اندازه‌گیری جرم یک کوتوله سفید به کمک نسبیت عام

* اندازه‌گیری جرم ستارگان کار آسانی نیست- نمی‌توانیم آنها را در ترازو بگذاریم و دقیق اندازه بگیریم. ولی اخترشناسان به لطف یکی از پیش‌بینی‌های کلیدی اینشتین در نظریه‌ی نسبیت عام توانسته‌اند برای نخستین بار، به طور مستقیم جرم یک کوتوله‌ی سفید را اندازه بگیرند.

هابل خمیدگی نور یک ستاره توسط گرانش یک ستاره‌‌ی نزدیک‌تر را اندازه گرفت. تصویر بزرگ‌تر

بر پایه‌ی پیش‌بینی اینشتین که به نام "همگرایی گرانشی" شناخته می‌شود، خمیدگی فضا نزدیک یک جرم سنگین، مانند یک ستاره یا یک سیاهچاله، باعث می‌شود نور اجرام دیگر با گذشتن از کنار آن، به جای مسیر راست، مسیری خمیده را بپیمایند. ولی او در پژوهشنامه‌ای که در سال ۱۹۳۶ منتشر شد، دیدن مستقیمِ چنین پدیده‌ای را ناممکن دانست، زیرا تلسکوپ‌ها توان دیدن این سطح از جزییات را نخواهند داشت.

ولی به نظر می‌رسد وی توانایی نسل‌های بعدی تلسکوپ‌ها را دست کم گرفته بود، مانند همین رصد تازه که به کمک تلسکوپ فضایی هابل انجام شده.

کایلاش ساهو از بنیاد علمی تلسکوپ فضایی در بالتیمور مریلند به همراه همکارانش، برای اندازه‌گیری جرم کوتوله‌ی سفید "استاین ۲۰۵۱ بی"، خمش نور توسط آن را اندازه گرفتند. این ستاره ۱۸ سال نوری از زمین فاصله دارد. به هنگام گذر این ستاره از برابر ستاره‌ی پس‌زمینه، نور ستاره‌ی دورتر در اثر گرانش استاین ۲۰۵۱ بی به اندازه‌ی ۲ هزارم ثانیه‌ی قوس جابجا شد. این خمیدگی به اندازه‌ای کوچک است که دیدن آن مانند دیدن راه رفتن مورچه‌ای روی سطح یک سکه‌ی ۲۵ سنتی در فاصله‌ی ۲۴۰۰ کیلومتری است.

ساهو می‌گوید: «جرم ستاره اساسا همه چیز را درباره‌ی آن آشکار می‌کند.» دانستن جرم یک ستاره می‌تواند به اخترفیزیکدانان در اندازه‌گیری سن ستاره و پی بردن به سرنوشت پایانی آن کمک کند.

خمش نور پس‌زمینه

دانشمندان پی بردند که استاین ۲۰۵۱ بی حدود ۶۸ درصد جرم خورشید را دارد. این چندان دورتر از برآوردهای پیشین نست، ولی برآورد تازه به این دلیل اهمیت دارد که برخلاف سنجش‌های گذشته، بر پایه‌ی پنداشت‌ها از همنهش (ترکیب) ستاره یا مدار آن پیرامون ستارگان دیگر انجام نشده. برای نمونه، در برآوردهای آغازین از جرم این کوتوله‌ی سفید فرض شده بود که دارای هسته‌ای آهنی است، ولی این سنجش سرراستِ تازه نشان می‌دهد که این فرض نادرست بوده.

مارتین بارستو از دانشگاه لستر بریتانیا، که در این پژوهش شرکت نداشت، از یافته‌های آن به هیجان آمده. وی می‌گوید: «اندازه‌گیری جرم کوتوله‌های سفید بدون به کار بردن هیچ مدلی به راستی دشوار و چالش‌برانگیز است.»

ساهو و همکارانش به مدت دو سال، گذشتن این کوتوله‌ی سفید از برابر یک ستاره‌ی دیگر رصد کردند. آنها توانستند با سنجش تغییر مسیر نور ستاره‌ی پشتی به هنگام گذر کوتوله‌ی سفید، جرم کوتوله را اندازه بگیرند- هر چه جرم ستاره بیشتر باشد، [گرانش نیرومندتر و] خمش نور ستاره‌ی پشتی بیشتر می‌شود.

این گروه اکنون در تلاشند جرم پروکسیما قنطورس را هم اندازه بگیرند، یک کوتوله‌ی سرخ که تنها ۴.۲۵ سال نوری از زمین فاصله دارد.

جابجایی کوتوله‌ی سفید در آسمان در مدت ۲ سال. این یک تصویر پویا (gif) است. برای کامل شدن آن شکیبا باشید

ستارگان تنها

به گفته‌ی بارتو، همگرایی گرانشی راهی سودمند و کاربردی برای سنجش مستقلانه‌ی جرم یک ستاره است، ولی یافتن ستارگانی که با همترازی مناسب برای سنجش، از برابر ستاره‌ای دیگر می‌گذرند سخت است. ساهو و همکارانش بیش از ۵۰۰۰ ستاره را بررسی کردند تا سرانجام به مورد مناسبِ استاین ۲۰۵۱ بی رسیدند.

با این وجود، بارستو می‌گوید همگرایی گرانشی تنها راه برای اندازه‌گیری دقیق جرم ستارگانیست که جفت نیستند. [ولی] در سامانه‌های دوتایی که در آنها، دو ستاره با هم به گرد یک مرکز جرم مشترک می‌چرخند، اخترشناسان می‌توانند جرم آنها را با بررسی مدارشان نیز برآورد کنند.

ساهو می‌گوید اندازه‌گیری جرم استاین ۲۰۵۱ بی شاید ۷.۵ درصد خطا داشته باشد که آن هم به دلیل نبودِ وضوح کافی است، ولی باز هم بهترین برآورد ما از جرم یک کوتوله‌ی سفید است. به گفته‌ی وی، تلسکوپ‌های آینده، مانند تلسکوپ جیمز وب ناسا می‌توانند به اخترشناسان در اندازه‌گیری‌هایی از این هم دقیق‌تر کمک کنند.

گزارش این پژوهش در نشریه‌ی ساینس منتشر شده است.

--------------------------------------------

تلگرام یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

واژه نامه:

star - Einstein - general relativity - white dwarf - gravitational lensing - black hole - Hubble Space Telescope - Kailash Sahu - Space Telescope Science Institute - Baltimore - Maryland - deflection - Earth - Stein 2015 B - sun - iron - core - Martin Barstow - University of Leicester - UK - Proxima Centauri - red dwarf - Singular star - binary system - common centre - NASA - James Webb Space Telescope - Science

منبع: newscientist

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان