در جست‌وجوی کهن‌ترین ستارگان

عالم پر از رمز و راز است و دانشمندان در پی گره‌گشایی از اسرار عالم‌اند. از رفتار مورچگان و هوش ازدحامی ‌آنها گرفته تا تولید عناصر سنگین در قلب ستارگان. دو دسته از دانشمندان به وضوح با گذشته‌ها سروکار دارند. دسته اول باستان‌شناسان هستند که به دنبال بقایا و تمدن‌های پیشین‌اند و دسته دوم اخترشناسان.

شعار سال: در نجوم به هر جرم سماوی که نگاه می‌کنیم، در حقیقت به گذشته سفر می‌کنیم. به دلیل ثابت‌بودن سرعت نور، 300 هزار کیلومتر بر ثانیه، تصویری که از خورشید می‌بینیم، متعلق به هشت دقیقه قبل است؛ زیرا فاصله زمین تا خورشید هشت دقیقه نوری است. به‌همین‌ترتیب وقتی به ستاره‌ای که با زمین‌ هزار یا صد‌ هزار سال نوری فاصله دارد، نگاه می‌کنیم، در واقع به ‌هزار سال یا صد‌ هزار سال قبل آن ستاره می‌نگریم. اخترشناسانی که به کهن‌ترین ستارگان عالم می‌نگرند، کارشان بسیار شبیه باستان‌شناسانی است که روی زمین در پی اشیای باستانی هستند یا دیرینه‌شناسانی در جست‌وجوی فسیل‌ها. این دسته از اخترشناسان با جست‌وجوی علمی، مبتنی بر داده‌های رصدی، مطالعات نظری و مدل‌سازی‌های کامپیوتری، به شکار کهن‌ترین ستارگان کیهان، موسوم به ستارگان اولیه یا First Stars می‌روند و در خلال این جست‌وجو، تاریخ تحول عالم را نیز مانند تاریخ‌نگاری دقیق و باستان‌شناسی پر وسواس روایت می‌کنند. یکی از شکارچیان ستارگان اولیه کیهان و راویان عالم اولیه، بانوی دانشمند آنا فریبل* (صحیح‌ترین تلفظ آن فغیبل) است. کمتر از دو سال قبل درحالی‌که دانشیار دانشگاه‌ ام‌‌آی‌تی بود، درباره داستان مهیج پژوهش‌هایش در بیش از 10 سال گذشته، ابتدا کتابی را به زبان آلمانی نوشت و سپس کمتر از دو سال قبل نسخه انگلیسی آن را با عنوان «Searching for the Oldest Stars» در انتشارات دانشگاه بلندآوازه پرینستون به چاپ رساند که با استقبال بسیار محققان و علاقه‌مندان به نجوم روبه‌رو شد. آنا فریبل 38‌ساله در کتابش توضیح می‌دهد که چطور آخرین یافته‌های نجومی اخترفیزیک‌دانان و کیهان‌شناسان پیشرو در این زمینه، کنار هم بافته شدند تا تصویری از این رده از ستارگان بسیار نادر را درست کنند. فریبل با زبانی شیوا و روایتی گیرا شرح می‌دهد که چگونه این ستارگان باستانی در زمانی بیش از 13‌ میلیارد سال قبل و تنها چند صد ‌میلیون سال بعد از مهبانگ تشکیل شده‌اند و بعد از عمری کوتاه به شکل ابرنواختر منفجر شده و با درخشندگی بالا جلوه‌گری کرده‌اند. او نشان می‌دهد چگونه اثر انگشت ترکیب شیمیایی را که در ستارگان اولیه باستانی بود، امروز آشکارسازی کرده‌اند و همین اثر انگشت شیمیایی چگونه سرنخ‌هایی را درباره منشأ عناصر کیهانی در ستارگان و کهکشان‌های اولیه به ارمغان می‌آورد. همچنین نحوه شکل‌گیری و به تعبیری جذاب‌تر مونتاژ کهکشانی مانند راه‌ شیری را در کارخانه عظیم کهکشان‌سازی عالم به ما نشان می‌دهد. آنا فریبل در کتابش فقط علم تعریف نمی‌کند؛ بلکه داستان آدم‌ها و ابزارهای استفاده‌شده، شکست‌ها و موفقیت‌ها و در نهایت روش علمی دستیابی به این داده‌های علمی ناب را هم شرح می‌دهد. کتاب «در جست‌وجوی کهن‌ترین ستارگان» در 300 صفحه، چاپ، صحافی و طرح جلد عالی به زیور طبع آراسته شده است. کتاب پر از عکس و جدول و نمودار و حتی نقاشی‌های علمی و آموزنده است. ساختار کتاب به گونه‌ای است که در عین پیوستگی مطالب به هم، خواننده می‌تواند هر فصل را مستقل از دیگر فصول بخواند. هرچند به دلیل بدیع‌بودن مطالب کتاب، نویسنده این یادداشت، خواندن به‌ترتیب و با آهستگی و پیوستگی آن را توصیه می‌کند. همچنین نویسنده کتاب در شبکه جهانی یوتیوب چندین سخنرانی آموزنده را بارگذاری کرده که علاقه‌مندان در صورت دسترسی می‌توانند از سخنرانی‌های ایشان بهره‌مند شوند.
1- فصل اول کتاب با عنوان «باستان‌شناسی ستاره‌ای چیست؟»، مقدمه‌ای مختصر است بر آنچه بناست خواننده بداند. اینکه دقایق ابتدایی پس از مهبانگ چگونه بوده و باستان‌شناسی ستاره‌ای موضوع چه مسائلی از اخترفیزیک و کیهان‌شناسی مدرن است. دو عنصر هیدروژن و هلیوم در فازهای بسیار اولیه بعد از مهبانگ تشکیل شده‌اند و مادّه اولیه ساختارهای عالم را تدارک دیده‌اند. خیلی زود، آشپزخانه کیهانی دست به کار تولید دیگر عناصر شده است. این‌گونه بود که سرانجام تولید عناصر منجر به ظهور و تحول حیات شد؛ به‌گونه‌ای‌که به ظهور انسان انجامید. در حالت کلی برای نوع بشر و برای مواد آلی، عنصر کربن نقش تعیین‌کننده‌ای دارد؛ بنابراین وجود ما به ستارگانی که کربن را سنتز می‌کنند، بسته است. شگفت‌انگیز است که تاریخ تکاملی به عناصر شیمیایی گره خورده است.
2- در فصل دوم فریبل با انتخاب عنوان «دو قرن در تعقیب ستارگان» مروری بسیار خوب بر ماهیت، ساختار و طبقه‌بندی ستارگان دارد؛ اولین گام‌هایی که اخترشناسان برای طبقه‌بندی ستارگان برداشتند که به نمودار «ایچ-آر» معروف است. جان کلام این فصل اهمیت نور ستارگان در رمزگشایی از اسرار آنهاست؛ از اینکه در مرکز ستارگان با آن دماهای چندین ‌میلیون درجه کلوینی چه خبر است تا شیمی مدرن و فهم علمی از منشأ عناصر. نکته جالب توجه در این فصل نشان‌دادن ارتباط عمیق فرایندهای اتمی و گسیل الکترون از لایه‌های اتمی با آنچه در ستارگان رخ می‌دهد، است. از دوران دبیرستان به یاد داریم که الکترون‌ها می‌توانند از لایه‌ای به لایه دیگر گذر کرده و مجدد به مدار خود بازگردند و فوتونی آزاد کنند. فریبل در این فصل نشان می‌دهد این کشف، چگونه زیربنای پاسخ به این سؤال بود که چرا خورشید می‌درخشد؟ پاسخ دلیل درخشش ستارگان قدمتی کمتر از صد سال دارد. هرچند طیف‌سنجی از نور ستارگان و کشف اسرار آن به سال 1814 و دستاورد فرانهوفر در مشاهده خطوط جذبی بازمی‌گردد. در بخش‌های پایانی فصل دوم فریبل داستان هیجان‌انگیز منشأ عناصر فراتر از هیدروژن و هلیوم را روایت می‌کند؛ به سال‌ 1946، یک سال بعد از اتمام جنگ جهانی دوم. فِرِد هُیل، اخترشناس برجسته بریتانیایی که پیش از انقلاب، به دعوت دکتر یوسف ثبوتی، بنیان‌گذار رصدخانه دانشگاه شیراز، به ایران هم سفر کرده بود، از پیشتازان پاسخ به سؤال «منشأ عناصر» بود. او نخستین کسی بود که گفت: «تمام عناصر جدول تناوبی می‌توانند در ستارگان سنتز شوند». به زبان دقیق‌تر، از طریق فرایند ترکیب هسته‌ای تولید شوند. قابل‌توجه خوانندگان که فِرد هُیل از مخالفان سرسخت نظریه مهبانگ هم بود. دو سال بعد از هُیل، فیزیک‌دان اوکراینی‌الاصلِ اهل اتحاد جماهیر شوروی سابق، جورج [گئورگ] گاموف، به همراه دو دانشجوی خود به نام‌های آلفر و بته، مقاله‌ای منتشر کردند مبنی بر اینکه عناصر سنگین می‌توانند به واسطه فرایند «گیراندازی سریع نوترون» پس از مهبانگ تشکیل شوند. مقاله آن سه به «مقاله آلفا. بتا. گاما» معروف شد که سرنام آن سه بود. هرچند مقاله آنها با ایراداتی همراه بود، اما کار آنها یکی از پایه‌های تثبیت نظریه مهبانگ شد و نیز توضیح منشأ عناصر سبک همچون هیدروژن، هلیوم و لیتیوم که در مهبانگ تولید شده بودند. فِرد هُیل هم به همراه سه دانشمند دیگر، به نام‌های ویلیام فاولر، فیزیک‌دان هسته‌ای، مارگارت باربیج و جفری باربیج سخت تلاش کردند تا نشان دهند منشأ عناصر در ستارگان است.
3- در فصل سوم با عنوان «ستاره، ستاره، باز هم ستاره» ابتدا درباره چرخه مادّه در عالم توضیح می‌دهد و تعریفی از مفهوم فلز را نزد اخترفیزیک‌دانان مطرح می‌کند. فلز نزد اخترشناسان معنایی متفاوت دارد. آنها به عناصر سنگین‌تر از هلیوم، به‌طور تلویحی فلز می‌گویند و مفهومی به نام فلزیت را مطرح می‌کنند. در این فصل نخستین گام‌های آشنایی خواننده کتاب با سنتز هسته‌ای عناصر در آشپزخانه کیهانی و تنوع ستارگان مبتنی بر انواع سنتزهای هسته‌ای درون‌شان برداشته می‌شود. چرخه مادّه چند صد‌میلیون سال بعد از تشکیل ستارگان اولیه شروع شده است. اجرام پُر-جرم نظیر ستارگان از ادغام ابرهای گازی غول‌پیکر و رُمبش آنها، متأثر از وزن‌شان و نیز چگال و چگال‌ترشدن‌شان، شکل گرفته‌اند. در آن بازه زمانی عالم کماکان مشتمل بر دو عنصر هیدروژن با 75 درصد و هلیوم با 25 درصد بود. همچنین ردی از لیتیوم هم پیدا می‌شد.
به زبان ساده، ستارگان از گاز میان‌ستاره‌ای تشکیل می‌شوند و طی تحول‌شان عناصر جدید را می‌سازند. سپس به‌واسطه انفجارهای ابرنواختری یا بادهای ستاره‌ای، مواد مجددا به فضای میان‌ستاره‌ای بازگردانده شده و محیط را از عناصر جدید و سنگین‌تر غنی می‌کنند. ستارگان نسل بعد هم از این محیط میان‌ستاره‌ای غنی‌شده شکل می‌گیرند و به‌این‌ترتیب ستارگان هر نسل از ستارگان نسل پیشینِ خود دارای تحول شیمیایی پیچیده‌تری خواهند بود.
4- فصل چهارم با تعداد قابل‌توجهی عکس و جدول و نمودار از آن فصل‌هایی است که کنجکاوی بسیاری برمی‌انگیزد: «تحول ستارگان – از تولد تا مرگ». فریبل ابتدا طبقه‌بندی نوین ستارگان را نشان می‌دهد، سپس مفید و مختصر و گویا فرایند ابر اولیه و تشکیل پیش‌ستاره را توضیح داده و وارد داستان مهیج تحول ستارگانِ کم–جرم و پُر–جرم می‌شود. قدم بعدی معرفی ابرنواخترانِ حاصل از انفجار ستارگان پُر–جرم است و موضوعات مربوط به باقی‌مانده آنها. همین‌جاست که فربیل نخستین اندیشه‌ها درباره کار با ستارگانِ با فلز اندک یا همان فلزیت کم را مطرح می‌کند و خواننده کتابش را به دنیای ستارگانی متفاوت‌ از ستارگان امروزی نظیر خورشید می‌برد. در این فصل خواننده با دانشی که از سه فصل قبل کسب کرده، به‌خوبی رده‌بندی ستارگان و طبقه‌بندی آنها در نمودار «ایچ - آر» را یاد می‌گیرد. کوتوله‌های سفید، ستارگان رشته اصلی، غول‌های قرمز و اَبَرغول‌ها. نمودار «ایچ- آر» در ابتدا از سوی دو اخترشناس آمریکایی و دانمارکی، به نام‌های هنری نوریس راسل و آینار هرتسپرونگ ابداع شد که ستارگان را در نموداری با دو محور درخشندگی-دما طبقه‌بندی می‌کرد. ستارگان با دماهای سطحی دو یا سه‌هزار درجه شروع شده تا 40‌هزار تا 50‌هزار درجه کلوین ادامه دارد. قابل توجه اینکه دمای سطح خورشید پنج هزارو 700 درجه کلوین است. جانِ کلام این فصل نشان‌دادن روند تحولی ستارگان کم‌جرم، ستارگان میا‌ن‌جرم و ستارگان پرجرم است؛ از مرحله پیش‌ستاره‌ای تا مرحله پایان زندگی. اینکه از چه زمانی به بعد واکنش‌های هسته‌ای درون ستارگان شروع می‌شود و شرایط لازم برای شروع واکنش‌ها چیست؟ فریبل به تفصیل دو دسته واکنش کلی موسوم به «واکنش زنجیری پروتون-پروتون» در ستارگانی نظیر خورشید و «چرخه کربن–نیتروژن-اکسیژن» در ستارگان پرجرم را شرح می‌دهد و خواننده را با دنیای پرهیجان مراحل پایانی زندگی ستارگان پرجرم که در رده ابرنواختران نوع دوم قرار می‌گیرند، آشنا می‌کند. لایه‌های هیدروژن، هلیوم، کربن، اکسیژن، سیلیکون و آهن. پایان راه هم انفجاری باشکوه است و آنچه به‌جا می‌ماند یا ستارگان نوترونی است یا سیاه‌چاله حتی!
5- فصل پنجم هرچند عنوانی نامأنوس برای خوانندگان مبتدی در نجوم دارد، اما در واقع آنچنان از اسرار ستارگان با زبان ساده رازگشایی می‌کند که بدون شک شیرینی آن برای علاقه‎‌مندان پیگیر نجوم همیشگی است. علاوه بر این، در کمتر کتاب نجومی نوشته‌شده برای عموم می‌توان این مطالب را با این سادگی و توضیحات تفصیلی یافت. عنوان این فصل «فرایندهای گیراندازی نوترون و سنگین‌ترین عناصر» است، اما در حقیقت یکی از زیباترین و شورانگیزترین شاخه‌های پژوهشی نجوم امروز را معرفی می‌کند: اخترفیزیک هسته‌ای. جان کلام این فصل معرفی فرایندهای هسته‌ای است که منجر به تشکیل انواع عناصر می‌شود. از هلیوم گرفته تا کربن و نیتروژن و اکسیژن و عناصر سنگینی همچون اورانیوم و توریوم. فریبل کوشیده است تا در سایه اخترفیزیک هسته‌ای نشان دهد چگونه فیزیک هسته‌ای به اخترفیزیک گره خورده تا رازهای سر‌به‌مهر سنتز عناصر سنگین‌تر از آهن را تا اورانیوم کشف کند. فریبل به زبانی شیوا سه فرایند مهم هسته‌ای را که ستون محور اخترفیزیک هسته‌ای قلمداد می‌شود، توضیح می‌دهد:
فرایند- R (فرایند گیراندازی نوترون سریع): در این فرایند تولید عناصر تا اورانیوم 238 صورت می‌گیرد. یکی از شاخص‌ترین جاهایی که می‌توان این فرایند را مشاهده کرد، هسته ابرنواخترهای نوع دوم است.
فرایند- S (فرایند گیراندازی نوترون‌های کند): در این فرایند تولید عناصر تا سرب ادامه داشته و محل آشکارسازی آن ستارگان موسوم به AGB است.
فرایند- P (فرایند گیراندازی پروتون): در فرایندهای اخترفیزیکی به‌واسطه عناصر غنی از پروتون مشاهده می‌شود.
6- «به کهکشان راه شیری خوش آمدید» عنوان فصل ششم است. راه شیری کجاست و به کجا می‌گوییم کهکشان راه شیری؟ ساختار این کهکشان چگونه است و داستان شکل‌گیری آن چیست؟ این فصل داستان خانه سامانه خورشیدی، یعنی کهکشان راه شیری است و همچون فصول پیشین نگاه فریبل از دریچه منشأ عناصر و ردپای ترکیب شیمیایی کهکشان دیده می‌شود. او ابتدا ساختار و تحول کهکشان راه شیری را شرح می‌دهد و سپس بحثی جذاب را درباره خوشه‌های ستاره‌ای، خاستگاه‌شان و نیز تأثیر آنها بر تحول شیمیایی کهکشان را در خلال تحول خودشان را با نمودارهای متعدد نشان می‌دهد.
7- فصل هفتم با عنوان «قصه‌گویی با نور» بار دیگر جایگاه تجزیه و تحلیل نور دریافتی را این‌بار از منظری مدرن روایت می‌کند و ذهن خواننده کتاب را با ظرافت هرچه تمام با فضای نجوم رصدی آشنا می‌کند. فریبل به تفصیل از اهمیت طیف‌سنجی در رازگشایی از نور ستاره نوشته است و تحلیل فراوانی عناصرِ ستارگان را در نظر خوانندگان پررنگ کرده است. سپس کار با تلسکوپ‌های غول‌پیکر را در روند تحقیقاتی‌اش توضیح داده است.
8- فصل هشتم کتاب کاملا رنگ‌وبوی رصدی دارد. عنوان آن «پیش به سوی رصد چند ستاره» است؛ اما در واقع روایت یک تحقیق علمی تمام‌عیار است. اینکه رصد ستارگان با تلسکوپ‌های امروزی چگونه است و نقش کامپیوترها در‌این‌میان چیست؟ این فصل یک نکته جالب دارد. اینکه چگونه در نجوم امروزی نظریه‌پردازان و رصدگران با هم کار می‌کنند و اینکه الزامات نجوم رصدی مدرن کدام است. نجوم رصدی امروز عمیقا متکی بر ابزارهای سخت‌افزاری مدرن، از تلسکوپ گرفته تا ابرکامپیوترهای محاسبه‌گر است و از سوی دیگر به‌شدت متکی بر نرم‌افزارهای ویژه و برنامه‌های تخصصی.
9- فصل نهم کتاب هم از آن فصل‌هایی است که در کمتر کتاب نجومی به‌ویژه کتب عامه‌پسند به آن پرداخته شده است. عنوان این فصل «تحول شیمیایی عالم اولیه» است. فریبل پیش از هر چیز مفهوم درست تحول شیمیایی عالم را شرح داده و نشان می‌دهد که تحول شیمیایی عالم اولیه در ارتباط مستقیم با ستارگان اولیه در کیهان است که خانواده‌ای از ستارگان با غنای بسیار ناچیز فلز هستند. دقت کنید که فلز در اینجا همان تعریفی را دارد که اخترشناسان از آن استفاده می‌کنند، عناصر با عدد جرمی بیش از چهار. این فصل اطلاعات بسیار دست‌اولی از ستارگان اولیه و ستارگان با فقر آهن بالا ارائه می‌کند. موضوعی که از عمر آن در دنیای کیهان‌شناسی هم خیلی نمی‌گذرد و از موضوعات پژوهشی داغ است.
10- فصل دهم این کتاب داستانی پر‌التهاب از یک دهه کار فریبل است با عنوان «در جست‌وجوی کهن‌ترین ستارگان». او در این فصل چگونگی در پی ستارگان با فلزیت بسیار پایین را روایت می‌کند؛ از موفقیت‌ها، راهبردها، شکست‌ها و در نهایت شکستن رکورد در یافتن فقیرترین ستاره از لحاظ فلز‌بودن.
11- فصل پایانی کتاب آنا فریبل «پایان سفر کیهانی» است. در این فصل نویسنده کتاب بعد از سفری به درون ستارگان و ابتدای عالم و یافتن ستارگان اولیه، تحقیقات پیش‌روی آینده را نقل می‌کند؛ از شبیه‌سازی‌های کیهانی با ابرکامپیوترهای نسل جدید می‌نویسد و منشأ ستارگان با فلز‌بودن بسیار پایین و سؤالات پیش‌پای اخترشناسان. او کتاب را با انتظارات از اکتشافات نجومی آینده با بهره‌گیری از نسل بعدی تلسکوپ‌های نسل بعدی به پایان می‌برد.
پی‌نوشت:
* آنا فریبل، تحصیلات خود را در آلمان شروع کرده و بعد از اتمام کارشناسی فیزیک در آلمان، دکترای کیهان‌شناسی خود را با موضوع ستارگان اولیه از دانشگاه ملی استرالیا دریافت کرد. سپس برای دوره فوق‌دکترا به دانشگاه تگزاس در آستن پیوست که به واسطه حضور کیهان‌شناسان سرشناسی مانند وُکر برام در زمینه تحقیقات روی ستارگان اولیه پیشتاز است. او درحال‌حاضر استاد دانشگاه ‌ام‌‌آی‌تی است و تاکنون بیش از 170 مقاله منتشر کرده است.