فرایند شکل‌گیری ستاره‌ها چگونه است؟

بيگ بنگ/ فرايند شکل‌گيري ستاره‌ها چيزي نيست که بتوانيم از ابتدا تا انتهاي آن را مشاهده نماييم، زيرا ميليون‌ها سال طول مي‌کشد. اما بتازگي يک شبيه‌سازي خارق‌‌العاده‌ ما را از هر زماني بيشتر به چگونگي فرايند اين پديدۀ باشکوه نزديک کرده است.
 اخترشناسان با کمک يک شبيه‌سازي کامپيوتري که STARFORGE (تشکيل ستاره در محيط‌هاي گازي) ناميده مي‌شود موفق شدند تا براي اولين‌بار ابر مولکولي ستاره‌ساز يا ناحيه‌اي که به «پرورشگاه ستارگان» معروف است را به صورت سه بعدي و با وضوح بالا شبيه‌سازي کنند.

اين شبيه‌سازي مي‌تواند اخترشناسان را ياري کند تا فرآيند تشکيل ستاره‌ها را با جزئيات بيشتري مطالعه کنند. آن‌ها با مقايسه‌ي اين شبيه‌سازي با پيش‌ستاره‌هاي واقعي (ستارگاني که هنوز به‌طور کامل تشکيل نشده‌اند) در مراحل مختلف تکوين مي‌توانند فرآيندهايي را درک کنند که در تشکيل ستاره‌ها نقش دارند.
کلود-اندرو فوشر-جي‌گوير اخترفيزيکدان دانشگاه نورث‌وسترن عنوان کرد: «نحوۀ تشکيل ستارگان پرسشي بسيار اساسي در اخترفيزيک است. مطالعه‌ي تشکيل ستارگان به خاطر وسعت فرآيندهاي دخيل در آن موضوعي بسيار چالش‌برانگيز است. اما شبيه‌سازي جديد به ما کمک مي‌کند تا پرسش‌هاي اساسي را که قبلاً نمي‌توانستيم پاسخ قطعي براي‌شان بيابيم مستقيماً درک کنيم.»

ويژگي‌هاي اساسي تشکيل ستارگان به اين صورت است: نخست، با توده‌اي از گاز مولکولي آغاز مي‌کنيم که معمولاً در ابرهاي حاوي مواد پيدا مي‌شود. اگر چگالي کافي باشد، توده‌ي ابر تحت گرانش خودش فرو مي‌ريزد تا يک پيش‌ستاره‌ را تشکيل دهد. آنگاه اين پيش‌ستاره حول خودش شروع به چرخش مي‌کند.

اين چرخش باعث مي‌شود تا مواد حول پيش‌ستاره بچرخد و قرصي را پيرامون آن تشکيل دهد. آنگاه موادِ قرص درون ستارۀ در حال رشد سرازير مي‌شود؛ درست مثل آبي که بي‌وقفه با قدرت گرفتن کشش گرانشي درون چاه، تخليه مي‌شود. هنگامي که ستاره به‌قدر کافي جرم به‌‌دست آورد، حرارت و فشار در مرکز ستاره آن‌قدر بالا خواهد رفت که واکنش گداخت هسته‌اي آغاز مي‌شود و طي آن اتم‌هاي هيدروژن به هليوم، گداخته مي‌شوند. آنچه از مواد درون قرص باقي مي‌ماند در تشکيل سيارات، سيارک‌ها و ساير اجرامي از اين قبيل مصرف مي‌شود.

چون کل اين فرآيند در ابري چگال رخ مي‌دهد، براي‌مان دشوار است که مستقيماً آن را رصد کنيم. و به خاطر اينکه تکوين اين فرآيند ميليون‌ها سال طول مي‌کشد، هر پيش‌ستارۀ منفردي که رصد مي‌کنيم صرفاً يک تصوير اجمالي از رويدادي است که به مراتب طولاني‌تر، بزرگ‌تر و پيچيده‌تر است.

گروهي از اخترشناسان به سرپرستي “مايکل گروديک” از دانشگاه نورث‌وسترن براي ايجاد شبيه‌سازي STARFORGE مجبور شدند پديده‌هاي فيزيکي متعددي را در آن لحاظ کنند؛ منجمله دما، گرانش، ميدان‌هاي مغناطيسي، ديناميک گاز، و بادهاي قدرتمند ستاره‌اي و فوران‌هاي پلاسمايي که از ستارگان نوزاد گسيل مي‌شوند و به «بازخورد ستاره‌اي» معروف‌ هستند.

آن‌ها شبيه‌سازي خود را در يکي از قدرتمندترين ابرکامپيوترهاي جهان موسوم به «فرانترا» در دانشگاه تگزاس به مدت ۱۰۰ روز اجرا کردند. نتيجه کار، يک فيلم ويدئويي زيبا بود که پرورشگاه کامل ستاره‌اي و تشکيل ستارگان را از ابتدا تا انتها نمايش مي‌داد. گروديک عنوان کرد: «اکنون چند دهه است که دانشمندان فرآيند تشکيل ستارگان را شبيه‌سازي مي‌کنند، اما شبيه‌سازي STARFORGE يک جهش کوانتومي در فن‌آوري محسوب مي‌شود.»

---

بازار

---

وي افزود: «مدل‌هاي ديگر فقط مي‌توانستند ناحيه‌ي کوچکي از توده‌ ابر را که ستاره‌ها در آن‌جا تشکيل مي‌شوند، شبيه‌سازي کنند و از شبيه‌سازي کل ابر با وضوح بالا عاجز بودند. بدون مشاهدۀ تصوير بزرگ، عوامل زيادي از قلم مي‌افتند که ممکن است بر پيامد تشکيل ستاره اثر بگذارند.»

توده ابر شبيه‌سازي‌شده در ويدئوي بالا 20 هزار برابر خورشيد جرم دارد و در آغاز شبيه‌سازي فقط در فضا معلق است. به مرور زمان، گاز با نيروهايي مثل بادهاي ستاره‌اي و امواج شوک از هر طرف تحت فشار قرار مي‌گيرد و نتيجه آن‌که در ابر، نواحي خاصي با چگالي بالاتر شکل مي‌گيرند که مي‌توانند تحت نيروي گرانش برُمبند و پيش‌ستارگان را تشکيل دهند.

اما ويدئوي پايين ابري را با 200 هزار برابر جرم خورشيد شبيه‌سازي کرد. با شکل‌گيري و رشد ستاره، بادهاي ستاره‌اي قدرتمندي از آن خارج مي‌شود. علاوه بر اين، موادي که درون ستاره سقوط مي‌کنند با ميدان‌هاي مغناطيسي ستاره برهم‌کنش مي‌کنند؛ برخي از اين مواد به خارج مکيده مي‌شوند و در امتداد خطوط ميدان مغناطيسي تا قطب‌هاي ستاره جاري مي‌شوند و آنگاه به شکل فوران‌هاي پلاسمايي قدرتمند از قطب‌هاي ستاره به فضا پرتاب مي‌شوند.

هر دو بازخورد (بادهاي ستاره‌اي و فوران‌ها) گازهاي اطراف ستاره را عقب مي‌رانند و جريان ورودي مواد به ستاره را قطع مي‌کنند و در نتيجه مانع رشد بيشتر ستاره مي‌شوند. پژوهش پيشين که بر مبناي داده‌هاي مشاهداتي انجام شده، نشان مي‌داد که بازخورد ستاره‌اي ممکن است در تعيين جرم ستاره، نقش مهمي نداشته باشد.

اما پژوهش اين گروه، نتيجه‌اي کاملاً برعکس را نشان مي‌دهد. هنگامي که آن‌ها شبيه‌‌سازي را بدون فوران‌ها اجرا کردند، در پايان با ستاره‌هايي به مراتب بزرگ‌تر مواجه شدند. اگر فوران‌ها در شبيه‌سازي لحاظ شوند، در پايان ستارگاني حاصل مي‌شوند که اندازۀ آن‌ها متعارف‌تر است. گروديک توضيح داد: «فوران‌ها جريان ورودي گاز به ستاره را مختل مي‌کنند.»

«فوران‌ها اساساً گازهايي را که مي‌توانند به درون ستاره سقوط کنند و جرمش را افزايش دهند به خارج از ستاره پرتاب مي‌کنند. افراد گمان مي‌کنند که چنين پديده‌اي ممکن است رخ دهد، اما با شبيه‌سازي کل سيستم، اکنون درک درستي از چگونگي وقوع اين پديده در اختيار داريم.»

لذا اين موضوع مي‌تواند پتانسيل شبيه‌سازي STARFORGE را به زيبايي نمايش ‌دهد. اخترشناسان با شروع از سناريويي که تا حد ممکن به کيهان واقعي نزديک است، مي‌توانند فرآيندهاي فيزيکي مختلفي را کاوش کنند که در تکوين پرورشگاه‌هاي ستاره‌اي دخيل‌ هستند. با حذف يا افزودن هر يک از اين فرآيندها در شبيه‌سازي مي‌توان درک کرد که کدام يک از اين فرآيندها نقش اساسي در تکوين ستاره‌ها نوزاد دارند و چه بسا در پاسخ به پرسش‌هاي کليدي جهان هستي ما را ياري کنند. جزئيات بيشتر اين پژوهش در Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده است.

به پيج اينستاگرامي «آخرين خبر» بپيونديد
instagram.com/akharinkhabar