اندازه‌گیری جرم یک ستاره به کمک گرانش برای نخستین بار در تاریخ علم

وقتی در حدود ۱۰۰ سال پیش، آلبرت اینشتین روی نظریه مشهور نسبیت عام کار می‌کرد، هیچ‌گاه فکر نمی‌کرد که روزی بشر بتواند یکی از پیش‌بینی‌های این نظریه را به‌طور مستقیم مشاهده کند. با توجه به پیش‌بینی‌های صورت گرفته در این نظریه، نور یک ستاره دوردست توسط گرانش یک جرم دیگر که در مسیر آن ستاره قرار گرفته است، خمیده و بزرگنمایی می‌شود. البته در آن زمان تجهیزات دانشمندان به‌اندازه‌ی امروز پیشرفته نبودند و اینشتین نیز هیچ‌گاه فکر نمی‌کرد که بتوان این پیش‌بینی را به‌طور مستقیم مشاهده کرد.

حال به نظر می‌رسد که ستاره‌شناسان، غیر ممکن را به ممکن تبدیل کرده‌اند و موفق شده‌اند پیش‌بینی آلبرت اینشتین را که در نظریه نسبیت عام آمده است، به‌طور مستقیم و آنی مشاهده و از آن برای حل معمای جرم ستاره کوتوله استفاده کنند. تا پیش از این، حل این معما تنها در حالت نظری و فرضی امکان‌پذیر بود؛ اما اکنون دانشمندان می‌توانند به‌صورت کاملاً واقعی این مسئله را حل کنند. یافته‌های جدید دانشمندان می‌تواند مسیر جدیدی در جهت فهم چگونگی تکامل کهکشان‌ها به ما نشان دهند. تِری آزوالت، ستاره‌شناس در دانشگاه هوانوردی امبری ریدل و نویسنده‌ی یک مقاله مرتبط در مجله Science، در خصوص این دستاورد بزرگ می‌گوید:

پژوهش اخیر، ابزاری جدید در اختیار ما قرار می‌دهد و ما می‌توانیم به کمک آن، جرم آن دسته از اجرام آسمانی را تعیین کنیم که تعیین جرم آن‌ها به کمک روش‌های دیگر دشوار است.

یکی از پیش‌بینی‌های اصلی نظریه نسبیت عام اینشتین، پدیده عدسی گرانشی است. عدسی گرانشی وقتی ایجاد می‌شود که نور، به دور میدان گرانشی یک جرم دیگر مانند ستاره، خم می‌شود. در این پیش‌بینی آمده است که نور، دو برابر بیشتر از آنچه می‌توان توسط قوانین کلاسیک گرانش نیوتن محاسبه کرد، منحرف می‌شود. این خمیدگی نور که برای نخستین بار توسط اینشتین مطرح شد، ابتدا در سال ۱۹۱۹ مورد آزمایش قرار گرفت. در سال ۱۹۱۹ میلادی و به هنگام وقوع خورشید گرفتگی کامل، دانشمندان توانستند نور خوشه‌ی ستاره‌ای قلائص را که پشت خورشید قرار گرفته بود، در تاریکی ایجادشده مشاهده کنند. دانشمندان با اندازه‌گیری نور آن ستاره‌ها که از میان میدان گرانشی خورشید در طول خورشید گرفتگی عبور می‌کرد، دریافتند که تمام نتایج با آنچه اینشتین پیش‌بینی کرده بود هم‌خوانی دارند و بدین ترتیب بود که نخستین مدرک از نسبیت عام مشاهده شد.

مدتی بعد، اینشتین نظریه خود را گسترش داد و گفت نور ستاره‌ای که در فاصله‌ی بسیار دوری از ما قرار گرفته است، به هنگام خمیدگی در اطراف میدان گرانشی یک جرم دیگر که در مسیر نور آن ستاره قرار دارد، درخشان‌تر خواهد بود. فضای خمیده اطراف یک جرم عظیم همچون یک عدسی بزرگ خواهد بود و عمل بزرگنمایی را انجام می‌دهد. به‌عنوان مثال فرض کنید که یک ستاره، بین زمین و یک ستاره دیگر قرار گرفته است و هر سه در یک راستا هستند؛ در این صورت، به دلیل همگرایی گرانشی نور منبع توسط ستاره‌ای که وسط قرار گرفته است، یک پدیده به نامحلقه اینشتین ایجاد می‌شود که در واقع نور ستاره منبع است که به شکل حلقه درآمده است.

متأسفانه به دلیل این‌که ستاره‌ها فاصله‌ی بسیار زیادی از یکدیگر دارند، شانس مشاهده‌ی این پدیده بسیار پایین است یا حلقه‌ی اینشتین به شکل بسیار نازکی مشاهده می‌شود. در سال ۱۹۳۶ میلادی، آلبرت اینشتین در مقاله‌ای که در مجله Science منتشر شد، این‌چنین نوشت:

برای مشاهده‌ی مستقیم این پدیده هیچ شانسی وجود ندارد.

متأسفانه باز هم اینشتین اشتباه کرد؛ زیرا در طول ۸۰ سال اخیر، دانشمندان بارها توانسته‌اند این حلقه‌ها را در آسمان مشاهده کنند؛ اما هنوز هم نمی‌توان حلقه‌هایی کامل و واضح را در آسمان مشاهده کرد. حتی با وجود پیشرفت‌های چشمگیری که در طول چند دهه‌ی اخیر صورت گرفته است، دانشمندان تا به امروز نمی‌توانستند شواهدی از حلقه‌ی اینشتین نامتقارن مشاهده کنند. حلقه‌ی اینشتین نامتقارن وقتی ایجاد می‌شود که این دو جرم، در یک راستا نباشند و یکی از آن‌ها اندکی منحرف شود. اگر این اتفاق رخ دهد، یک توهم ایجاد می‌کند و ناظر احساس می‌کند موقعیت ستاره‌ای که در پس‌زمینه قرار گرفته، تغییر کرده است. در پیش‌بینی‌های صورت گرفته توسط اینشتین، این پدیده با نام همگرایی آسترومتریک شناخته می‌شود.

اکنون به لطف وضوح زاویه‌ای خارق‌العاده‌ی تلسکوپ فضایی هابل، پژوهشگران انجمن Space Telescope Science موفق شده‌اند پدیده‌ی حلقه اینشتین نامتقارن را برای نخستین بار به‌صورت مستقیم مشاهده کنند. تِری آزوالت در این خصوص می‌گوید:

حلقه و میزان روشنایی آن بسیار ناچیز هستند و اندازه‌گیری آن‌ها دشوار است؛ اما نامتقارن بودن آن باعث شده که ستاره‌ی دوردست، کمی خارج از مرکز موقعیت واقعی خود دیده شود و یک توهم ایجاد شده است.

کایلاش چاندرا شاهو، ستاره‌شناس فعال در انجمن US Space Telescope و همچنین نویسنده‌ی ارشد مقاله‌ای که در خصوص این کشف منتشر شده است، می‌گوید وی و افراد گروهش بیش از ۵۰۰۰ ستاره را بررسی کرده‌اند و در میان آن‌ها به جستجو پرداخته‌اند تا این‌که بالاخره موفق شده‌اند حلقه‌ی اینشتین نامتقارن را کشف کنند. آن‌ها پس از جستجوهای فراوان دریافتند که ستاره‌ی کوتوله سفید Stein 2051 Bبا ستاره‌ای که در فاصله دورتری قرار گرفته است، تراز نیست. با توجه به این‌که موقعیت ظاهری ستاره‌‌ی دوردست دچار تغییر شده است، ستاره‌شناسان این فرصت را یافته‌اند که جرم ستاره‌ی کوتوله سفید را اندازه‌گیری کنند. آن‌ها با توجه به اندازه‌گیری‌های صورت گرفته، برآورد کردند که جرم کوتوله سفید تقریباً ۶۸ درصد جرم خورشید است.

تا به این لحظه ستاره‌شناسان موفق به اندازه‌گیری جرم و ترکیب ستاره‌ی Stein 2051 B نشده بودند. دانشمندان برای بیش از یک قرن فکر می‌کردند که این کوتوله‌ی سفید (ششمین ستاره کوتوله‌ی سفید نزدیک به خورشید) ترکیبی غیر معمول، جرم اندک و هسته‌ای آهنی دارد؛ اما حالا با توجه به یافته‌های جدید، آن‌ها می‌دانند که ستاره‌ی Stein 2051 B در واقع یک کوتوله‌ی سفید میان‌سال است که جرم بالایی دارد و هسته‌‌ی آن از کربن-اکسیژن تشکیل شده است.

دانشمندان بر این باورند که دست‌ کم ۹۷ درصد از ستاره‌های کهکشان راه شیری، یا کوتوله سفید هستند یا این‌که به‌زودی به کوتوله سفید تبدیل می‌شوند. کوتوله‌های سفید، آخرین نقطه از تکامل یک ستاره هستند و چگونگی مرگ ستاره را نشان می‌دهند؛ همچنین آن‌ها می‌توانند داستان گذشته کیهان را برای ما بازگو کنند و آینده را به ما نشان دهند. تِری آزوالت در این خصوص می‌گوید:

کوتوله‌های سفید در واقع فسیل ستاره‌هایی هستند که روزگاری در کهکشان وجود داشته‌اند؛ بنابراین این ستاره‌ها می‌توانند تاریخ تکامل کهکشان‌ها را برای ما بازگو کنند.

با توجه به این‌که به‌زودی تلسکوپ‌های قدرتمندی نظیر تلسکوپ بزرگ پیمایشی سینوپتیکی (LSST) راه‌اندازی می‌شوند، ستاره‌شناسان می‌توانند پدیده‌های نادر مشابهی را به کمک همگرایی آسترومتریک کشف و مشاهده کنند.