ستارگان از چه موادی ساخته شده اند؟

بیتوته: آیا تاکنون این سوال برایتان پیش آمده که ستارگان از چه چیزی ساخته شده اند؟ نباید متعجب شوید اگر بدانید که نسبت توزیع عناصر در هر ستاره، تقریباً به همان نسبت مواد سازنده کل کیهان است: یعنی 73 درصد هیدروژن، 25 درصد هلیوم و دست آخر 2 درصد نیز سایر عناصر. با اندکی استثنائات، ساختار تمامی ستارگان از مواد بالا تشکیل شده است. در حدود 13٫8 میلیارد سال پیش، تمامی کیهان ما کره بسیار چگال و فشرده ای بود در حدود 13٫8 میلیارد سال پیش، تمامی کیهان ما کره بسیار چگال و فشرده ای بود. شرایط در چنین جهان نوباوه ای آنچنان داغ بود که تقریباً با شرایط درون هسته یک ستاره برابری می کرد. به عبارت دیگر، کل کیهان ما همانند یک ستاره بود و تنها برای زمان مختصری که جهان در چنین شرایطی به سر می برد، فرآیندهای گرما هسته ای، هیدروژن را به همان نسبتی که امروز می بینیم، به هلیوم تبدیل کردند. جهان شروع به انبساط کرد و سردتر شد، و سرانجام هیدروژن و هلیوم موجود در کیهان تا نقطه ای سرد شدند که در حقیقت نیروی گرانشی مابین آنها بر دافعه گرمایی غلبه کرده و بدین ترتیب توده های گازی آغاز به فشرده شدن کردند. به این ترتیب نخستین ستارگان متولد شدند. نخستین ستارگان، بسیار عظیم الجثه بودند و احتمالاً در همان چند میلیون سال پس از تشکیلشان، در جریان انفجارهای ابرنواختری از میان رفتند. در طول حیاتشان و در زمان مرگشان، این نخستین ستارگان، مقادیری عناصر سنگینتر که امروز در زمین می بینیم - همانند اکسیژن، کربن، طلا و اورانیوم - را در درونشان تولید کردند و پس از مرگشان در فضا پخش کردند. ستارگان از زمان تشکیل جهان، ساخته شده اند، در واقع طبق محاسبات اخترشناسان، هر ساله 5 ستاره جدید در کهکشان راه شیری متولد می شود. برخی از آنها عناصر سنگین تر بیشتری را که در ستارگان پیشین تولید شده بود، در درونشان دارند که به چنین ستارگانی، ستارگان غنی از فلز می گویند. بقیه، فلزات کمتری را در ساختار درونیشان دارند که به آنها ستارگان فقیر از فلز می گویند. اما با این وجود، نسبت عناصر سازنده در تمامی ستارگان تقریباً مشابه است. هر ساله 5 ستاره جدید در کهکشان راه شیری متولد می شود خورشید ما، نمونه ای از یک ستاره غنی از فلز است، که درصد بالاتری از عناصر سنگین را در درون خود نسبت به متوسط کل ستارگان جای داده است. اما با این وجود، نسبت عناصر سازنده خورشید نیز مشابه بقیه است: 71 درصد هیدروژن، 27٫1 درصد هلیوم و مقادیری نیز عناصر سنگین همانند اکسیژن، کربن، نیتروژن و … البته خورشید در حدود 4٫5 میلیارد سال است که در هسته اش، هیدروژن را به هلیوم تبدیل می کند. شناخت ستارگان از روی طیف آنها خورشید که در مرکز منظومه شمسی می سوزد 150 میلیون کیلومتر با زمین فاصله دارد. بعد از آن نزدیکترین ستاره به زمین کوتوله سرخی است بنام پروکسیما قنطورس که 4 سال نوری یا 40 هزار میلیارد کیلومتر با ما فاصله دارد. از زمانی که رابرت انیس در سال 1915 در رصدخانه کیپ آفریقای جنوبی این ستاره را کشف کرد مطالب زیادی درباره ی آن آشکار شده است. اعتقاد بر این است که پروکسیما قنطورس با مجموعه دوتایی ستاره ای آلفا و بتا قنطورس که در کنارش قرار دارد بخشی از یک سیستم سه ستاره ای هستند و گرچه با چشم غیر مسلح نمی توان آنها را دید اما اندازه گیری جرم و قطر و میزان درخشندگی آنها طی 100 سال گذشته امکان پذیر بوده است. با وجودی که تنها راه ارتباط ما با ستارگان همسایه زمین نوری است که از آنها به ما می رسد توانسته ایم اطلاعات بسیاری درباره ی آنها بدست آوریم. چون نوری که از آنها به زمین می رسد دارای ویژگی های عناصر تشکیل دهنده آنهاست. این امر با توجه به یکی از خصوصیات جالب عناصر امکان پذیر شده است. تصویری از ستاره ی پروکسیما قنطورس که تلسکوپ فضایی هابل به ثبت رسانده داستان پی بردن به مشخصات ستارگان از راه مطالعه ی نور آنها با کارهای آیزاک نیوتن در سال 1670 شروع شد. او در مقاله « نظریه رنگ» نشان داد که نوری طیفی از رنگهاست و با شی ساده ای مثل منشور شیشه ای می توان نور سفید خورشید را به اجزای آن تجزیه کرد. تقریبا 150 سال بعد دانشمند آلمانی ژوزف فراونهوفر وقتی در حال تنظیم عدسی ها و منشورهای تلسکوپی بود در مورد طیف خورشید نکته جالبی را کشف کرد. فراونهوفر دید که در طیف نور خورشید 574 خط تیره وجود دارد، این خطوط تیره نماینده رنگ های غایب طیف بودند و آنها را به ترتیب با حروف A تا K مشخص کرد. فراونهوفر که آن موقع به اهمیت این کشف پی نبرده بود نقشه دقیق طیف را ثبت کرد. سپس در ادامه ی کارش خطوط سیاهی را که در نور ماه و سیارات و ستارگان دیگر بود بررسی کرد. خطوطی که اینک خطوط فراونهوفر نامیده می شوند. تلاش های بیشتر توسط دو یا چند دانشمند بزرگ آلمانی قرن 19 به اسامی گوستاو کارشهوف و روبرت بونزن سرانجام معنای این خطوط را بیان کردند. آنها به درستی حدس زدند که این خطوط باید نماینده ی عناصری باشند که در جو خورشید وجود دارند. از فاصله ی 150 میلیون کیلومتری نور توانسته اثر انگشت اجزای تشکیل دهنده خورشید را در خود حفظ کند و به ما انتقال دهد. کشف کارشهوف و بونزن کاملا تجربی بود. آنها دیده بودند وقتی روی زمین گازی داغ می شود مثل یک قطعه فلز داغ نمی درخشد بلکه نوری به رنگ خاص منتشر می کند و نکته جالب اینجاست که رنگ، مربوط به نوع ترکیب شیمیایی گاز است نه دمای آن. یعنی هر ترکیب شیمیایی نوری خاص خود دارد. مثلا عنصر استرونسیم به رنگ قرمز زیبایی می سوزد، سدیم زرد تند و مس به رنگ زمردی می سوزد. خطوط عمودی که در این تصویر می بنیم همان خطوط فراونهوفر هستند در اوایل قرن نوزدهم دانشمند آلمانی ژوزف فراونهوفر 574 خط تیره را در طیف خورشید نشان داد. خطوط عمودی که در تصویر بالا می بنیم همان خطوط فراونهوفر هستند. دو دانشمند کارشهوف و بونزن متوجه شدند که خطوط سیاه و غایب طیف نور خورشید دقیقا منطبق بر رنگ های ناشی از سوختن برخی از عناصر مشخص هستند. مثلا دو خط سیاه و غایب طیف نور خورشید دقیقا منطبق بر رنگ های ناشی از سوختن برخی از عناصر مشخص هستند. مثلا دو خط سیاه در قسمت زرد رنگ نور خورشید وجود دارند که دقیقا بر دو خط زرد رنگ ناشی از بخار داغ سدیم منطبق هستند. شگفت اینکه این دو دانشمند، نظری در خصوص علت خاصیت عناصر نداشتند؛ اما این هم نکته ای نبود که به کارشان خللی وارد کند. در اوایل قرن بیستم بود که دلیل این واکنش عجیب عناصر کشف شد. جواب سوال در مکانیک کوانتومی نهفته بود، و کار طیف نمایی فیزیکدانان ها و شیمدان هایی مثل کارشهوف و بونزن عامل برانگیزنده ی بزرگی در توسعه ی نظریه کوانتوم بود. عناصر وقتی نوری را جذب و گسیل می کنند که مدار گردش الکترون های اطراف هسته ی آنها ارتقا یابد. کلید دستیابی به نظریه ی کوانتوم این بود که الکترون ها جایی در اطراف هسته (مثل سیاراتی که به دور ستارگان می گردند) حضور ندارند بلکه در محل خاصی به نام مدار جای می گیرند. به این دلیل که الکترون ها همیشه مشابه ذرات ریز ماده رفتار نمی کنند بلکه خواص موجی نیز دارند و این امر مکان های اطراف هسته را که می توانند در آنها حضور یابند محدود می کند. وقتی الکترونی نور جذب می کند به مداری دیگر که دارای انرژی بیشتری است صعود می کند و وقتی از مداری بالاتر به مدار پایین تر سقوط می کند انرژی جذب شده را به شکل نور آزاد می کند. تفاوت انرژی مدارهای بالاتر و پایین تر باید دقیقا معادل انرژی نور جذب شده یا گسیل شده باشد. با این همه نظریه کوانتوم می گوید که نور همیشه رفتار موجی ندارد. مثل الکترون ها نور می تواند هم موج و هم مانندی روی از ذرات رفتار کند- ذراتی موسوم به فوتون. مطلب همین جاست: فوتون انرژی خاص با رنگ نور است، لذا فوتون های قرمز انرژی کمتری از فوتون های زرد دارند و فوتون های زرد کم انرزی تر از فوتون های آبی هستند. از آنجا که در هر عنصری الکترون ها در مدارهای خاصی به دور هسته می چرخند پس هر عنصر قادر به جذب فوتون های خاصی برای ارتقا به مدارهای با انرژی بیشتر است. برعکس، وقتی الکترون ها از مدارهای دارای انرژی بالاتر به مدارهای پایین تر سقوط می کنند فوتون های دارای انرژی خاصی را که مربوط به رنگ خاصی است منتشر می کنند. با دانستن این نکات گویی می توانیم ساختار اتم ها را به خوبی مشاهده کنیم. رده بندی انواع ستارگان وقتی به طیف نور خورشید نگاه کنیم صدها خط می بینیم که هر یک با حضور عنصر خاصی در اتمسفر خورشید که در آن بخش از طیف را جذب می کند ارتباط دارند، از سدیم در بخش زرد طیف گرفته تا آهن و منیزیم و هیدروژن در خط آلفای بخش قرمز طیف، اثر حضور عناصر در طیف نور خورشید ثبت شده است. پس با نگاه کردن به این خطوط و تجزیه و تحلیل دقیق آنها می توان فهمید که چه عناصری در خورشید وجود دارد. لازم به ذکر است که با کاربرد این شیوه در مورد سایر ستارگان کیهان نیز می توان به عناصر تشکیل دهنده ی آنها پی برد. بسیار جالب است که صرفا با بررسی طیف نور ستارگانی بس دور می توانیم مواد تشکیل دهنده ی آنها را کاملا بشناسیم. این مطالعات طیف نمایی مطلبی که منطق علمی به ما گفته بود را تایید می کنند -اینکه در سراسر کیهان به هر جا بنگریم فقط همان عناصری که در زمین هستند- حضور دارند. پس روشن است که ما به معنای واقعی با کل کیهان ارتباطی نیرومد داریم- با میلیاردها ستاره ای که در میلیاردهها میلیارد کهکشان وجود دارند- چون ما نیز از عناصر و گرد و غبار ستاره ای ساخته شده ایم!