قلب قدیمی: راه حلی برای پارادوکس سن غولهای قرمز
ستاره رده اصلی مانند خورشید در پایان عمر خود، به غول قرمز تبدیل میشود. لایهای که در آن پلاسما عظیم جریان دارد، مایع گرم را به سطح منتقل میکند و سپس به هسته نیز راه مییابد. به این ترتیب، مواد هستهای میتوانند به سطح ستاره برسند و اجازه میدهد که از درون آنها اطلاعاتی کسب شود. اعتبار: AGE-group/MPS
چهار سال پیش چندین ستاره غول قرمز کشف شد که یک پارادوکس ایجاد میکند: هرچند که از مواد ستاره ای بسیار قدیمی ساخته شدهاند، جرم زیادشان به طور واضح آنها را جوانتر نشان میدهد. دانشمندان موسسه ماکس پلانک برای تحقیق در مورد سیستم خورشیدی (آلمان)، دانشگاه آروش (دانمارک) و دانشگاه ایالتی اوهایو (ایالات متحده) اکنون این تناقض ظاهری را حل کردهاند. برای اولین بار آنها فراوانی کربن، نیتروژن و اکسیژن را که از هسته این ستارهها به سطوح آنها جریان داشت، بررسی کردند. این امر اجازه میدهد تا نگاهی غیرمستقیم به فرایندهای عمق آنها داشته باشید. محققان نتیجه میگیرند که تعدادی از غولهای قرمز مورد بررسی باید در طول مرحله پیشرفته تکامل ستارگان با دیگران ادغام شده باشند. در این موارد جرم معیار مناسبی برای تعیین سن نیست، ستارهها واقعا قدیمی هستند.
ستاره رده اصلی، غول قرمز، کوتوله سفید – در طول زندگی خود که میلیونها یا حتی میلیاردها سال است از مراحل مختلف تکامل ستارگان گذر میکنند، همه در ظاهر متفاوت هستند. با این حال، ستارگان سن خود را به راحتی، حداقل در نگاه اول، نشان نمیدهد. مدت زمان هر فاز از زندگی از ستارهای به ستاره دیگر بسیار فرق دارد. اما با نگاه عمیقتر، محققان میتوانند داستان زندگی ستاره را بازسازی کنند. در حال حاضر روشهای مختلفی را میتوان برای تعیین سن یک ستاره تعیین کرد.
اما موارد حیرت انگیزی وجود دارد: چهار سال پیش، دو گروه از محققان به رهبری موسسه استروفیزیک لیبنیز و موسسه نجومی ماکس پلانک کشف ستارههای غول قرمزی را کشف کردند. نتایج حاصل از اندازهگیریهای مختلف سن چهار میلیارد سال را نشان داد. “ستارگان به نظر میرسید در آن واحد هم قدیمی و هم جوان هستند”، دکتر ساسکیا هکر از MPS و دانشگاه آرهوس در دانمارک، که در آن زمان بخشی از هر دو تیم کاشف بود و در حال حاضر اولین نویسنده این مطالعه جدید است یادآوری میکند: “این پارادوکس ظاهری خیلی جذاب به نظر میرسد.” با همکاری دکتر جنیفر جانسون از دانشگاه ایالتی اوهایو، او اکنون رمز و راز برخی از این ستارهها را حل کرده است. هر دو محقق متقاعد شدهاند که ستارههای عجیب و غریب دروغکی خودشان را جوان نشان میدهند.
مواد ساختمانی غول قرمز اشاره به سن باستانی بیش از 10 میلیارد سال دارد. ستارهها حاوی مقادیر کمی آهن، یعنی عنصری هستند که در طی تکامل کهکشانی به آرامی تولید میشود. بنابراین، ستارههای قدیمی آهن کمتری نسبت به سایر مواد مانند منیزیم، سیلیکون و کلسیم دارند، در حالی که ستارههای جوان دارای مقدار بیشتری هستند. دانشمندان به منظور تعیین نسبت این عناصر، نور ستاره مربوطه را به طول موجهای تکی تقسیم میکنند. در این طیف به اصطلاح، هر عنصر موجود در ستاره، اثر انگشت مشخصی را به نمایش میگذارد. یکی دیگر از روشهای تعیین سن، به نوسانات نور یک ستاره مربوط میشود. با روشهای اخترلرزهشناسی، جرم ستاره را میتوان به دست آورد.
از آنجایی که درجه حرارت بالا به ویژه در ستارگان سنگین شایع است، سوخت آنها نسبتا سریع میسوزد. بنابراین، از ستارههای سنگین انتظار طول عمر کوتاهتری نسبت به گروههای کم جرم دارند. غولهای قرمز به عنوان سنگین وزن واقعی شناخته شدند. بدین ترتیب، روش اخترلرزهشناسی، سن کمتر از 6 میلیارد سال را تعیین میکند.
تحقیقات جدید اکنون این تناقض را حل میکند. محققان توانستند نشان دهند که برخی از ستارگان به گذشته بسیار پر زرق و برق نگاه می کنند. “بعضی از ستارههای مرموز باید در طول یا بعد از تبدیل شدن به غولهای قرمز با دیگران ادغام شوند”، دکتر ساسکیا هکر نتایج را خلاصه میکند. او اضافه میند “جرم بزرگ آنهاملاک اصلی نیست و بنابراین برای تعیین سن مناسب نیست.” “ستارهها واقعا قدیمی هستند.”
کلید این نتایج، مقادیر کربن، نیتروژن و اکسیژن موجود در سطح ستارهها بود. این عناصر به ما اجازه میدهد که نگاه غیرمستقیمی به داخل ستاره داشته باشیم. هنگامی که ستارههای رده اصلی به اصطلاح یعنی ستارههایی که مانند خورشید در انتهای زندگی خود تبدیل به غول قرمز میشوند، ساختمان داخلی آنها تغییر میکند: کربن، نیتروژن و اکسیژن که در هسته شکل میگیرند میتوانند به سطح همراه با جریان پلاسما راه یافته و سپس شناسایی شوند. با توجه به دما و جرم ستارهای مورد بحث، عناصر را میتوان در نسبتهای مختلف پیدا کرد.
در برخی از اندازهگیریها، محققان ارزشهایی را برای ستارگان کمجرم مشخص کردند. دکتر جنیفر جانسون از دانشگاه ایالتی اوهایو میگوید: “قبل از اینکه آنها به غول قرمز تبدیل شوند، این ستارهها باید نسبتا نورانی باشند.” او میگوید: “جرم فعلی آنها میتواند با این واقعیت توضیح داده شود که این غولهای قرمز با دیگر ستارگان ادغام شدهاند.”
این توضیح برای تمام ستارهها مورد مطالعه صدق نمیکند. برای برخی، جرم بالا که سالها پیش با استفاده از روش اخترلرزهشناسی شناسایی شد، با حضور کربن، نیتروژن و اکسیژن در سطح آنها همخوانی دارد. هکر میگوید: “این ستارهها میتوانستند در مراحل اولیه تکامل با ستارههای دیگر ادغام شوند، قبل از اینکه مواد هستهای به سطح منتقل شوند.”
این مطالعه جدید همچنین یک رویکرد جدید را در مورد این که چگونه اغلب ستارگان برخورد و در نتیجه ادغام میشوند، ارائه میدهد.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
Old at heart: A solution to red giants’ age paradox
by Birgit Krummheuer, Max Planck Society
https://phys.org/news/2019-06-heart-solution-red-giants-age.html