ستارگان از چه موادی تشکیل شده اند؟

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 ویژگی های طیف نور خورشید ما را قادر می سازد عناصر موجود در ستارگان را تعیین کنیم. در این مقاله شما می توانید 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 شیشه ای گذراند تا باریکه نور، طیف نور خورشید را پدید آورد. او متوجه شد رنگ ها با نوارهای سیاه از هم جدا شده اند. 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 خط های موجود در طیف نور خورشید، با نام خط های 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 خوانده اند، بواسطه چراغ بونزن، با نام بونزن آشنا شده اند. در ابتدای دهه 1850 شهر هایدلبرگ دارای لوله کشی گاز شد. این سیستم لوله کشی، گاز قابل اشتعال حاصل از زغال سنگ را به خانه ها و محل کار و آزمایشگاه های علمی دانشگاه توزیع می کرد. این موضوع بونزن را تشویق کرد چراغ گازی ابداع کند که ما امروزه با نام چراغ بونزن می شناسیم. این چراغ اکسیژن و گاز قابل اشتعال را به روشی کنترل شده با هم ترکیب می کند. این چراغ ابزاری مناسب برای شناسایی مواد مختلف با انجام آزمایش شعله است. در این آزمایش، مواد مختلف در شعله، رنگ خاصی پیدا می کنند.

همه چیز با جزئیات

در ابتدا بونزن از صافی برای انجام این آزمایش استفاده می کرد اما کرشهف دریافت این آزمایش را با دقت بیشتری نیز می توان انجام داد. آنها با هم دستگاهی را ساختند که متشکل از شکاف باریک برای عبور نور از آن، یک موازی ساز (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 می سازد که بتوان طیف را مشاهده کرد. این اولین بار بود که با ترکیب این قطعات، یک طیف نگار ساخته شد. بونزن و کرشهف می دانستند که وقتی مواد مختلف روی شعله یک چراغ قرار گیرند، رنگ های متفاوتی تولید می کنند. مثلاً سدیم، شعله زرد رنگ تولید می کند، در حالی که مس شعله سبز – آبی دارد. وقتی آنها با طیف نگاری نور حاصل از این شعله ها دریافتند هر عنصری، خط درخشانی در طول موج خاصی ایجاد می کند. این خط درخشان برای سدیم در بخش زرد و برای مس در بخش سبز و آبی طیف رخ می دهند. یک روز آنها از آزمایشگاه خود در هایدلبرگ توانستند نور حاصل از آتش بزرگی در مانهایم (در فاصله 16 کیلومتری) را تجزیه و خط های 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 می گذرد، قدم می زدند به بحث در مورد آنچه در آتش دیده بودند، پرداختند. گفته می شود بونزن به کرشهف گفت اگر ما می توانستیم 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 می دهند، خط های روشنی تولید می کنند. این خط های روشن در همان بخش طیف (و دقیقاً در همان طول موج) قرار داشت که خط های 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 خط های روشن را به آن اضافه کنند، این طول موج های خاص نور را از طیف محو می کنند.

در آن زمان هیچکس بطور دقیق نمی دانست که خط ها چگونه ایجاد می شوند. اما دانشمندان در دهه 1860 حتی بدون درک دقیق آنچه که رخ می دهد، دریافتند خورشید و ستارگان دیگر از چه عنصرهایی ساخته شده اند.

اکتشاف های ستاره ای

در آخرین دهه های 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 ستاره ها نیز انجام دادند. فرض طبیعی این است که آنها از همان عنصرهای تشکیل دهنده خورشید ساخته شده اند، همانطور که خورشید نیز از عنصرهای زمین ساخته شده است. اما این تصور چندان هم درست نیست. ستاره ها بسیار ساده تر هستند. اکنون می دانیم که ستارگان (از جمله خورشید) بیشتر از هیدروژن و هلیم و مقدار کمی از عنصرهای دیگر ساخته شده اند. اما در ابتدای دهه 1860 کسی هلیم را نمی شناخت. کشف این عنصر، بیانگر آغاز عصر طیف نگاری خورشید و ستاره ها است.

پیشگام چنین کشفی، اخترشناس بریتانیایی نورمن لاک یر (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 می کرد. این مشاهده ها به دنبال مطالعه طیف نگاری لایه های 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 می شود، این امکان را فراهم ساخت تا او بتواند خط های طیف موادی را که تنها از بالای سطح خورشید می آیند، آشکار سازد. او متوجه شد که خط های روشن در طیف این لایه جو خورشید (که رنگین سپهر) نام دارد، شامل رنگ زرد روشن نزدیک به خط های سدیم است. طول موج این خط را بعدها اندازه گرفتند که 584.49 بود.

لاک یر در 20 اکتبر همان سال، بدون اطلاع از کار جنسن، خط زرد مشابهی را در جو خورشید پیدا کرد. کشفیات جنسن و لاک یر 26 اکتبر 1868 در آکادمی فرانسوی علوم ارائه شد. اما این لاک یر 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 می شد، خطی زرد و درخشان نزدیک به خط های سدیم در طیف تولید می کند. 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 لاک یر 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 نمی داد.) در 1923 به آمریکا مهاجرت کرد. دو سال بعد او نظریه ای 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.

فیزیکدان ها در دهه 1920 می دانستند (البته غیر از بونزن و کرشهف) که اتم ها از یک هسته کوچک مرکزی و یک یا چند الکترون در فاصله دور از آن تشکیل شده است. خط های سیاه در طیف وقتی تولید می شوند که یک الکترون طول موج خاصی از نور را جذب می کند و به سطح انرژی بالاتری در اتم می رود. خط های روشن مربوط به زمانی هستند که یک الکترون از یک سطح انرژی به سطح پایین تر می آید و پرتو نور گسیل می کند که امروزه می دانیم از فوتون نور تشکیل شده است.

پاین با اندازه گیری خط های جذبی در طیف ستاره ها نشان داد دمای یک ستاره و فشار در جو آن چگونه بر یونش اتم ها در آن اثر می گذارد. یونش هنگامی رخ می دهد که یک اتم یا مولکول بار الکتریکی بدست بیاورد یا از دست دهد. طیف ستاره های مختلف با هم متفاوت است، نه به این دلیل که مقدار یونش در جو آنها مختلف است. پاین صدها خط فرانهوفر موجود در طیف ستاره ها 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 شده اند. سایر چیزها روی هم دو درصد ترکیب را نه تنها در ستاره نزدیک ما بلکه در تمام ستارگان تشکیل می دهند. بیشترین ماده در کیهان به شکل دو تا از سبک ترین عنصرها یعنی هیدروژن و هلیم بود.

این موضوع در 1925 تقریباً غیر قابل 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، غیر ممکن است.» با نظر شارپلی، او جمله ای 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 نظریه اش اضافه کرد. با این حال وقتی نظریه اش پذیرفته شد و او دکترایش را گرفت، کتابی به نام جو ستارگان نوشت.

دومین پندار

این کتاب اخترفیزیکدان ها را مطمئن ساخت که نتایج گرفته شده قریب به یقین واقعی هستند. این تغییر عقیده با حمایت های مستقل اخترفیزیکدان های 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 خط های 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.

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 شده اند و مقدار بسیار کمی از عنصرهای دیگر نیز در آنها وجود دارد که با استفاده از روش طیف سنجی می توان مقدار آنها را اندازه گیری کرد.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «ستارگان از چه موادی تشکیل شده اند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا گزارش جان گریبین (نویسنده علمی و استاد مهمان در اخترشناسی در دانشگاه اسکس) ترجمه محمدرضا سیدیان در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.