فرایند شکلگیری ستارگان، بهویژه در مراحل ابتدایی، پدیدهای پنهان است. مهدهای ستارهای در دل ابرهایی از گاز و غبار پنهاناند؛ همان ابرهایی که شکلگیری سیارهها را نیز از دیدگان اخترشناسان پنهان میکنند، بهخصوص در مراحل آغازین. بنابراین، اخترشناسان معمولاً تا زمانی که این غبار پراکنده نشود، نمیتوانند رویدادها را مستقیماً مشاهده کنند. البته، سیارههایی که بهتازگی در حال شکلگیری هستند، آنقدر کوچکاند که قابل رؤیت نیستند، اما گرانش آنها الگوهایی مارپیچی و حلقهمانند در قرصهای پیشسیارهای اطراف ستارههای نوزاد ایجاد میکند. این پرسش مطرح میشود که این الگوها دقیقاً از چه زمانی ظاهر میشوند؟
تیمی از اخترشناسان در ژاپن، به رهبری «آیومو شوشی» از دانشگاه کیوشو و مؤسسه اخترفیزیک آکادمی سینیکا، با استفاده از آرایه میلیمتری آلما (ALMA) در شیلی، قرصهای ستارهزای ناحیه مارافسای (Ophiuchus) را مورد بررسی دقیق قرار دادند. آنها دادههایی از دو پروژهی مهم را بهکار گرفتند:
- شکلگیری اولیه سیارات در قرصهای مدفونشده (eDisk)
- زیرساختارهای قرصها در تفکیکپذیری زاویهای بالا (DSHARP)
به همراه دادههای تکمیلی از سایر نواحی ستارهزا.
نتایج آنها نشان داد که ساختارهای مارپیچی و حلقهای در برخی از قرصهای پیشسیارهای بهوضوح قابل مشاهدهاند و سیارهها در قرصهای بزرگتر، تنها چند صد هزار سال پس از تولد ستارهها، شروع به شکلگیری میکنند.
شوشی میگوید: «این یافتهها، که شکاف بین پروژههای eDisk و DSHARP را پر میکنند، بهواسطهی تصویربرداری نوآورانهای ممکن شد که امکان مشاهدهی تفکیکپذیری بالا همراه با تعداد زیادی نمونه را فراهم میکند. اگرچه این نتایج تنها مربوط به قرصهای صورتفلکی مارافسای است، اما مطالعات آینده در سایر نواحی ستارهزا مشخص خواهد کرد که آیا این روند، رفتاری عمومی دارد یا نه.»
نقش این یافتهها در درک بهتر تولد ستارهها و سیارات
تحقیقات مکمل این تیم در سایر نواحی تولد ستارهها، نشان میدهد که آغاز زودهنگام تشکیل سیارهها، بخش مهمی از پازل تولد ستاره و سیاره را تکمیل میکند. شکلگیری زیرساختارهای مارپیچی و حلقهای در قرصهای اطراف ستارهها، سرنخهایی دربارهی برهمکنش سیارهها با قرص گازیشان در مراحل ابتدایی شکلگیری فراهم میکند.
فرایند کلی تولد ستاره چگونه است؟
اخترشناسان با وجود پنهان بودن مراحل اولیه، اطلاعات زیادی از فرایند کلی تولد ستاره دارند. این فرایند زمانی آغاز میشود که یک ابر گازی و غباری (ناحیهی HII) بر اثر گرانش خودش شروع به رمبش کرده و ماده را بهسمت یک ناحیه مرکزی میکشاند. در همین ناحیه مرکزی، یک پیشستاره (Protostar) شکل میگیرد. در نهایت، وقتی دما و فشار به اندازهی کافی بالا رفت، واکنشهای همجوشی هستهای در «هسته ستارهای» آغاز میشود و بهاصطلاح، ستاره متولد میشود.
در آن زمان، ستاره نوزاد همچنان در دل ابر غلیظی از گاز و غبار محصور است. اگر شرایط مساعد باشد، سیارهها درون قرص پیشسیارهای اطراف آن شکل میگیرند. ترکیب شیمیایی و ویژگیهای این ابر، نوع و مکان تشکیل سیارهها را تعیین میکند. منظومه شمسی ما نیز حدود ۴.۶ میلیارد سال پیش، در یک ناحیهی HII به قطر حدود ۶۵ سال نوری، همین روند را طی کرده است. خورشید در مرکز تودهی رمبشیافته شکل گرفت و بقیهی ابر، قرص سیارهساز را بهوجود آورد. دانههای غباری که سیارات از آن ساخته شدند، حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش تشکیل شدهاند؛ برخی از این دانهها احتمالاً بسیار قدیمیترند و حتی پیش از شکلگیری خورشید پدید آمدهاند. این دانهها در اثر چرخش قرص، با هم ادغام شده و خردهسیارهها (Planetesimals) را ساختند که در نهایت به سیارات تبدیل شدند. سرانجام، ابر زاینده مصرف شده یا پراکنده شد.
منبع: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)، آ. شوشی و همکاران.
یکی از پرسشهای کلیدی این است: سیارات دقیقاً از چه زمانی از دل این دانهها شکل میگیرند؟ آیا همزمان با رمبش ستارهاند یا با تأخیری مشخص؟ پاسخ این سؤال به شرایط ابر، و عوامل بیرونی (مانند ستارههای گذرا یا انفجار ابرنواخترهای نزدیک) بستگی دارد. هنوز زمان دقیق آن مشخص نیست؛ به همین دلیل، تیم ژاپنی تصمیم گرفت زیرساختارهای موجود در قرصهای پیشسیارهای را با دقت بیشتری بررسی کند. سن این قرصها میتواند سرنخهایی دربارهی آغاز شکلگیری سیارات بدهد.
استفاده از آرایه ALMA برای سرک کشیدن به مهدهای سیارهای
آنتنهای آرایهی آلما (ALMA) در زمینهی مشاهدهی قرصهای پیشسیارهای ابزارهایی شناختهشدهاند. رصد در باندهای رادیویی و میلیمتری برای دیدن جزییات مناطق غبارآلود تولد ستارگان بسیار مناسب است. اخترشناسان از برنامههای مختلفی در ALMA برای بررسی این فرایند استفاده میکنند. پروژه DSHARP ساختارهای واضحی را در اطراف ۲۰ ستارهی جوان، که دستکم یک میلیون سال در حال شکلگیری بودند، ثبت کرد. در سوی دیگر، پروژه eDisk قرصهای اطراف ۱۹ پیشستاره را در فاز جذب جرم (جایی که ستاره و قرص بهطور فعال جرم جذب میکنند) بررسی کرد. این مرحله حدود ۱۰ تا ۱۰۰ هزار سال پس از تولد ستاره رخ میدهد.
منبع: ی. ناکامورا، آ. شوشی و همکاران.
تفاوتهای میان این قرصها در مراحل مختلف، نشان میدهد که قرصها بسته به سن ستاره، ویژگیهای متنوعی دارند. این یافتهها سؤال مهمی را پیش میکشند: دقیقاً چه زمانی زیرساختارهایی مانند حلقهها و مارپیچها – که نشانهی آغاز شکلگیری سیاراتاند – در قرصها ظاهر میشوند؟
تیم تحقیقاتی با ترکیب دادههای پروژه eDisk و مشاهدات ناحیه مارافسای دریافتند که این ساختارها، در قرصهایی با شعاع بیش از ۳۰ واحد نجومی (AU) در مراحل اولیه تولد ستاره ظاهر میشوند. این پدیده حتی میتواند تنها چند صد هزار سال پس از تولد ستاره رخ دهد، زمانیکه هنوز مقدار زیادی گاز و غبار در قرص باقی مانده است.
به بیان دیگر:
سیارهها همزمان با ستارههای نوزاد خود رشد میکنند.
گام بعدی، بررسی قرصهای بیشتری در تمام مراحل تولد ستارگان است تا مجموعهی گستردهتری از نمونهها فراهم آید و درک بهتری از آغازینترین لحظات تولد سیارهها حاصل شود.
