دایره‌ای‌ترین جرم در جهان چیست؟

گاهی اوقات ذهنمان با سؤال‌های جالبی مشغول می‌شود: برای مثال دایره‌ای‌ترین جرم در جهان چیست؟ درواقع در اینجا منظور کروی‌ترین جرمی است که تاکنون کشف شده نه لزوما صاف‌ترین. جرمی که دارای بیشترین تقارن باشد و هر نقطه‌ی روی سطحش فاصله یکسانی با مرکز آن داشته باشد.

تعداد زیادی از جرم‌های بزرگ دایره‌ای هستند و این ویژگی اتفاقی نیست! گرانش عامل این شکل دایره‌ای است. وقتی یک جرم کیهانی رشد می‌کند، جرم آن معمولا با انباشته‌سازی گاز یا از طریق برخورد با دیگر اجسام افزایش می‌یابد و به‌این‌ترتیب میدان گرانشی آن نیز رشد می‌کند. در نقطه‌ای گرانش ‌آن‌قدر قوی می‌شود که هر چیزی بیش از حد بالا باشد، فرومی‌پاشد. این فرآیند در نهایت به کروی‌شدن جرم می‌انجامد. احتمالا با این فرآیند آشنا هستید؛ کوهستانی که بیش از اندازه مرتفع شود، فرو می‌ریزد و وقتی بیش از حد شن و ماسه در کنار ساحل انباشته کنید در نهایت از هم می‌پاشد. هر بار این اتفاق رخ دهد، جرم نجومی صاف‌تر و کروی‌تر می‌شود.

اجرام با توجه به جنس تشکیل‌دهنده‌شان، زمانی شکل کروی به خود می‌گیرند که به قطر تقریبا ۴۰۰ کیلومتری برسند؛ بنابراین هر جسمی بزرگ‌تر از این حد تمایل به کروی‌شدن دارد. این اجرام سیارک‌های بزرگ، قمرها، سیاره‌ها و ستاره‌ها را دربر می‌گیرند؛ اما کدام یک از این اجرام، گوی‌های کاملی از نظر هندسی به شمار می‌روند؟

خورشید، نزدیک‌ترین ستاره به ما می‌تواند پاسخ ایده‌آلی برای پرسش فوق باشد. ستاره‌ها به‌طور کلی کاملا دایره‌ای هستند اما حتی دایره‌ای‌ترین ستاره‌ها نیز از کره‌ی ایده‌آل فاصله دارند. بزرگ‌ترین منشأ این انحراف چرخش است؛ چرا که باعث تولید نیروی گریز از مرکز می‌شود.

نیروی گریز از مرکز برای کره‌های در حال چرخش در قسمت استوا به حداکثر می‌رسد؛ جایی که بیشترین سرعت چرخش را دارد. مقدار نیرو نیز به اندازه‌ی جرم و سرعت چرخش آن وابسته است. اجرام بزرگ‌تر معمولا نیروی بیشتری را تجربه می‌کنند و چرخش سریع‌تر نیز بر افزایش نیرو تأثیر دارد.

خورشید بدون شک بزرگ است. بیش از ۱۰۰ زمین را می‌توان روی قرص ۱٫۴ میلیون کیلومتری خورشید جا داد؛ اما درعین‌حال، ستاره‌ی ما سرعت چرخش آهسته‌ای دارد و تقریبا یک ماه طول می‌کشد تا یک دور کامل به دور خود بچرخد. این چرخش آرام می‌تواند بخشی از کلید پیروزی در رقابت گردبودن باشد.

گرانش سطح خورشید بسیار قوی است و به ۲۸ برابر گرانش زمین می‌رسد. اگر با نادیده گرفتن تبخیر آنی، بتوانید روی سطح خورشید بایستید، وزنتان ۲۸ برابر بیشتر از روی زمین خواهد بود؛ اما نیروی گریز از مرکز در استوای خورشیدی بسیار ضعیف‌تر است. درواقع نیروی رو به بیرونی که از چرخش ستاره‌مان احساس می‌کنید، تنها ۰٫۰۰۱۵ درصد نیروی گرانشی است که شما را به پائین می‌کشد، پس عجیب نیست که خورشید تا این حد گرد باشد.

اندازه‌گیری دقیق میزان دایره‌ای بودن خورشید بسیار دشوار است. خورشید سطحی مانند زمین ندارد؛ سطح آن از گاز تشکیل شده و مواد داخل آن هم با دور شدن از مرکز، چگالی کمتری پیدا می‌کنند. با این‌حال در نزدیکی سطح، چگالی به قدری پائین است که از زمین، لبه‌ی خورشید بسیار تیز ظاهر می‌شود.

اندازه‌گیری ابعاد سطح خورشید از زمین به دلیل متلاطم بودن هوای زمین دشوار است و نمای لبه را تار می‌کند، بنابراین ستاره‌شناس‌ها برای رسیدن به دید خوب از سطح خورشید به رصدخانه‌ی فضایی خروشیدی سولار داینامیک ناسا روی آوردند. آن‌ها با اندازه‌گیری‌های دقیق متوجه شدند ضریب فشردگی (میزان پهن‌شدگی خورشید در قطب نسبت به استوا)، به شکل شگفت‌انگیزی اندک و فقط درحدود ۰٫۰۰۰۸ درصد است! به‌این‌ترتیب خورشید ۹۹٫۹۹۹۲ درصد کروی است. پژوهشگرها نتایج خود را در مجله ساینس اکسپرس منتشر کردند.

سیاره زهره، دیگر جرم منظومه شمسی نیز تقریبا به دلایل مشابه با خورشید، دایره‌ای بی‌نقص است. تقریبا ۲۴۳ روز طول می‌کشد تا زهره یک دور کامل به دور خود بچرخد و بدین ترتیب چرخش بسیار آهسته‌ای دارد؛ بدین معنا که نیروی گریز از مرکز در استوای آن بسیار اندک است. در واقع براساس مشاهدات، عرض‌های استوایی و قطبی این سیاره با درنظر گرفتن خطای اندازه‌گیری قابل چشم‌پوشی، دقیقا یکسان هستند. به این ترتیب می‌توان گفت زهره حتی از خورشید هم دایره‌ای‌تر است؛ اما در واقعیت تغییرات ارتفاع سطحی آن به چند کیلومتر می‌رسد و ازنظر مقیاس به‌اندازه خورشید دایره‌ای نیست. درمقابل، ضریب فشردگی زمین تقریبا ۰٫۳ درصد است؛ زیرا سیاره‌ ما با سرعت بسیار بیشتری می‌چرخد.

بااین‌حال، ستاره‌های دیگر می‌توانند به شکل غیرمنتظره‌ای غیرکروی باشند. یکی دلیل برای این مسئله سرعت چرخش بالای آن‌ها است به‌طوری‌که نیروی گریز از مرکز در استوایشان زیاد است. ستاره‌ی درخشان الطائر به‌قدری سریع می‌چرخد که مواد در راستای استوای آن با سرعت سرسام‌آور یک میلیون کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کنند. به همین دلیل قطر استوای این ستاره ۲۰ درصد بیشتر از قطر بین قطب‌هایش است.

ممکن است برخی ستاره‌ها دایره‌ای‌تر از خورشید باشند؛ گرچه آن‌قدر از کاوشگرهای ما دور هستند که نمی‌توانیم به‌طور دقیق قطر آن‌ها را تشخیص دهیم. با این‌حال برخی از آن‌ها را می‌توان تا حدی براساس اصول اولیه بررسی کرد. برای مثال ستاره‌های نوترونی رقبای سنگین‌وزن واقعی برای کروی‌ترین جرم به شمار می‌روند. هرکدام از این گوی‌های فراچگال، باقی‌مانده‌ی ستاره‌ای بسیار سنگین‌تر از خورشید هستند که فرآیند ابرنواختر را پشت سر گذاشته است. در نهایت هسته‌ی ستاره‌ برای تبدیل شدن به توپی از نوترون با قطر تقریبا بیست کیلومتر دچار فروپاشی می‌شود. ستاره‌های نوترونی به‌قدری چگال هستند که گرانش سطح آن‌ها می‌تواند به میلیاردها برابر گرانش زمین برسد.

نیروهای متعدد می‌توانند باعث چرخش فوق سریع ستاره‌های نوترونی شوند؛ ستاره‌ای به نام PSR J1748-2446ad با سرعت تقریبا ۷۱۶ بار در ثانیه به دور خودش می‌چرخد. این حد از سرعت تیغه‌های هم‌زن برقی آشپزخانه بیشتر است. نیروی گریز از مرکز در استوای این ستاره با وجود ابعاد کوچک و گرانش عظیم، برای از هم‌پاشیدن ستاره کافی است.

یافتن کره کامل بسیار فراتر از پرسشی سرگرم‌کننده است. درک ساختار داخلی بسیاری از اجرام کیهانی دشوار است؛ زیرا هنوز نتوانستیم از آن‌ها بازدید کنیم و فشار و دمای آن‌ها را حتی نمی‌توان در آزمایشگاه هم شبیه‌سازی کرد. با اندازه‌گیری شکل‌های دقیق اجرامی مثل خورشید و سیاره‌ها، نکات بیشتری را درباره‌ی اتفاقاتی که زیر سطحشان رخ می‌دهد می‌آموزیم و متوجه می‌شویم چه چیزی عامل فعالیت آن‌ها است. ستاره‌شناس‌ها عاشق حل مسئله‌ها هستند؛ حتی اگر پرسش‌ها احمقانه به نظر برسند.