خوشه ستاره‌ای نادر راه شیری مملو از ابرغول‌های قرمز است که ۱ میلیون برابر درخشان‌تر از خورشید است

خوشه‌های غنی از ابرغول‌های قرمز بسیار نادر هستند و تمایل دارند بسیار دور باشند، اما نقش مهمی در درک جنبه‌های کلیدی در تکامل ستارگان پرجرم دارند.

در گذشته، نقشه‌سازان اغلب هیولاها را روی نقشه‌های خود قرار می‌دادند تا مناطق ناشناخته و مناطق بالقوه خطرناک را علامت‌گذاری کنند. یک مثال معروف نقشه ‘Theatrum Orbis Terrarum’ است که در سال ۱۵۷۰ ایجاد شد و مارهای دریایی و دیگر هیولاهای دریایی را نشان می دهد.

به سرعت به امروز، و یک خوشه ستاره ای ناشناخته راه شیری نشان می دهد که ستاره شناسان نیز باید این سنت را اتخاذ کنند.این خوشه با نام Barbá ۲ شناخته می شود و در فاصله ۲۴۰۰۰ سال نوری یا بیشتر از زمین یافت می شود. یک تحقیق با استفاده از تلسکوپ فضایی گایا نشان داد که باربا ۲ مملو از ستارگان ابرغول قرمز است، ستارگانی که می توانند صدها برابر پهنای خورشید و تا ۱۰۰۰۰۰۰ برابر نور خورشید باشند.

ایگناسیو نگوئروئلا، محقق دانشگاه آلیکانته که بخشی از تیم کشف ابرغول‌ها در باربا ۲ بود، گفت: ‘خوشه‌های باز زیادی در کهکشان وجود دارد. با این حال، همه خوشه‌های باز سطح یکسانی برای ستاره‌شناسان ندارند.’ ، به Space.com گفت. خوشه‌های غنی از ابرغول‌های قرمز بسیار نادر هستند و تمایل دارند بسیار دور باشند، اما نقش مهمی در درک جنبه‌های کلیدی در تکامل ستارگان پرجرم دارند.

اندازه و قدرت ترسناک ابرغول ها به این معنی است که این ستارگان هیولا از طریق سوخت هسته ای خود بسیار سریعتر از ستاره هایی مانند خورشید می سوزند. در حالی که ستاره ما در طول عمر توالی اصلی خود حدود ۱۰ میلیارد سال خواهد بود، تخمین زده می شود که ابرغول ها فقط چند میلیون سال عمر کنند.

عمر کوتاه ابرغول ها به این معنی است که در حالی که خوشه های باز مانند باربا ۲ رایج هستند، با بیش از ۱۱۰۰ خوشه تنها در کهکشان راه شیری، یافتن خوشه ای مملو از ابرغول قرمز بسیار نادر است.

نگوئروئلا اضافه کرد که مطالعه خوشه‌های باز مانند باربا ۲ که سرشار از ستارگان به اندازه هیولا هستند، می‌تواند در کشف چگونگی تبدیل شدن آن‌ها به ابرغول سرخ یا شکست آن‌ها و تأثیر این امر بر سرنوشت نهایی آنها مهم باشد.

او گفت: ‘در کهکشان راه شیری، تنها تعداد انگشت شماری از خوشه های غنی از ابرغول های قرمز وجود دارد.’ ‘پیدا کردن خوشه ای مانند Barbá ۲ که می توان آن را با یک تلسکوپ متوسط ​​رصد کرد، یک کشف مهم و هیجان انگیز برای ستاره شناسان است. این خوشه که بسیار دور است و تحت تاثیر انقراض متوسط ​​قرار گرفته است، در تصاویر نوری چندان به نظر نمی رسد.’

باربا ۲ در واقع حدود یک دهه پیش توسط اخترشناس رودولفو باربا کشف شد، اما پس از مرگ او در سال ۲۰۲۱، این کشف تا کنون منتشر نشده است. از این رو، تنها با خوشه ای که اکنون نام او را یدک می کشد، مناسب است.

نگوئروئلا گفت: ‘رودولفو در میان همتایان خود به دلیل کندی در انتشار مشهور بود. او اکتشافات مهم بسیاری را انجام داد که در جلسات به اشتراک می گذاشت یا با همکارانش در میان می گذاشت، اما اغلب به انتشار نمی رسید.’ ‘پس از درگذشت رودولفو، همکار نزدیک او ژسوس مایز وظیفه اطمینان از انتشار آثار او را بر عهده گرفت.’

هیچ چیز برای همیشه دوام نمی آورد، و این مطمئناً حتی برای هیولاترین ستارگان نیز صادق است، اما درست مانند دانشمندان برجسته ای مانند باربا، آنچه در پشت سر گذاشته می شود از اهمیت حیاتی برخوردار است.

میراث ابرغول سرخ: سیاهچاله یا ستاره نوترونی؟

اگرچه اجرام ستاره‌ای در هر اندازه عمری دارند که بدن ما را از نظر مدت زمان واقعاً بی‌اهمیت جلوه می‌دهد، اما وقتی ستاره‌ها سوخت را برای همجوشی هسته‌ای در هسته‌شان تخلیه می‌کنند، این حیات ستاره‌ای هنوز متوقف می‌شود.

حیات هر ستاره یک عمل متعادل کننده ظریف بین نیروی بیرونی فشار تشعشع ایجاد شده توسط همجوشی هسته ای در هسته آن و فشار گرانش خود به داخل است. چه این نبرد میلیون‌ها یا میلیاردها سال ادامه داشته باشد، گرانش ناگزیر پیروز می‌شود، اما نتایج این پیروزی متفاوت است.

به عنوان مثال، ستارگان با اندازه‌های مشابه خورشید، زمانی که ذخایر هیدروژن را در هسته‌شان تمام می‌کنند و نمی‌توانند آن را به هلیوم تبدیل کنند، از جنگ خود با گرانش دست می‌کشند.

فروپاشی گرانشی این ستارگان کوچک‌تر، باقیمانده‌ای از ستاره‌ای به نام کوتوله سفید ایجاد می‌کند که با پدیده کوانتومی به نام «فشار انحطاط الکترون» که اساساً الکترون‌ها را در یک حالت اشغال نمی‌کند، از فروپاشی بیشتر جلوگیری می‌کند.

اگر ستاره ای این فرآیند را در حالی آغاز کند که جرم آن حداقل هشت برابر خورشید است و بتواند در طول فروپاشی اولیه خود به حداقل ۱.۴۴ برابر جرم خورشید (به اصطلاح حد چاندراسخار) آویزان شود، هنگامی که فرو می ریزد می تواند فشار کافی ایجاد کند. در هسته‌اش هلیوم را با عناصر سنگین‌تر ترکیب می‌کند و زندگی جدیدی به ستاره می‌دهد.

وقتی هلیوم تمام شد، این فرآیند تکرار می شود. ستاره بارها و بارها فرو می‌ریزد و عناصر سنگین‌تر و سنگین‌تر را در هم می‌آمیزد تا زمانی که ستاره عظیم هسته‌ای از آهن داشته باشد، عنصری که هیچ ستاره‌ای نمی‌تواند آن را با عناصر سنگین‌تر ترکیب کند. ستاره دچار یک فروپاشی نهایی می شود و باعث انفجار ابرنواختری عظیم می شود که لایه های بیرونی آن را منفجر می کند. اما، دو نتیجه احتمالی از این فروپاشی وجود دارد.

له شدن هسته عظیم ستاره، الکترون ها و پروتون ها را به هم وادار می کند تا یک ستاره نوترونی ایجاد کند، یک بقایای ستاره ای پر از دریایی از نوترون ها، ذرات خنثی که معمولاً در هسته اتم های دارای پروتون وجود دارند. از فروپاشی بیشتر توسط ‘فشار انحطاط نوترونی’، فشاری که هر نوترون بر نوترون‌های اطراف وارد می‌کند، جلوگیری می‌شود، اما اگر ستاره‌ای جرم کافی داشته باشد، دوباره می‌توان بر آن غلبه کرد.

در صورت وقوع فروپاشی کامل، ستاره به سیاهچاله ای با جرم ستاره ای تبدیل می شود، ناحیه ای از فضا با جرمی چنان متراکم در مرکز آن که مرزی در اطراف آن وجود دارد که حتی نور به اندازه کافی سریع از آن حرکت نمی کند تا بتواند از آن فرار کند. ‘افق رویداد’ نامیده می شود.

خط تقسیم برای غلبه بر فشار انحطاط نوترونی حد تولمن-اپنهایمر-ولکوف نامیده می شود و اعتقاد بر این است که بین ۲.۲ تا ۲.۹ برابر جرم خورشید وجود دارد. این بدان معناست که به خوبی حد چاندراسخار تعریف نشده است و دانشمندان مایلند این خط تقسیم را با اطمینان بیشتری مشخص کنند.

خوشه‌های باز مملو از ابرغول‌های قرمز که می‌توانند دستخوش چنین دگرگونی‌هایی شوند، می‌توانند آزمایشگاهی ایده‌آل برای کاوش در زیر و بم ایجاد ستارگان نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها و بررسی این موضوع باشند که چرا یک ستاره یک مسیر را طی می‌کند و مسیر دیگر را نه.

نگوئروئلا توضیح داد: ‘انتظار می‌رود خوشه‌هایی که تحت سلطه ابرغول‌های قرمز قرار دارند، خوشه‌های باز جوان با مجموعه‌ای از ستاره‌ها باشند. آنها اطلاعاتی در مورد خواص ابرغول‌های قرمز به ما می‌دهند.’ این خوشه‌ها برای ستاره‌شناسان ارزشمند هستند، زیرا به ما کمک می‌کنند تا ابرغول‌های سرخ را درک کنیم، غول‌های سرخ که در غیر این صورت مطالعه به تنهایی چالش برانگیز است.

ابرخوشه فوق العاده گیج کننده است

نگوئرولا ادامه داد و توضیح داد که توصیف دقیق ابرغول های قرمز جدا شده دشوار است زیرا فاصله آنها از ما اغلب نامشخص است و تعیین ویژگی های اساسی مانند جرم و سن آنها دشوار است.

او افزود: این به این دلیل است که ابرغول‌های قرمز با ویژگی‌های ذاتی مختلف می‌توانند در مراحل مختلف زندگی‌شان بسیار شبیه به هم ظاهر شوند.

اعتقاد بر این است که ستارگان در خوشه های باز همگی در یک زمان از همان ابر در حال فروپاشی گاز و غبار تشکیل شده اند. این بدان معناست که ستاره شناسان می توانند سن خوشه را تعیین کنند و سپس خواص ابرغول های قرمز قدیمی در خوشه ها را با ویژگی های ستاره های آبی جوان در خوشه مقایسه کنند.

نگوئروئلا می‌گوید: تشخیص جرم این ستاره‌های آبی بسیار ساده‌تر است و این به ما کمک می‌کند تا درباره ابرغول‌های قرمز بیشتر بدانیم. مدل‌های ما نشان می‌دهند که تعداد ابرغول‌های قرمز به طور مستقیم با جرم خوشه مرتبط است.

این بدان معناست که اخترشناسان انتظار دارند به ازای هر ده هزار جرم خورشیدی حدود پنج ابرغول ببینند. نگوئرولا خاطرنشان کرد که به نظر می رسد عامل دیگری در این مورد وجود دارد که ما هنوز آن را درک نکرده ایم.

او ادامه داد: ما گاهی اوقات خوشه هایی با سن و جرم مشابه پیدا می کنیم، اما یک خوشه پر از ابرغول قرمز است، در حالی که خوشه دیگر فقط یک یا دو دارد. ‘در اینجا یک عنصر تصادفی وجود دارد، زیرا مرحله ابرغول سرخ در زندگی یک ستاره بسیار کوتاه است، و ما با اعداد کم سروکار داریم، جایی که تغییرات کوچک می تواند تاثیر زیادی داشته باشد.’

مدل‌های این تیم، که پنج ابرغول سرخ را برای خوشه‌ای با جرم مشخص پیش‌بینی می‌کنند، همچنین نشان می‌دهند که دیدن دو تا هشت ابرغول در یک خوشه غیرعادی نیست. با این حال، تیم هنوز مشکوک است که چیز دیگری ممکن است بر این امر تأثیر بگذارد، با نگوئروئلا پیشنهاد می‌شود که می‌تواند به تعداد ستاره‌های این خوشه بخشی از سیستم‌های دوتایی یا چند ستاره‌ای یا حتی ویژگی‌های این دوتایی‌ها مربوط باشد.

نه تنها این یک راز در مورد خوشه‌های غول‌پیکر است که هنوز باید مورد بررسی قرار گیرد، بلکه چند موضوع غیرمنتظره در مورد خوشه Barbá ۲ وجود دارد.

نگوئروئلا افزود: «اول، همه خوشه‌های شناخته شده غنی از ابرغول‌های قرمز در سمت نواحی مرکزی کهکشان راه شیری قرار دارند، به استثنای NGC 7419». ‘این منطقی است زیرا تشکیل ستاره در کهکشان درونی شدیدتر است، اما همچنین به این معنی است که مطالعه همه آنها به دلیل انقراض شدید [مسدود نور] ناشی از غبار و گاز در طول خط دید دشوارتر است. Barbá ۲ برعکس، در قسمتی کاملاً متفاوت از کهکشان راه شیری به سمت بیرون واقع شده است.’

این محقق گفت: نکته جالب دیگر این است که منطقه ای از آسمان که خانه باربا ۲ است بسیار مورد بررسی قرار گرفته است زیرا دارای اشیاء جذاب بسیاری است. بنابراین، کشف این خوشه غول‌آسا نشان می‌دهد که علی‌رغم سال‌ها جستجوی اختصاصی، تعداد کمی از گنج‌های پنهان در آنجا منتظر کشف هستند.

نگوئروئلا گفت: از اینکه هیچ کس دیگری با باربا ۲ برخورد نکرده است، کمی متعجب هستم. ‘این کشف نشان می دهد که هنوز جا برای بهبود روش های جستجوی ما وجود دارد.’

نگوئروئلا در پایان گفت: ‘یافتن یکی از این خوشه ها تنها اولین قدم است. برای بهره برداری کامل از پتانسیل آنها به عنوان آزمایشگاه های اخترفیزیکی، ما باید مدل های ستاره ای و رصد را ترکیب کنیم.’ ما سعی خواهیم کرد طیف های بیشتری را برای تعیین دقیق سن خوشه و در نتیجه جرم کل آن بدست آوریم.

علاوه بر این، ما امیدواریم که از ویژگی های این خوشه بیاموزیم تا تکنیک های خود را برای کشف خوشه های مشابه در آینده اصلاح کنیم.

کار این تیم در سایت مخزن کاغذ arXiv منتشر شده است.