از آنجا که لکه‌های خورشیدی تیره‌تر و سردتر از بقیه نقاط خورشید هستند، نوعی پدیده‌ی شگفت‌انگیز به حساب می‌آمدند.

"سیمون فاستر" از کالج امپریال لندن می‌گوید:

این یک پدیده‌ی معکوس بود. خیلی عجیب و غریب بود که هر چه تعداد نقاط تیره بیشتر باشد، بخش‌های سرد هم بیشتر می‌شود حال آن که انرژی خروجی خورشید روند داغ‌تری را نشان می‌داد.

دانشمندان در نهایت توانستند علت این موضوع را کشف کنند. مناطق روشن خاصی بر روی سطح خورشید وجود دارد که فاکول (faculae) نام داشته و منطبق بر لکه‌های تیره هستند اما تمایز آن‌ها مشخص است. از این رو هر دو مرئی هستند. در واقع فاکول‌ها هستند که این انرژی اضافی را آزاد می‌کنند.

همانند لکه‌های خورشیدی، تشخیص شعله‌های خورشیدی هم امکان‌پذیر است. این شعله‌ها انفجارهای بزرگی در سطح خورشید هستند که انرژی مغناطیسی به همراه خود دارند. از آنجا که تابش ستارگان در طیف الکترومغناطیس منتشر می‌شود، این شعله‌ها با آشکارساز پرتوی ایکس دیده می‌شوند. اما راه‌های دیگری هم برای تشخیص این شعله‌ها وجود دارد. یک روش، گوش دادن به امواج رادیویی (شکل دیگری از تابش الکترومغناطیس) است. تلسکوپ رادیویی "جودرل بانک"(Jodrell Bank) انگلستان، اولین تلسکوپ جهان بود که توانست شعله‌های خورشیدی را تشخیص دهد.

در واقع، تلسکوپ‌های رادیویی صحنه‌های جالبی از زندگی یک ستاره را نشان می‌دهند. وقتی یک ستاره، رفتاری عادی داشته باشد و هیچ فعالیتی از خود نشان دهد، امواج رادیویی چندانی منتشر نمی‌کند. اما زمانی که ستارگان متولد می‌شوند یا وقتی که می‌میرند، امواج رادیویی بزرگی تولید می‌شود. "تیم اوبرین" که با این تلسکوپ کار می‌کند می‌گوید:

آنچه که ما می‌بینیم رویدادهای فعالی چون انفجار ستارگان، تکان‌ها و بادهای ستاره‌ای هستند.

از تلسکوپ‌های رادیویی برای کشف ستاره‌های نوترونی به نام تپ‌اختر هم استفاده شده است. ستارگان نوترونی، پس از انفجار ابراخترهای غول‌پیکر شکل می‌گیرند و از تماس ستارگان فرو ریخته ساختارهای فوق‌العاده متراکمی تشکیل می‌شود.

ستارگان نوتورونی به شکل سیگنال‌های منظمی هستند که به صورت مداوم در هر چند میلی‌ثانیه تابیده می‌شوند. برخی از پژوهشگران در ابتدای تحقیقات گمان می‌کردند که با نوع هوشمندی از گونه‌های فرازمینی مواجه شده‌اند!

با کشف بسیاری از تپ‌اخترها، در حال حاضر این واقعیت پذیرفته شده است که پالس نوری منظم، توسط چرخش ستاره ایجاد می‌شود. اوبرین می‌گوید:

این نوع ستاره حول محور عمودی خود می‌چرخد و پرتوی آن به صورت مورب تابیده می‌شود. اگر به صورت اتفاقی چشم‌تان به آن افتاد، در امتداد خط دید خود، تابش پرتوی آن را به صورت منظم، درست شبیه یک فانوس دریایی می‌بینید.

برخی ستاره‌ها در مسیر تبدیل شدن به تپ‌اختر قرار دارند. اما مطمئنا خورشید جزو این دسته از ستارگان نیست. چرا که برای منفجر شدن در یک واکنش ابرنواختری بسیار کوچک است. پس با این حساب، طی میلیاردها سال زمان چه سرنوشتی برای خورشید می‌توان تصور کرد؟

با مشاهده‌ی ستارگان دیگر در کهکشان دریافته‌ایم که طیف وسیعی از آن‌ها یک روند زندگی تا مرگ را طی می‌کنند. اما با توجه به آنچه که در مورد خورشید و ستارگان مشابه می‌دانیم، منطقی است که خورشید آینده‌ی روشنی داشته باشد.

از این رو انتظار داریم در یک روند تدریجی که به اواخر عمر خود نزدیک می‌شود (در ۵ میلیارد سال بعد یا بیشتر)، خود را گسترش داده و به یک غول سرخ تبدیل شود. طبیعتا در آن شرایط ، تابش نوری خورشید ضعیف‌تر خواهد بود چرا که دیگر از سوخت هیدروژنی‌ آن خبری نیست. در واقع، این نور ضعیف‌تر، نوری با فرکانس پایین‌تر است که انرژی کم‌تری دارد. ضمن این که خورشید هم به معنای واقعی کلمه قرمز می‌شود. پس از یک سری انفجار، هسته‌ی درونی و کربنی خورشید باقی خواهد ماند که در اصل، الماسی به بزرگی زمین است. تریلیون‌ها سال طول خواهد کشید تا این "کوتوله‌ی سفید" به آرامی سرد شود.

هنوز هم اسرار زیادی در مورد خورشید وجود دارد که برخی از پروژه‌های هیجان انگیز علمی سعی در کشف آن‌ها دارند. یکی از این پروژه‌ها، پروژه‌ی Solar Probe Plus است که این بار یک کاوش‌گر در نزدیک‌ترین فاصله‌ی تاریخی خود با خورشید قرار می‌گیرد تا علت بادهای خورشیدی را کشف کند و بررسی کند که چرا پلاسمای پیرامون خورشید، از سطح آن داغ‌تر است.

در حال حاضر، ما پاسخ خیلی از پرسش‌های بنیادین در این زمینه را می‌دانیم. با تقسیم‌بندی خورشید به آرایه‌ی باشکوهی از رنگ‌ها، گرفتن نوترینوها در اعماق و آزمایشگاه‌های تاریک زیرزمینی توانسته‌ایم پاسخ بسیاری از سوالات مهم راجع به خورشید را پیدا کنیم. همچنین می‌دانیم که خیلی از ستارگان از چه تشکیل شده‌اند، چگونه نور را ساطع می‌کنند و در نهایت چگونه این فرآیندها آرایه‌های بزرگی از عناصر حیاتی را در جهان ما به وجود می‌آورند.