ترکیب ستارگان: ستارگان از چه موادی تشکیل شده‌اند؟

آگوست کنت فیلسوف در 1835 نوشت: «هیچ راهی وجود ندارد که روزی با استفاده از آن بتوانیم به ترکیب شیمیایی ستارگان پی ببریم.» اما در زمان مرگ او در 1857 اخترفیزیکدانان روش خوبی را برای یافتن ترکیب ستارگان پیدا کرده بودند. در واقع ابزاری که بکار بردند، طیف نگاری (بیناب نگاری) بود. این روش در 1835 ابداع شده بود.

تفسیر ویژگی‌های طیف نور خورشید ما را قادر می‌سازد عناصر موجود در ستارگان را تعیین کنیم. در این مقاله شما می‌توانید با چگونگی کاربرد این روش که در نهایت به تولد یک دانش جدید به نام اخترفیزیک منجر شد، آشنا شوید.

در 1802 ویلیام هاید ولاستون (William Hyde Wollaston)، دانشمند بریتانیایی طیف نور خورشید را بررسی کرد. او نور خورشید را از یک شکاف عبور داد تا یک باریکه نور حاصل شود و سپس آن را از منشور شیشه‌ای گذراند تا باریکه نور، طیف نور خورشید را پدید آورد. او متوجه شد رنگ‌ها با نوارهای سیاه از هم جدا شده‌اند. دو نوار در بخش قرمز طیف، سه تا در سبز و دو تا در منطقه آبی – بنفش.

این کشف باعث جلب توجه جوزف فون فرانهوفر (Joseph von Fraunhofer) آلمانی شد. او در دهه دوم قرن نوزدهم توانست طیفی با جزئیات بسیار بیشتر تهیه کند. در نهایت او 574 خط جدا از هم را تعیین کرد. امروزه تمام خط‌های موجود در طیف نور خورشید، با نام خط‌های فرانهوفر معروف هستند. تعداد 150 خط اصلی در همان دهه مرگ کنت پیدا شدند.

با کارهای رابرت بونزن (Robert Bunsen) و گوستاو کرشهف (Gustav Kirchhoff) در آلمان، این پژوهش شروع شد. همه افرادی که در مدرسه شیمی خوانده‌اند، بواسطه چراغ بونزن، با نام بونزن آشنا شده‌اند. در ابتدای دهه 1850 شهر هایدلبرگ دارای لوله‌کشی گاز شد. این سیستم لوله‌کشی، گاز قابل اشتعال حاصل از زغال سنگ را به خانه‌ها و محل کار و آزمایشگاه‌های علمی دانشگاه توزیع می‌کرد. این موضوع بونزن را تشویق کرد چراغ گازی ابداع کند که ما امروزه با نام چراغ بونزن می‌شناسیم. این چراغ اکسیژن و گاز قابل اشتعال را به روشی کنترل شده با هم ترکیب می‌کند. این چراغ ابزاری مناسب برای شناسایی مواد مختلف با انجام آزمایش شعله است. در این آزمایش، مواد مختلف در شعله، رنگ خاصی پیدا می‌کنند.

همه چیز با جزئیات

در ابتدا بونزن از صافی برای انجام این آزمایش استفاده می‌کرد اما کرشهف دریافت این آزمایش را با دقت بیشتری نیز می‌توان انجام داد. آنها با هم دستگاهی را ساختند که متشکل از شکاف باریک برای عبور نور از آن، یک موازی‌ساز (Collimator) برای باریک کردن پرتو نور و یک منشور برای جداسازی طول موج ‌های مختلف نور و تشکیل طرح رنگین کمان بود. در آخر هم یک چشمی مانند آنچه در میکروسکوپ وجود دارد، این امکان را فراهم می‌سازد که بتوان طیف را مشاهده کرد. این اولین بار بود که با ترکیب این قطعات، یک طیف‌نگار ساخته شد.

بونزن و کرشهف می‌دانستند که وقتی مواد مختلف روی شعله یک چراغ قرار گیرند، رنگ‌های متفاوتی تولید می‌کنند. مثلاً سدیم، شعله زرد رنگ تولید می‌کند، در حالی که مس شعله سبز – آبی دارد. وقتی آنها با طیف‌نگاری نور حاصل از این شعله‌ها دریافتند هر عنصری، خط درخشانی در طول موج خاصی ایجاد می‌کند. این خط درخشان برای سدیم در بخش زرد و برای مس در بخش سبز و آبی طیف رخ می‌دهند. یک روز آنها از آزمایشگاه خود در هایدلبرگ توانستند نور حاصل از آتش بزرگی در مانهایم (در فاصله 16 کیلومتری) را تجزیه و خط‌های تولید شده توسط استرانسیم و باریم را در شعله مشخص کنند.

چند روز بعد، بونزن و کرشهف به قصد استراحت، کارهای آزمایشگاهی را رها کردند و در حالی که در امتداد رودخانه نکار که از میان هایدلبرگ می‌گذرد، قدم می‌زدند به بحث در مورد آنچه در آتش دیده بودند، پرداختند. گفته می‌شود بونزن به کرشهف گفت اگر ما می‌توانستیم ماهیت مواد موجود در آتش مانهایم را تعیین کنیم، باید بتوانیم مشابه اینکار را با خورشید نیز انجام دهیم.

آنها به طیف خورشید توجه کردند و دریافتند وقتی عنصرهای مختلف را در آزمایشگاه حرارت می‌دهند، خط‌های روشنی تولید می‌کنند. این خط‌های روشن در همان بخش طیف (و دقیقاً در همان طول موج) قرار داشت که خط‌های تاریکی که فرانهوفر پیدا کرده بودند، قرار داشتند. یعنی این عنصرها در لایه بیرونی خورشید وجود دارند. آنها نتیجه گرفتند که با عبور نور بخش درونی و داغ خورشید از این منطقه، این عنصرها به جای آنکه خط‌های روشن را به آن اضافه کنند، این طول موج‌های خاص نور را از طیف محو می‌کنند.

در آن زمان هیچکس بطور دقیق نمی‌دانست که خط‌ها چگونه ایجاد می‌شوند. اما دانشمندان در دهه 1860 حتی بدون درک دقیق آنچه که رخ می‌دهد، دریافتند خورشید و ستارگان دیگر از چه عنصرهایی ساخته شده‌اند.

اکتشاف‌های ستاره‌ای

در آخرین دهه‌های قرن نوزدهم، اخترشناسان توانستند بسیاری از عنصرهایی را که در زمین وجود داشتند، در طیف خورشید شناسایی کنند. همین کار را با جزئیات کمتر در مورد ستاره‌ها نیز انجام دادند. فرض طبیعی این است که آنها از همان عنصرهای تشکیل دهنده خورشید ساخته شده‌اند، همانطور که خورشید نیز از عنصرهای زمین ساخته شده است. اما این تصور چندان هم درست نیست. ستاره‌ها بسیار ساده‌تر هستند. اکنون می‌دانیم که ستارگان (از جمله خورشید) بیشتر از هیدروژن و هلیم و مقدار کمی از عنصرهای دیگر ساخته شده‌اند. اما در ابتدای دهه 1860 کسی هلیم را نمی‌شناخت. کشف این عنصر، بیانگر آغاز عصر طیف نگاری خورشید و ستاره‌ها است.

پیشگام چنین کشفی، اخترشناس بریتانیایی نورمن لاک‌یر (Norman Lockyer) بود. بزرگترین موفقیت او زمانی بدست آمد که او با استفاده از ابزارهای جدید در 20 اکتبر 1866 نور لایه های خارجی خورشید را بررسی می‌کرد. این مشاهده‌ها به دنبال مطالعه طیف نگاری لایه‌های خارجی خورشید طی خورشید گرفتگی آگوست همان سال انجام شد. این رصدها را اخترشناسی فرانسوی به نام پیر جنسن انجام داد. ماه با پوشاندن نور درخشانی که از سطح خورشید گسیل می‌شود، این امکان را فراهم ساخت تا او بتواند خط‌های طیف موادی را که تنها از بالای سطح خورشید می‌آیند، آشکار سازد. او متوجه شد که خط‌های روشن در طیف این لایه جو خورشید (که رنگین سپهر) نام دارد، شامل رنگ زرد روشن نزدیک به خط‌های سدیم است. طول موج این خط را بعدها اندازه گرفتند که 584.49 بود.

لاک‌یر در 20 اکتبر همان سال، بدون اطلاع از کار جنسن، خط زرد مشابهی را در جو خورشید پیدا کرد. کشفیات جنسن و لاک‌یر 26 اکتبر 1868 در آکادمی فرانسوی علوم ارائه شد. اما این لاک‌یر بود که گامی به جلو برداشت و ادعا کرد که این خط باید مترادف با عنصر ناشناس پیشین باشد. همان عنصری که نامش از نام یونانی خورشید یعنی هلیوس گرفته شده و هلیم نامیده شده است.

این ادعایی جدل برانگیز بود. اما در 1985 ویلیام رمسی فیزیکدان دریافت که گاز ناشناخته پیشین که توسط اورانیوم آزاد می‌شد، خطی زرد و درخشان نزدیک به خط‌های سدیم در طیف تولید می‌کند. او در آغاز این گاز را کریپتون نامید اما وقتی همکارش ویلیام کروکس اشاره کرد که این خط درست در همان مکانی در طیف خورشید قرار دارد که لاک‌یر پیدا کرده بود، جنسن اظهار کرد که این خط مربوط به همان عنصر هلیم است. در حقیقت طیف نمایی، کشف هلیم را 27 سال جلوتر پیش بینی کرده بود.

پاین پیشتاز

گام بعدی را سیلیا پاین برداشت. پاین در 1900 متولد شد و در 1919 بورس تحصیلی کالج دخترانه نیونهام در کمبریج را دریافت کرد. او گیاه شناسی، فیزیک و شیمی خواند، اما نتوانست مدرکی دریافت کند. (کمبریج تا 1948 به زنان مدرک تحصیلی نمی‌داد.) در 1923 به آمریکا مهاجرت کرد. دو سال بعد او نظریه‌ای درخشان ارائه کرد که نشانه نبوغ او بود. او گفت خورشید بیشتر از هیدروژن ساخته شده است. البته با دانش آن روزها، این نظریه کاملاً پذیرفته نشد تا اینکه دو اخترشناس مرد نیز به همین نتیجه رسیدند.

فیزیکدان‌ها در دهه 1920 می‌دانستند (البته غیر از بونزن و کرشهف) که اتم‌ها از یک هسته کوچک مرکزی و یک یا چند الکترون در فاصله دور از آن تشکیل شده است. خط‌های سیاه در طیف وقتی تولید می‌شوند که یک الکترون طول موج خاصی از نور را جذب می‌کند و به سطح انرژی بالاتری در اتم می‌رود. خط‌های روشن مربوط به زمانی هستند که یک الکترون از یک سطح انرژی به سطح پایین‌تر می‌آید و پرتو نور گسیل می‌کند که امروزه می‌دانیم از فوتون نور تشکیل شده است.

پاین با اندازه گیری خط‌های جذبی در طیف ستاره‌ها نشان داد دمای یک ستاره و فشار در جو آن چگونه بر یونش اتم‌ها در آن اثر می‌گذارد. یونش هنگامی رخ می‌دهد که یک اتم یا مولکول بار الکتریکی بدست بیاورد یا از دست دهد. طیف ستاره‌های مختلف با هم متفاوت است، نه به این دلیل که مقدار یونش در جو آنها مختلف است. پاین صدها خط فرانهوفر موجود در طیف ستاره‌ها را آشکار کرد و نسبت عنصرهای مختلف در مراحل مختلف یونش را برای مشاهدات انجام شده بدست آورد.

او نسبت 18 عنصر موجود در خورشید و ستارگان را محاسبه کرد و از اینجا کشف کرد که ترکیب تمام آنها تقریباً یکسان است. هر چند که شگفتی بزرگ این بود که خورشید و ستارگان تماماً از هیدروژن و هلیم ساخته شده‌اند. سایر چیزها روی هم دو درصد ترکیب را نه تنها در ستاره نزدیک ما بلکه در تمام ستارگان تشکیل می‌دهند. بیشترین ماده در کیهان به شکل دو تا از سبک‌ترین عنصرها یعنی هیدروژن و هلیم بود.

این موضوع در 1925 تقریباً غیرقابل باور بود، اما پاین معتقد بود که نتایجش درست است. هارلو شارپلی وقتی سرپرست او پیش نویس نظریه او را برای هنری نوریس راسل در پرینستون فرستاد تا نظر او را بداند، راسل اینگونه جواب داد: «بطور واضح، غیرممکن است.» با نظر شارپلی، او جمله‌ای را با این مضمون که «فراوانی بسیار زیاد بدست آمده برای این عنصرها (هیدروژن و هلیم) در جو ستارگان، بطور قریب به یقین واقعی نیست.» به نظریه‌اش اضافه کرد. با این حال وقتی نظریه‌اش پذیرفته شد و او دکترایش را گرفت، کتابی به نام جو ستارگان نوشت.

دومین پندار

این کتاب اخترفیزیکدان‌ها را مطمئن ساخت که نتایج گرفته شده قریب به یقین واقعی هستند. این تغییر عقیده با حمایت‌های مستقل اخترفیزیکدان‌های همکار او از نتایج پاین در 1928 حاصل شد. آلبرشت آنسولد اخترشناس آلمانی تحلیل طیف نمایی نور خورشید را با جزئیات انجام داد. او با محاسبات سرانگشتی قدرت خط‌های هیدروژن دریافت به ازای هر میلیون اتم هیدروژن، یک اتم از مواد دیگر وجود دارد.

سال بعد ویلیام مک کرا اخترشناس ایرلندی این نتایج را با بکار بردن روش طیف نمایی متفاوتی بدست آورد.

بیشتر بدانیم…

تا پایان دهه 1920 هر چند هنوز جزئیات زیادی نامعلوم باقی مانده بود، اخترشناسان دریافتند برخلاف آنچه که کنت گمان کرده بود دانستنش محال است، ستارگان عمدتاً از هیدروژن و هلیم ساخته شده‌اند و مقدار بسیار کمی از عنصرهای دیگر نیز در آنها وجود دارد که با استفاده از روش طیف سنجی می‌توان مقدار آنها را اندازه گیری کرد.

منابع

• جان گریبین (نویسنده علمی و استاد مهمان در اخترشناسی در دانشگاه اسکس). ترجمه محمدرضا سیدیان. مجله دانشمند.