ملودی‌های کیهانی؛ ستاره‌ها چگونه از طریق “آهنگ‌هایشان” داستان خود را روایت می‌کنند؟

می‌توانند اطلاعات بسیار بیشتری درباره تاریخچه و ساختار درونی ستارگان آشکار کنند، بیشتر از آنچه دانشمندان پیش‌تر تصور می‌کردند.

در پژوهشی جدید که در مجله Nature منتشر شده است، امضاهای فرکانسی زلزله‌های ستاره‌ای را در مجموعه‌ای گسترده از ستارگان غول‌پیکر در خوشه ستاره‌ای M67، که تقریباً ۳۰۰۰ سال نوری از زمین فاصله دارد، بررسی کردیم.

با استفاده از مشاهدات مأموریت K2 تلسکوپ فضایی Kepler، فرصتی کم‌نظیر داشتیم تا تکامل ستارگان را در بیشتر مراحل فاز غول‌پیکری‌شان دنبال کنیم.

در این بررسی، دریافتیم که این ستارگان در مرحله‌ای مشخص از تکامل خود، در یک الگوی تکراری از نوسان «گیر می‌کنند»؛ درست زمانی که لایه بیرونی و متلاطم آن‌ها به یک ناحیه حساس در اعماق ستاره می‌رسد.

این کشف راهی تازه برای درک تاریخچه ستارگان—و حتی کل کهکشان—پیش روی ما قرار می‌دهد.

صدای زلزله‌های ستاره‌ای

زلزله‌های ستاره‌ای در بیشتر ستارگان (از جمله خورشید) که لایه بیرونی جوشان دارند، رخ می‌دهند—مانند دیگی از آب جوش. حباب‌های گاز داغ به سطح ستاره می‌رسند و منفجر می‌شوند و امواجی را در سراسر ستاره منتشر می‌کنند که باعث ارتعاش آن به شیوه‌های خاصی می‌شود.

این ارتعاشات در فرکانس‌های خاصی رخ می‌دهند که به آن‌ها «فرکانس‌های تشدیدی» می‌گویند. ما می‌توانیم با بررسی تغییرات جزئی در روشنایی ستاره، این نوسانات را تشخیص دهیم.

با مطالعه فرکانس‌های ستارگان در یک خوشه، می‌توانیم «ترانه منحصر به فرد» آن خوشه را بشنویم.

پژوهش ما فرضیات پیشین درباره فرکانس‌های تشدیدی در ستارگان غول‌پیکر را به چالش کشید و نشان داد که این فرکانس‌ها اطلاعات عمیق‌تری درباره ساختار درونی ستارگان ارائه می‌دهند. افزون بر این، یافته‌های ما راه‌های تازه‌ای برای رمزگشایی تاریخچه کهکشان ما گشوده است.

ملودی یک خوشه ستاره‌ای

ستاره‌شناسان همواره در تلاش بوده‌اند تا چگونگی تکامل ستارگانی مانند خورشید را در طول زمان درک کنند.

یکی از بهترین روش‌ها برای این کار، مطالعه خوشه‌های ستاره‌ای است—گروه‌هایی از ستارگان که همزمان شکل گرفته و ترکیب شیمیایی مشابهی دارند.

خوشه M67 توجه بسیاری را به خود جلب کرده است، زیرا ستارگان آن ترکیب شیمیایی مشابهی با خورشید دارند.

همان‌طور که زمین‌لرزه‌ها به ما کمک می‌کنند تا ساختار درونی زمین را مطالعه کنیم، زلزله‌های ستاره‌ای نیز آشکار می‌کنند که در زیر سطح یک ستاره چه می‌گذرد.

هر ستاره یک «ملودی» خاص دارد که فرکانس‌های آن توسط ساختار داخلی و ویژگی‌های فیزیکی‌اش تعیین می‌شوند.

ستارگان بزرگ‌تر نوساناتی عمیق‌تر و کندتر دارند، در حالی که ستارگان کوچک‌تر در فرکانس‌های بالاتر ارتعاش می‌کنند. و هیچ ستاره‌ای تنها یک نت نمی‌نوازد—هر ستاره طیف کاملی از صداها را از درون خود منتشر می‌کند.

امضای فرکانسی شگفت‌انگیز

یکی از امضاهای کلیدی فرکانسی، «فاصله کوچک» نام دارد—گروهی از فرکانس‌های تشدیدی که به یکدیگر بسیار نزدیک‌اند.

در ستارگان جوان‌تر، مانند خورشید، این امضا می‌تواند سرنخ‌هایی درباره میزان هیدروژنی که هنوز در هسته ستاره برای سوختن باقی مانده است، ارائه کند.

اما در غول‌های سرخ، وضعیت متفاوت است. این ستارگان پیر، تمام هیدروژن هسته خود را مصرف کرده‌اند و هسته آن‌ها اکنون غیرفعال است.

با این حال، همجوشی هیدروژن همچنان در پوسته‌ای پیرامون هسته ادامه دارد.

تا پیش از این، تصور می‌شد که «فاصله‌های کوچک» در چنین ستارگانی اطلاعات جدیدی ارائه نمی‌دهند.

نتی که متوقف شد

هنگامی که فاصله‌های کوچک را در ستارگان M67 اندازه‌گیری کردیم، متوجه شدیم که این امضاها تغییراتی را در مناطق همجوشی درون ستاره نشان می‌دهند.

با ضخیم شدن پوسته همجوشی هیدروژن، این فواصل افزایش می‌یافتند. هنگامی که پوسته به سمت داخل حرکت می‌کرد، کاهش می‌یافتند.

سپس به نکته‌ای غیرمنتظره برخوردیم: در مرحله‌ای خاص، این فاصله‌های کوچک متوقف می‌شدند—مثل یک صفحه موسیقی که روی یک نت گیر کند.

دریافتیم که این توقف در یک مرحله مشخص از عمر ستارگان غول‌پیکر رخ می‌دهد—زمانی که پوشش بیرونی آن‌ها، یعنی همان لایه «جوشان» که گرما را منتقل می‌کند، آن‌قدر عمیق می‌شود که حدود ۸۰ درصد جرم ستاره را تشکیل می‌دهد.

در این نقطه، مرز درونی پوشش بیرونی به ناحیه‌ای بسیار حساس در ستاره می‌رسد.

این مرز فوق‌العاده متلاطم است و سرعت صوت در سراسر آن به‌طور ناگهانی تغییر می‌کند—و این تغییر شدید بر نحوه حرکت امواج صوتی درون ستاره تأثیر می‌گذارد.

همچنین دریافتیم که فرکانس این توقف به‌طور منحصربه‌فردی توسط جرم و ترکیب شیمیایی ستاره تعیین می‌شود.

این یافته راهی تازه برای شناسایی ستارگان در این مرحله از زندگی‌شان فراهم می‌کند و دقت تخمین سن آن‌ها را بهبود می‌بخشد.

تاریخچه کهکشان

ستارگان مانند فسیل‌هایی هستند که اثر محیطی که در آن شکل گرفته‌اند را در خود نگه داشته‌اند.

مطالعه آن‌ها به ما امکان می‌دهد که داستان کهکشان خود را کنار هم بچینیم.

کهکشان راه شیری با ادغام کهکشان‌های کوچک‌تر رشد کرده و در زمان‌ها و مکان‌های مختلف، ستارگان جدیدی به‌وجود آورده است.

بهبود تخمین سن ستارگان در سراسر کهکشان، به ما کمک می‌کند که این تاریخ را با جزئیات بیشتری بازسازی کنیم.

علاوه بر این، خوشه‌هایی مانند M67، چشم‌اندازی از آینده خورشید ما ارائه می‌دهند و بینشی درباره تغییراتی که در طول میلیاردها سال تجربه خواهد کرد، در اختیارمان می‌گذارند.

این کشف، ابزاری جدید به ما می‌دهد—و دلیلی تازه برای بازنگری در داده‌هایی که پیش‌تر جمع‌آوری کرده‌ایم.

با سال‌ها داده‌های لرزه‌ای از سراسر کهکشان راه شیری، اکنون می‌توانیم به سراغ همان ستارگان بازگردیم و این بار با آگاهی از آنچه باید بشنویم، به آن‌ها گوش دهیم.