وقتی درباره اجرام فضایی صحبت میکنیم، خیلی وقتها درباره ویژگیهای فیزیکی آنها بحث میشود: آیا بزرگ هستند؟ آیا سنگیناند؟ اندازه آنها معمولاً با بررسی اینکه در آسمان چقدر بزرگ به نظر میرسند و چقدر از ما فاصله دارند، بهراحتی قابل تخمین است.
اما تعیین جرم آنها در عوض میتواند کار بسیار پیچیدهای باشد. برخی روشها فقط در شرایط خاص ممکن هستند، برخی دیگر به دانش دقیق از سیستم مورد نظر نیاز دارند، و بعضی هم تا حدی حدس و تخمین هستند.
فیزیکدانها معمولاً از این موضوع ناراحت میشوند که مردم «جرم» و «وزن» را بهجای هم استفاده میکنند، در حالی که از نظر علمی متفاوتاند. جرم فقط مقدار ماده یک جسم است، اما وزن نیرویی است که بهخاطر گرانش به جسم وارد میشود. اگر روی زمین باشید یا روی ماه، جرم شما ثابت میماند، اما وزن شما تغییر میکند چون گرانش ماه کمتر است.
با این حال، جرم و گرانش به هم مرتبطاند و در بیشتر موارد، روشهای تخمین جرم به بررسی اثرات گرانش (چه ظریف و چه آشکار) مربوط میشود.
چطور سیارات را «وزن» میکنیم؟
قاعده کلیای که بارها از آن استفاده میشود این است: اگر جسم بزرگی دارید که جسم کوچکی به دور آن میچرخد، و بتوانید فاصله و دوره گردش آنها را اندازه بگیرید، میتوانید جرم را حساب کنید. این همان قانون سوم کپلر است.
برای سیارات منظومه شمسی، این کار نسبتاً ساده است. و نه فقط سیارات؛ برای اجرام دیگر هم اگر پارامترهای مداری را داشته باشید همین روش قابل استفاده است. اما در فاصلههای دورتر چه؟
ما هنوز وجود قمرهای فراخورشیدی را تأیید نکردهایم و ممکن است نتوانیم با دقت کافی جزئیات لازم برای تخمین دقیق را به دست آوریم. خوشبختانه روشهای دیگری هم وجود دارد.
چطور سیارات فراخورشیدی را وزن میکنیم؟
دیدن مستقیم سیارات بسیار دشوار است. کشف آنها معمولاً زمانی رخ میدهد که هنگام عبور از جلوی ستارهشان یک افت نور کوچک ایجاد کنند (روش ترانزیت) یا باعث لرزش در حرکت ستاره شوند (روش سرعت شعاعی).
روش دوم اطلاعات مستقیمی میدهد، چون این لرزشها به کشش گرانشی سیاره مربوط هستند. در روش ترانزیت، تغییرات جزئی در زمانبندی عبورها به وجود سیارات دیگر اشاره میکند و میتوان از آنها نیز اطلاعات به دست آورد. حتی میتوان این روشها را ترکیب کرد.
سیارات حتی لازم نیست کاملاً شکل گرفته باشند تا بتوان جرمشان را تخمین زد. تلسکوپهایی مانند ALMA دیسکهای پیشسیارهای را کشف کردهاند؛ محلهایی که سیارات در حال شکلگیری هستند و در آنها شیارهای تاریکی دیده میشود.
روشهای سنتی سرعت گاز نزدیک سیاره را با نقاط دیگر مقایسه میکنند تا میزان کشش گرانشی را تخمین بزنند. روش جدیدتر به ویژگیهای حلقههای روشن میان این شیارها نگاه میکند تا جرم سیارات در حال شکلگیری را محاسبه کند.
به گفته دکتر فارزانه مرو از دانشگاه وارویک، با بررسی عرض حلقهها، محل بیشینه روشنایی آنها و تغییرات فشار گاز، میتوان جرم سیاره احتمالی را تخمین زد. او میگوید این یک نوع کار کارآگاهی است که از سرنخها برای فهمیدن جرم سیاره استفاده میشود.
این روش کارآگاهی به ما کمک میکند مرزهای دانش را گسترش دهیم.
تلسکوپهای جدید حتی میتوانند دقت این اندازهگیریها را بیشتر کنند و جرم و نحوه رشد این سیارات را بهتر مشخص کنند.
چطور ستارهها را وزن میکنیم؟
اگر سیاراتی دور ستاره باشند، میتوان با قانون کپلر جرم ستاره را حساب کرد. اگر سیارهای نباشد، بهترین حالت این است که ستاره در یک سیستم دوتایی باشد و حرکت دو ستاره به دور هم بررسی شود.
برای ستارههای تنها، اگر خوششانس باشیم، ممکن است از جلوی یک جسم روشن عبور کنند و اثر عدسی گرانشی ایجاد کنند؛ از روی این اثر میتوان جرم را تخمین زد.
در غیر این صورت، از رابطه جرم و درخشندگی استفاده میشود که تخمین کلی میدهد.
چطور سیاهچالهها را وزن میکنیم؟
برای سیاهچالهها روشهای دینامیکی کاربرد دارد. اگر ستارگانی به دور یک جسم نامرئی و بسیار سنگین حرکت کنند، میتوان نتیجه گرفت که یک سیاهچاله وجود دارد.
روش دیگر بررسی ماده در حال سقوط به داخل سیاهچاله است؛ از روشنایی آن میتوان جرم را تخمین زد، مخصوصاً برای سیاهچالههای بسیار پرجرم در مرکز کهکشانها.
عدسی گرانشی نیز کمک میکند، حتی برای سیاهچالههای دوردست. همچنین امواج گرانشی هنگام برخورد سیاهچالهها امکان اندازهگیری مستقیم جرم آنها را فراهم میکنند.
چطور کهکشانها و خوشههای کهکشانی را وزن میکنیم؟
میتوان از حرکت اجرام داخل کهکشان یا سرعت چرخش آن استفاده کرد. این موضوع وجود ماده تاریک را آشکار کرده است.
همچنین روشنایی کهکشانها تخمینی از تعداد ستارهها و جرم کلی میدهد.
در خوشههای کهکشانی، از عدسی گرانشی، حرکت کهکشانها، گاز داغ میان آنها و حتی اثر Sunyaev–Zel’dovich برای تخمین جرم استفاده میشود.
در نهایت، هیچ ترازوی کیهانی واقعی وجود ندارد؛ بنابراین دانشمندان باید چندین روش را با هم ترکیب کنند تا به تخمین دقیقتری برسند.
