نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین این بار در هسته‌ی ستارگان مرده تایید شد

کد خبر: ۱۲۸۶۹۸

تاریخ: ۳۱ مرداد ۱۳۹۹ - ۲۲:۰۷

دانشمندان با کاوش رازهای عجیب ستارگان کوتوله‌ی سفید در زمینه‌ی رابطه‌ی جرم و اندازه‌ی آن‌ها، به نتایجی رسیدند که تأیید دیگری بر نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین است.

ستاره‌شناسان مدت‌هاست که به لحاظ تئوری ارتباط بین جرم و شعاع کوتوله‌های سفید را می‌شناسند اما تا کنون نتوانسته بودند که این ارتباط را مشاهده کنند. این رابطه‌ی تئوری بیان می‌کند که برخلاف بیشتر اجرام آسمانی، با بیشتر شدن جرم کوتوله‌های سفید، اندازه‌ی آن‌ها کاهش می‌یابد.

همین چند ماه گذشته بود که نظریه‌ی نسبیت عام در یک پژوهش پیرامون سیاه‌چاله‌ها تأیید شد. حالا و در پژوهشی تازه، محققان از یک روش جدید که شامل داده‌های هزاران کوتوله‌ی سفید می‌شد استفاده کردند تا پدیده‌ی عجیب جرم-شعاع آن‌ها را مشاهده کنند و تأیید دیگری برای نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین فراهم نمایند.

رابطه‌ی جرم-شعاع کوتوله‌های سفید

هنگامی که سوخت ستارگانی مانند خورشید ما پایان می‌یابد، لایه‌های بیرونی خود را از دست می‌دهند و به هسته‌ی کوچک خود که به اندازه‌ی زمین است فرو می‌ریزند. این هسته به «کوتوله‌ی سفید» (White Dwarf) معروف است و گمان می‌شود که حالت نهایی تکامل یک جرم ستاره‌ای است.

پرجرم‌ترین ستاره‌ها چقدر از خورشید سنگین‌تر هستند؟

اما این بقایای ستاره‌ای رازی را نیز همراه خود دارند. زمانی که جرم کوتوله‌های سفید افزایش می‌یابد اندازه‌ی آن‌ها کم می‌شود. بنابراین کوتوله‌های سفید با جرمی همانند خورشید پایان می‌یابند اما در اندازه‌ای که برابر زمین است. کوتوله‌های سفید آن‌قدر کوچک و جمع می‌شوند که در نهایت به ستارگان نوترونی تبدیل می‌شوند که اجرام ستاره‌ای بسیار چگال هستند با شعاعی که معمولاً بیش از ۳۰ کیلومتر نمی‌شود.

نظریه‌ی رابطه‌ی عجیب جرم و شعاع کوتوله‌های سفید، در دهه‌ی ۱۹۳۰ میلادی (دهه‌ی ۱۰ خورشیدی) ارائه شد. تصور بر این است که این رابطه‌ی وارونه به دلیل حالت الکترون‌های این اجرام است. هرچه یک کوتوله‌ی سفید فشرده می‌شود، تعداد الکترون‌های آن افزایش می‌یابد. این مکانیزم، ترکیبی از مکانیک کوانتومی (یک تئوری پایه در فیزیک درباره‌ی حرکت و برهم‌کنش ذرات زیراتمی) و هم‌چنین نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین است که به بررسی گرانش می‌پردازد.

کوتوله‌ی سفید در سحابی سیاره‌ای NGC 2440
Credit: NASA/ESA/K. Noll (STScI)

«نادیا زاکامسا» (Nadia Zakamska) استادیار گروه فیزیک و نجوم دانشگاه جانز هاپکینز، که نظارت این پژوهش را بر عهده داشت، گفت: «رابطه‌ی جرم-شعاع یک ترکیب تماشایی از مکانیک کوانتومی و گرانش است اما چیزی خلاف انتظار ماست. از دید ما زمانی که جرم یک جسم افزایش می‌یابد، باید بزرگ‌تر شود.»

روش انجام پژوهش

در این مطالعه‌ی تازه، این تیم از دانشگاه جانز هاپکینز، روشی را برای مشاهده‌ی رابطه‌ی جرم-شعاع در کوتوله‌های سفید توسعه داده‌اند. پژوهشگران با استفاده از داده‌های گردآوری شده توسط پروژه‌ی «نقشه‌برداری آسمانی دیجیتال اسلون» (Sloan Digital Sky Survey) و تلسکوپ فضایی «گایا» (Gaia) به ۳۰۰۰ کوتوله‌ی سفید نگاه کرده‌اند.

این تیم اثر «انتقال به سرخ گرانشی» را که اثر گرانش بر روی نور ستاره محسوب می‌شود، اندازه گرفته‌اند. هنگام دور شدن نور از یک جسم، طول موج نوری که از آن می‌آید به دلیل گرانش کشیده‌تر شده و باعث سرخ‌تر دیده شدن آن می‌گردد. به عبارتی انرژی که نور باید برای فرار از گرانش صرف کند به صورت افزایش طول موج خود را نشان می‌دهد.

با نگاه به پدیده‌ی انتقال به سرخ گرانشی، پژوهشگران توانستند سرعت شعاعی کوتوله‌های سفیدی را که شعاع یکسانی دارند، اندازه بگیرند. سرعت شعاعی، بر اساس فاصله از خورشید محاسبه می‌شود که تعیین می‌کند یک ستاره به سمت خورشید می‌آید یا از آن دور می‌شود. با تعیین این سرعت شعاعی، دانشمندان موفق شدند تغییر جرم ستاره را نیز اندازه‌گیری کنند.

زاکامسا افزود: «تئوری این رابطه برای مدت‌های طولانی وجود داشته است اما آن‌چه قابل توجه است این است که ما داده‌هایی با شمار و دقت بی‌سابقه استفاده کردیم. این روش‌های اندازه‌گیری که در برخی موارد سال‌های پیش توسعه یافته بودند، ناگهان بسیار بهتر کار می‌کنند و نظریه‌های قدیمی سرانجام قابل بررسی و استفاده است.»

می‌توان گفت که روش مورد استفاده در این مطالعه، اساساً یک تئوری را به یک پدیده‌ی قابل مشاهده تبدیل کرده است. علاوه بر این برای مطالعه‌ی ستاره‌های بیش‌تر در آینده نیز قابل استفاده است و به ستاره‌شناسان کمک می‌کند تا ترکیب شیمیایی کوتوله‌های سفید را نیز تجزیه و تحلیل کنند.

سرپرست این مقاله که در ژورنال اخترفیزیکی (The Astrophysical Journal) منتشر شده، اشاره کرد: «از آن‌جا که ستاره با بیش‌تر شدن جرم، کوچک‌تر می‌شود اثر انتقال به سرخ گرانشی نیز با جرم زیاد می‌شود. و درک این موضوع آسان‌تر است که خروج نور از یک جرم زیاد فشرده‌شده، سخت‌تر از خروج نور از یک جرم کم با اندازه‌ی بزرگ‌تر خواهد بود. این دقیقاً همان کاری است که در داده‌ها مشاهده کرده‌ایم.»

عکس کاور: طرحی گرافیکی از کوتوله‌ی سفید

Credit: Miriam Nielsen

منبع: Space