جوش و خروش‌های پایانی ستاره در حال مرگ: چگونه غول‌های سرخ به سحابی سیاره‌ای تبدیل می‌شوند؟

خورشید در فاصله‌ی میلیاردها سال آینده به پایان عمر خود می‌رسد و هلیوم موجود در هسته‌اش را می‌سوزاند؛ بدین‌ترتیب به شکل چشم‌گیری متورم و به غول سرخ تبدیل می‌شود. غول سرخ پس از بلعیدن عطارد و زهره و قرار گرفتن در فاصله‌ی نزدیکی از زمین، به‌قدری رشد می‌کند که دیگر نمی‌تواند لایه‌های خارجی گاز و غبار خود را حفظ کند.

خورشید در پایان نمایش عظیم خود، لایه‌های گاز و غبار را به داخل فضا منتشر و پوششی از نور را ایجاد می‌کند که مانند علامتی نئونی به مدت هزاران سال می‌درخشد و سپس ناپدید می‌شود. کهکشان پر از هزاران یادبود جواهرنشان مشابه است که با عنوان سحابی سیاره‌ای شناخته می‌شوند. این سحابی‌ها مراحل پایانی ستاره‌هایی هستند که جرم آن‌ها از نصف جرم خورشید تا هشت برابر جرم آن متغیر است (ستاره‌های سنگین‌تر دارای پایان پرتلاطم‌تری به نام سوپرنوا یا ابرنواختر هستند). سحابی سیاره‌ای به انواع شکل‌ها در می‌آید؛ از این سحابی‌ها می‌توان به سحابی خرچنگ جنوبی، چشم گربه و پروانه اشاره کرد؛ اما این سحابی‌ها با وجود زیبایی مانند معمایی برای ستاره‌شناس‌ها به نظر می‌رسند. چگونه پروانه‌ای کیهانی از پیله‌ی به ظاهر ساده‌ی غول سرخ به وجود می‌آید؟

رصدها و مدل‌های کامپیوتری کنونی به توضیحی اشاره می‌کنند که در ۳۰ سال گذشته به نظر عجیب می‌رسید. براساس این توضیح، اغلب غول‌های سرخ دارای ستاره‌ی همراه کوچک‌تری هستند که در پوشش گرانشی آن‌ها مخفی شده است. این ستاره‌ی دوم باعث می‌شود غول سرخ به سحابی سیاره‌ای تبدیل شود.

سحابی پروانه که در فاصله‌ی ۴۰۰۰ سال نوری از زمین در صورت فلکی عقرب قرار دارد نمونه‌ی بارزی از سحابی سیاره‌ای و مرحله‌ی پایانی تکامل ستاره‌ای در ابعاد کوچک تا متوسط است. بال‌های روشن و شفاف پروانه حاوی گاز و غباری است که از ستاره‌ی در حال مرگ دفع شده‌اند و به واسطه‌ی هسته‌ی باقی‌مانده‌ی ستاره می‌درخشند. شکل دو لبه‌ای و متقارن سحابی به‌وضوح نشان می‌دهد که یک ستاره‌ی همراه به خروج جریان گازها کمک می‌کند. ستاره‌ی اصلی و همراه، هر دو در پوششی از غبار در مرکز سحابی مخفی شده‌اند.

نظریه‌ی غالب شکل‌گیری سحابی سیاره‌ای در گذشته تنها شامل یک ستاره یعنی همان غول سرخ بود. غول سرخ به دلیل اثر گرانشی ضعیفی که روی لایه‌های خارجی خود دارد، در پایان عمر با سرعتی بسیار بالا جرمش را از دست می‌دهد به‌طوری که در هر قرن یک درصد از جرم آن از بین می‌رود. همچنین مانند ظرف آب جوش شروع به لغزیدن می‌کند و بدین‌ترتیب لایه‌های بیرونی آن به داخل و خارج نوسان می‌کنند.

به باور ستاره‌شناس‌ها این نوسان‌ها به تولید امواج ضربه‌ای می‌انجامند که با انتشار گاز و غبار به داخل فضا، چیزی به نام بادهای ستاره‌ای را ایجاد می‌کنند. بااین‌حال انرژی زیادی برای دفع کامل این مواد و عدم بازگشت آن‌ها به ستاره لازم است. قطعاً این باد، نسیمی ملایم نخواهد بود و احتمالاً قدرتش به اندازه‌ی بخار یک موشک است.

پس از تبخیر لایه‌ی بیرونی ستاره، لایه‌ی داخلی کوچک‌تر آن به کوتوله‌ای سفید تبدیل می‌شود. این ستاره که داغ‌تر و درخشان‌تر از غول سرخ اولیه است، درخشش و گرمای گاز فراری را افزایش می‌دهد تا جایی که گاز هم به خودی خود شروع به درخشش می‌کند و بدین‌ترتیب شاهد یک سحابی سیاره‌ای خواهیم بود. کل این فرایند براساس استانداردهای نجومی بسیار سریع اما از نظر مقیاس انسانی آهسته است و می‌تواند قرن‌ها تا هزاران سال به طول بینجامد.

به نقل از بروس بالیک، ستاره‌شناس دانشگاه واشنگتن: «تا زمان پرتاب تلسکوپ فضایی هابل در سال ۱۹۹۰ مطمئن بودیم که در مسیری صحیح قرار داریم.» سپس او و همکارش آدام فرانک از دانشگاه روچستر نیویورک، در کنفرانسی در کشور اتریش، اولین تصاویر سحابی سیاره‌ای هابل را مشاهده کردند. بالیک می‌گوید: «برای گرفتن قهوه‌ بیرون رفتیم، تصویری را دیدیم و می‌دانستیم که بازی تغییر کرده است.»

تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا، جزئیات خار‌ق‌العاده‌ای را در سحابی حلقه‌ی جنوبی نمایش می‌دهد. این سحابی سیاره‌ای در فاصله‌ی ۲۵۰۰ سال نوری از زمین در صورت فلکی بادبان قرار دارد. در سمت چپ، تصویر فروسرخ نزدیک پوسته‌های هم‌مرکز تماشایی گازی دیده می‌شود که تاریخچه‌ی فوران‌های ستاره‌ی در حال مرگ را نمایش می‌دهند. در سمت راست، تصویر فروسرخ میانی به‌راحتی ستاره‌ی در حال مرگ را در مرکز سحابی (قرمز) از ستاره‌ی همراه آن تفکیک می‌کند (آبی). کل گاز و غبار موجود در این سحابی از غول سرخ دفع شده است.

ستاره‌شناس‌ها تصور می‌کردند که غول‌های سرخ، کره‌هایی متقارن هستند و یک ستاره‌ی کروی می‌تواند سحابی مدور سیاره‌ای را ایجاد کند؛ اما این یافته نه‌تنها با مشاهدات هابل تطبیق نداشت بلکه حتی به آن نزدیک نبود. به باور جوئل کستنر، ستاره‌شناس مؤسسه‌ی فناوری روچستر:

براساس مشاهدات هابل، مشخص شد که بسیاری از سحابی‌های سیاره‌ای دارای ساختارهای عجیب با تقارن محوری هستند.

هابل، گوشه‌ها، بال‌ها و دیگر ساختارهایی را آشکار کرد که مدور نبودند اما حول محور اصلی سحابی دارای تقارن بودند و از این نظر به چرخ سفالگری شباهت داشتند.

مقاله‌ی سال ۲۰۰۲ بالیک و فرانک در مجله‌ی بررسی سالانه نجوم و اخترفیزیک، به زمان و منشأ ساختارهای یادشده اختصاص دارد. برخی دانشمندان بر این باورند که تقارن محوری از چگونگی چرخش ستاره‌ی غول سرخ یا رفتار میدان‌های مغناطیسی آن سرچشمه می‌گیرد اما هر دو ایده در برخی آزمایش‌های بنیادی شکست خوردند. چرخش و میدان‌های مغناطیسی با بزرگ‌تر شدن ستاره ضعیف‌تر می‌شوند بااین‌حال سرعت اتلاف جرم غول‌های سرخ می‌تواند در پایان طول عمر آن‌ها افزایش پیدا کند.

به باور ارسولا دی مارکو، ستاره‌شناس دانشگاه مکوایر سیدنی، براساس فرضیه‌‌ی موسوم به «دوتایی» ‌اغلب سحابی‌های سیاره‌ای نه از یک ستاره، بلکه از یک جفت ستاره شکل می‌گیرند. در این سناریو، ستاره‌ی دوم بسیار کوچک‌تر و هزاران برابر کم‌نور‌تر از غول سرخ است و ممکن است فاصله‌ی آن تا ستاره‌ی دیگر به اندازه‌ی فاصله‌ی مشتری تا خورشید باشد. بدین‌ترتیب می‌تواند بر غول سرخ تأثیر بگذارد و در عین حال به دلیل فاصله‌ی مناسب توسط آن بلعیده نشود. احتمال‌های دیگر مثل مدار بمباران شیرجه‌ای هم وجود دارند که براساس آن ستاره‌ی دوم هر صد سال یک بار به غول سرخ نزدیک می‌شود و چند لایه از آن را حذف می‌کند.

در عکس‌های اولیه‌ی رصدخانه‌های زمینی، سحابی خرچنگ جنوبی مانند خرچنگی با چهار پای منحنی دیده می‌شود؛ اما تصاویر دقیق تلسکوپ فضایی هابل نشان می‌دهند که این پاها، دو حباب هستند که یک ساعت شنی را شکل می‌دهند. در مرکز حباب‌ها دو جریان گاز با گره‌هایی وجود دارند که ممکن است هنگام برخورد گاز بین ستاره‌ها بدرخشند. به نظر می‌رسد خرچنگ جنوبی که در فاصله‌ی هزاران سال نوری از زمین در صورت فلکی قنطورس قرار دارد، دو رویداد انتشار گاز را پشت سر گذاشته است. یکی از رویدادها در حدود ۵۵۰۰ سال پیش، باعث ایجاد ساعت شنی خارجی شد و رویداد مشابهی در حدود ۲۳۰۰ سال پیش، ساعت شنی کوچک‌تر را به وجود آورد.

فرضیه‌ی دوتایی برای اولین مرحله‌ی دگردیسی ستاره‌ی درحال مرگ بسیار خوب عمل می‌کند. وقتی ستاره‌ی همراه، غبار و گاز را از ستاره‌ی اصلی دور می‌کند این گاز و غبار به صورت ناگهانی به داخل ستاره‌ی همراه کشیده نمی‌شود بلکه دیسکی چرخان از مواد موسوم به قرص برافزایشی در صفحه‌‌ی مداری ستاره‌ی همراه تشکیل می‌دهد. قرص برافزایشی مانند چرخ سفالگری است.

اگر قرص دارای میدان مغناطیسی باشد هرگونه گاز بارداری از خارج صفحه‌ی قرص را به سمت محور چرخش هدایت می‌کند؛ اما بدون میدان مغناطیسی، مواد موجود در قرص مانع از خروج جریان گازها در صفحه‌ی مداری می‌شوند درنتیجه گاز، ساختاری دولبه‌ای به خود می‌گیرد به‌طوری‌که جریان سریع‌تری در قطب‌های آن وجود دارد؛ و این فرایند چیزی است که هابل در تصاویر سحابی سیار‌ه‌ای رصد کرد. به گفته‌ی دی مارکو: «چرا به‌دنبال توضیحی پیچیده باشیم وقتی ستاره‌ی همراه همه‌چیز را به خوبی توصیح می‌دهد؟»

بااین‌حال، هنوز برخی ستاره‌شناس‌ها با فرضیه‌ی ستاره‌های همراه غیرقابل کشف موافق نیستند. لین دسین، ستاره‌شناس KU Leuven بلژیک در سال ۲۰۲۰ از قول اخترفیزیکدانی مشهور نوشت: «این رصدها بسیار شگفت‌انگیز هستند و به نظر می‌رسد جدیدترین مدل‌ها عملکرد خوبی در تفسیر داده‌ها دارند اما در نهایت باید بر آنچه واقعاً می‌بینیم، تکیه کنیم.»

در طول ۱۰ الی ۱۵ سال گذشته، همه‌چیز تغییر کرد. تلسکوپ‌های جدید و نوآورانه‌ نشان دادند برخی غول‌های سرخ پیش از آنکه به سحابی سیاره‌ای تبدیل شوند با ساختارهایی مارپیچی و قرص‌های برافزایشی احاطه می‌شوند. این یافته منطبق با وجود ستاره‌ای دوم بود که مواد غول سرخ را می‌بلعد. احتمالاً در چند نمونه، ستاره‌شناس‌ها ستاره‌ی همراه را رصد کرده‌اند. دسین و همکاران او همچنین از داده‌های آرایه‌ی عظیم میلی‌متری و زیرمیلی‌متری آتاکاما (ALMA) در شیلی استفاده کردند که سال ۲۰۱۱ فعال شد. آلما مجموعه‌ای از ۶۶ تلسکوپ رادیویی است که به‌صورت یکپارچه برای تولید تصاویر اجرام نجومی با یکدیگر کار می‌کنند. به نقل از دسین:

آلما وضوح طیفی و فضایی بالایی را در اختیارمان قرار می‌دهد که برای درک تغییرات و سرعت‌ ضروری هستند. سرعت، یکی از بخش‌های مهم معما است که دانشمندان برای نقشه‌برداری از بادهای ستاره‌ای و قرص‌های برافزایشی به کار می‌برند.

آلما ساختارهای قوسی و مارپیچی‌شکل در اطراف ده‌ها غول سرخ را رصد کرده است. این ساختارها نشان‌دهنده‌ی از بین رفتن مواد غول سرخ و حرکت مارپیچی آن‌ها به سمت ستاره‌ی همراه هستند. مارپیچ‌ها با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری منطبق هستند و توصیف آن‌ها با مدل قدیمی باد ستاره‌ای غیرممکن است. دسین یافته‌های اولیه را در سال ۲۰۲۰ در مجله‌ی Science منتشر کرد و سال بعد در مجله‌ی بررسی سالانه نجوم و اخترفیزیک آن‌ها را توسعه داد.

چپ: سحابی جت دوقلو، در فاصله‌ی ۲۴۰۰ سال نوری از زمین در صورت فلکی مارگیر به شکل ساعت شنی درآمده و دو جریان گازی سریع دارد که به سمت قطب‌ها حرکت می‌کنند. این گاز احتمالاً در حدود ۱۲۰۰ سال پیش از ستاره‌ای مرکزی منتشر شده است. راست: سحابی چشم گربه در فاصله‌ی ۳۳۰۰ سال نوری از زمین در صورت فلکی اژدها دارای ۱۱ حلقه‌ی هم‌مرکز غبار است که براساس تخمین ستاره‌شناس‌ها در بازه‌ای ۱۵۰۰ ساله به وجود آمده‌اند. نوع فرایند که در آن ساختار داخلی پیچیده شکل می‌گیرد هنوز در حد حدس و گمان است. به نقل از آدام فرانک از دانشگاه روچستر: چشم گربه بسیار عجیب است و نمی‌دانم چگونه آن را توصیف کنم.

علاوه‌بر‌این گروه دسین احتمالاً همراه‌های دو غول سرخ به نام‌های p1 Gruis و L2 Puppis را در تصاویر آلما رصد کرده‌اند که در گذشته امکان کشف آن‌ها وجود نداشت. دسین برای اطمینان از وجود ستاره‌های همراه و چرخش آن‌ها حول محور ستاره‌های اصلی باید در یک بازه‌ی زمانی مشخص به بررسی غول‌های سرخ می‌پرداخت. دسین می‌گوید: «اگر این اجرام حرکت کنند مطمئن می‌شوم که همراه‌هایی وجود دارند.»

ستاره‌شناس‌ها مانند بازرس‌های صحنه‌ی جرم، تصاویر «قبل» و «بعد» از ایجاد سحابی‌ سیاره‌ای را دارند. تنها چیزی که ندارند مدرک هم‌ارز فیلم دوربین‌های مداربسته است؛ بنابراین آیا امیدی هست که ستاره‌شناس‌ها بتوانند یک غول سرخ را در حال تبدیل به سحابی سیاره‌ای شکار کنند؟

امروزه مدل‌های کامپیوتری تنها راه نظارت بر فرایندهایی هستند که از ابتدا تا انتها چند قرن به طول می‌انجامند. به باور فرانک، این مدل‌ها به ستاره‌شناس‌ها در یک سناریوی چشمگیر کمک کردند. براساس این سناریو، ستاره‌ی همراه پس از دوره‌ی طولانی چرخش در مدار ستاره‌ی اصلی و کاهش فاصله بر اثر نیروهای جزر و مدی در آن فرو می‌رود. از طرفی ستاره‌ی همراه با نزدیک شدن به هسته‌ی غول سرخ، مقدار قابل توجهی از انرژی گرانشی خود را از دست می‌دهد. مدل‌های کامپیوتری نشان می‌دهند روند فوق، سرعت از بین رفتن لایه‌های خارجی ستاره را یک تا ۱۰ سال افزایش می‌دهد. درصورتی‌که این مدل صحیح باشد و ستاره‌شناس‌ها بدانند به کجا نگاه کنند، می‌توانند مرگ ستاره و تولد سحابی سیاره‌ای را به‌صورت زنده رصد کنند.

اما درباره‌ی خورشید چه می‌توان گفت؟ بررسی ستاره‌های دوتایی ارتباط کمی با سرنوشت ستاره‌ی ما دارد زیرا خورشید ستاره‌ای واحد و بدون همراه است. ستاره‌هایی که همراه دارند، شش تا ده برابر سریع‌تر از ستاره‌های بدون همراه، جرم از دست می‌دهند زیرا به جای اینکه غول سرخ به‌صورت خودکار پوسته‌ی خود را در فضا رها کند، ستاره‌ی همراه آن را جذب می‌کند.

درنتیجه داده‌های مربوط به ستاره‌های دارای همراه نمی‌تواند به‌خوبی سرنوشت ستاره‌های بدون همراه مثل خورشید را پیش‌بینی کنند. دقیقاً نیمی از ستاره‌های هم‌اندازه با خورشید دارای همراه هستند. به نقل از دسین، ستاره‌ی همراه همیشه بر شکل باد ستاره‌ای تأثیر می‌گذارد و درصورتی‌که همراه به‌اندازه‌ی کافی نزدیک باشد بر سرعت اتلاف جرم آن هم اثر می‌گذارد. خورشید در نهایت آهسته‌تر از ستاره‌های دارای همراه لایه‌ی خارجی خود را از دست می‌دهد و مدت طولانی‌تری را در فاز غول سرخ باقی خواهد ماند.

اما هنوز ابهامات زیادی درباره‌ی سرنوشت خورشید وجود دارد. برای مثال، گرچه مشتری یک ستاره نیست، گزینه‌ی سنگین مناسبی برای جذب مواد خورشید و تقویت قرص برافزایشی است. به باور دسین:

احتمالاً مارپیچ کوچکی توسط مشتری ایجاد خواهد شد. حتی در شبیه‌سازی‌ها می‌توان تأثیر مشتری بر باد خورشید را مشاهده کرد. در این صورت خورشید هم در مسیر نمایشی عظیم قرار خواهد گرفت.