ستارگان و سیارات

مراحل شکل‌گیری٬ شکل ظاهری و تعادل هیدرواستاتیکی

توصیه: قبل از خواندن هر بخش٬ به هر یک از سوالاتی که در ابتدای آن بخش مطرح می‌شود٬ به صورت جداگانه فکر کنید و سعی کنید خودتان به آن‌ها پاسخ دهید.

مراحل شکل‌گیری ستارگان

اجازه بدهید سوال نخست را بر مبنای پدیده‌ای آشنا ارائه دهم: اگر در اتاقی٬ در ِ یک ظرف حاوی نوعی گاز خاص را باز کنید؛ چه اتفاقی روی می‌دهد؟

پاسخ آن ساده است! گاز به طور همگن و مساوی٬ در تمام فضای اتاق پراکنده می‌شود!

حال بگذارید سطح سوال را کمی بالاتر ببرم! سوال دیگری که در این مرحله باید به آن پاسخ داد این است که آیا در فضای بین ستاره‌ای نیز گازهای مختلف٬ رویکری مشابه دارند و اگر آن‌ها را رها کنیم در تمام نقاط فضا به طور یکسان٬ پخش می‌شوند؟ و یا اینکه این گازها به شکل متفاوتی عمل می‌کنند؛ یعنی در یک نقطه جمع می‌شوند و ستاره‌ای را تشکیل می‌دهند؟ (همان طور که می‌دانید ستاره‌ها از جمع شدن گازها در یک نقطه‌ی خاص٬ پدید می‌آیند.)

پاسخ به هر دو سوال مطرح شده در بالا مثبت است! یعنی گازها٬ در فضای بین ستاره‌ای٬ هم رویکردی مشابه فعالیت زمینی‌شان دارند و هم رویکردی متفاوت با آن! اما چه طور؟ و چرا؟ قرار است به همین سوال پاسخ دهیم:

قطعاً‌ می‌دانید که در فضای بین‌ ستاره‌ای هم گازها در فضا پخش می‌شوند. به عنوان مثال٬ یک سحابی (یا nebulae) که اگر با آن آشنایی ندارید٬ کافی است کمی صبر کنید؛ دو پاراگراف پایین‌تر تعریفی از آن ارائه خواهم کرد) (که اگر با آن آشنایی ندارید٬ کافی است کمی صبر کنید؛ دو پاراگراف پایین‌تر تعریفی از آن ارائه خواهم کرد) که از ستاره‌ای در حال مرگ به وجود آمده است را در نظر بگیرید.

قضیه از این قرار است که هنگامی که‌ ستاره‌ای با جرم نه‌چندان زیاد٬ به پایان عمر خود می‌رسد منفجر می‌شود؛ پس از انفجار بخش عمده‌ای از گازهای این ستاره٬ در فضای بین‌ستاره‌ای پخش شده و یک سحابی را شکل می‌دهند. این سحابی تا زمانی که انرژی حاصل از انفجار اولیه‌ی ستاره به اتمام نرسیده است٬ مرتب بزرگ و بزرگ‌تر می‌شود. بعد از این اینکه انرژی حاصل از انفجار اولیه به پایان رسید٬ اگر قرار باشد که گازها در فضای بین ستاره‌ای٬ در فضا پخش نشوند٬ باید مجدداً به جای نخستین خود بازگردند و در همان محلی که ستاره‌ی اولیه منفجر شد تجمع کنند. در حالی که می‌دانیم این‌چنین نیست و رصدها هم به سادگی می‌تواند نشان دهد که این سحابی حتی پس از پایان یافتن انرژی حاصل از انفجار اولیه هم٬‌ به دلیل ماهیت گازیِ خود٬ هم‌چنان به بزرگ شدن ادامه می‌دهد.

البته افزایش اندازه‌ی یک سحابی پس از پایان آن انرژی اولیه٬ دیگر چندان به چشم نیاید٬ چرا که برای جسمی با ابعادی در حدود چند صد سال نوری٬ دیگر افزایش چند کیلومتری اندازه‌ی آن جسم در هر روز٬‌ میزان چشم‌گیری به حساب نمی‌آید؛ اما به هر حال این اتفاق (یعنی پخش شدن گازها در فضا و بزرگ‌تر شدن آن سحابی) هم‌چنان٬ روی می‌دهد.

اگر گازها در فضا پخش می‌شوند پس یک ستاره چگونه شکل می‌گیرد؟ نمی‌‌توان با قطعیت پاسخ گفت. اما نظریه‌های قدرتمندی در این باره ارائه شده است. بگذارید حالا که به اینجای مقاله رسیدیم و پیش از آن‌که بگوییم ستاره‌ها از تراکم سحابی‌ها پدید می‌آیند٬ به اختصار بگویم که سحابی به مجموعه‌ای از گرد و غبار٬‌ گازها و پلاسماهای پراکنده در فضای بین ستاره‌ای می‌گویند. البته به هر جرم پراکنده در فضا٬ سحابی نمی‌گویند بلکه این ذرات باید به نسبه (اما نه در مقیاسی همانند ستارگان) متراکم باشند. (اجازه بدهید در ادامه تعریفی تقریباً علمی‌تر هم ارائه خواهیم کرد.)

قابل ذکر است که سحابی‌ها به اشکال گوناگونی٬ پدید می‌آیند که انفجار یک ستاره٬ یکی از انواع آن است و در ضمن تمام سحابی‌ها هم به ستاره تبدیل نمی‌شوند. آن دسته از سحابی‌ها که معمولاً به ستاره تبدیل می‌شوند٬ ابرهای مولکولی (molecular clouds) نامیده می‌شوند. علت این نام‌گذاری نیز این است که بخش عمده‌ی مواد تشکیل‌دهنده‌ی این ابرها٬ مولکول‌های H2 می‌باشد. (و همان‌طور که می‌دانید عنصر اصلی سازنده‌ی ستارگان نیز همین مولکول‌های هیدروژن است.)

برای مطالعه‌ی چند آمار جالب درباره‌ی ابعاد ابرهای مولکولی می‌توانید به این لینک مراجعه کنید. قرار شد بگوییم اجرام پراکنده در آسمان با چه چگالی‌ای٬ سحابی نامیده می‌شوند و با چه چگالی و تراکمی دیگر سحابی نامیده نمی‌شوند. پس بد نیست بدانید که چگالی ابرهای مولکولی (که تنها یک درصد از فضای بین‌ستاره‌ای را هم تشکیل می‌دهند) 102 تا 106 اتم در سانتی‌مترمکعب است و اگر تعداد اتم‌ها در هر سانتی‌مترمکعب از این مقدار کمتر باشد٬ دیگر به آن ناحیه سحابی نمی‌گویند.

خیلی از بحث اصلی دور شدیم. داشتیم می‌گفتیم که قابل حدس زدن است که این ابرهای مولکولی که به صورت روزافزون بزرگ و بزرگ‌تر هم می‌شوند قرار نیست به خودی‌خود٬‌ متراکم شوند و ستاره‌ای را شکل دهند. یا اگر بخواهیم دقیق‌تر بگوییم رمبش گرانشی گازهای سازنده‌ی این مولکولی‌ها به خودی‌خود اتفاق نمی‌افتد.

از اینجا به بعد نظریات زیادی برای اینکه چه‌طور این رمبش گرانشی روی می‌دهد وجود دارد. یکی از آن‌ها این است که یک شوک (یا در اصل یک موج خارجی) سبب برانگیزش مولکول‌های این ابر مولکولی شوند. این شوک یا موج٬ بر اثر برخورد دو کهکشان به هم‌دیگر حاصل می‌شود و یا انفجار یک ستاره‌ی در حال مرگ و امواج ناشی از این انفجار سبب آن می‌شوند و یا حتی ممکن است که این شوک به سبب برخورد دو ابرمولکولی با هم٬ وارد آید. البته قابل ذکر است که این ابر مولکولی باید آن قدر جرم داشته باشد که فشار گاز (که سبب دور شدن مولکول‌های آن سحابی از همدیگر می‌شود.) نتواند بر نیروی گرانش آن (که سبب نزدیک شدن مولکول‌ها به هم می‌شود) غلبه کند. (این جرم لازم را جرم جینز – Jeans mass– می‌نامند که برای رسیدن به بی‌ثباتی جینز – Jeans Instability– لازم است.)

گاهی هم ابعاد بزرگ یک سحابی سبب پدید آمدن ستاره می‌شود. به این شکل که یک سمت از آن سحابی به مرکز کهکشانی که سحابی در آن واقع است٬ بسیار نزدیک است و سمت دیگر آن از مرکز کهکشان بسیار دور. سمتی که به مرکز کهکشان بیشتر نزدیک است با سرعت بیشتری به دور آن می‌چرخد و در نتیجه تراکم بیشتری می‌یابد و در همین بین با جاروب کردن یا جذب اجرام پراکنده‌ی بین‌ستاره‌ای٬‌ جرم آن نیز افزایش می‌یابد تا آن‌جا که در نهایت ستاره‌ای را شکل می‌دهد.

تا همین‌جا کافی است! دیگر قرار نیست سایر نظریات موجود درباره‌ی شکل‌گیری ستارگان را توضیح دهم یا درباره‌ی اصطلاحاتی چون «پیش ستاره» بنویسم٬ مراحل زندگی یک ستاره را گام‌به‌گام شرح دهم٬ درباره‌ی منبع انرژی ستاره‌ها٬ سخن بگویم و یا به جرم٬ اندازه٬ دما دوران٬‌ سینماتیک و میدان‌های مغناطیسی ستاره‌ها و روابط بین‌شان بپردازم! من را از باقی این قضایا معاف کنید که از صبرمان خارج است بدجور!

کروی بودن ستارگان

سوال دیگری که قصد دارم در این مقاله به آن پاسخ بگویم آن است که چرا ستارگان (و یا حتی سیارات) کروی‌اند؟ آیا می‌شود شاهد ستاره (و یا سیاره‌ای) به شکل بیضوی٬ مکعبی و یا هرمی‌شکل باشیم؟

پاسخ به سوال اول این است: سطح انرژی علت کروی بودن اجرام آسمانی است.

پاسخ به سوال دوم این است: یک ستاره؟ نه! یک سیاره؟‌ شاید!

بگذارید قبل از آن‌که به موضوع اصلی بپردازیم کمی درباره‌ی فلسفه‌ی کره توضیح دهیم. در یونان باستان٬ نخستین بار این اقلیدس بود که کره و دایره را کامل‌ترین اشکال هندسی نامید و علت این عقیده را هارمونی خاص کره و دایره٬ در بین تمام اشکال هندسی بیان کرد. یونانیان بعد از اقلیدس نیز غالباً به تبعیت از او٬ به اهمیت کره اعتقاد داشتند و کره را برترین شکل هندسی می‌پنداشتند.

این فیلسوفان یونانی٬ تا آنجا در عقیده‌ی خود نسبت به کره راسخ بودند که حتی برای برخی اثبات‌های علمی خود هم از همین کمال کره بین اشکال استفاده می‌کردند. مثلاً برای اثبات اینکه مدارهای گردش سیارات به دور زمین (تا ظهور کوپرنیک در دوران رنسانس٬ دانشمندان همواره٬ زمین را مرکز جهان می‌پنداشتند.) دایره‌ای است و یا اینکه شکل سیارات کروی است؛ از این استدلال بهره می‌بردند که خدا نمی‌تواند جهان را به شکلی غیرکامل بیافریند و شرط کمال جهان استفاده از دایره و کره در بخش‌های مختلف آن است.

همچنین بد نیست اگر اشاره کنیم که ارسطو٬ کره‌هایی را که مدارهای سیارات بر روی آن‌ها بنا شده بود٬ از جنس اتر (پنجمین ماده‌ی سازنده‌ی جهان به اعتقاد یونایان) می‌پنداشت و عقیده داشت هر یک از این مدارها٬ خدای خاص خود را دارند که مسئول حرکت دادن سیارات در آن مدار است.

بگذریم! (برای اطلاعات بیشتر می‌توانید مقاله‌ی «Celestial spheres» را از ویکی‌پدیای انگلیسی بخوانید.) هر چند پیشرفت علم ثابت کرد که مدار حرکت سیارات به دور خورشید دایره‌ای و یا حتی بیضوی کامل نیست و یا حتی بسیاری از سیارات کاملاً هم کروی نیستند٬ اما همچنان بر هارمونی خاص کره صحه می‌گذارند.

می‌دانید که در فیزیک٬ اجسام تمایل دارند که در پایدارترین حالت ممکن خود واقع شوند. تصور کنید که یک ستاره٬ به شکل یک معکب مربع باشد. آن‌گاه قطعاً می‌توانید حدس بزنید که چه اتفاقی روی می‌دهد! بخش‌هایی از لایه‌ی بیرونی این مکعب از مرکز آن٬ دورترند و بخشی‌هایی به مرکز نزدیکتر. پس گرانش کمتری به بخش‌هایِ دور از مرکز می‌رسد در نتیجه این بخش‌ها به زودی یا از ستاره جدا می‌شوند و یا برای آن‌که در پایدارترین حالت ممکن باشند در موقعیتی قرار می‌گیرند که فاصله‌ی کمتری با مرکز داشته باشند.

در این وضعیت به راحتی می‌توانید بگویید که کدام شکل هندسی است که تمام نقاط آن (در هر لایه) به یک میزان از مرکز آن فاصله دارند و اجرام در آن شکل٬ به بیشترین پایداری ممکن می‌رسند؟ بله. پاسخ کره است. (اصلاً تعریف کره همین است!)

در مورد سیاراتی که جرم زیادی دارند هم قضیه تقریباً به صورت مشابه است. با این تفاوت که سیارات برخلاف ستارگان بعد از مدتی حالت سیال خود را از دست داده و حالت صُلب و جامد می‌یابند. زمانی که یک سیاره به حالت صلب در آمد آن‌وقت دیگر احتمال آن‌که تغییر شکل دهد٬ اندک است. (هر چند که باز هم تحت شرایط خاص امکان آن وجود دارد.) با این وجود می‌توان پیش‌بینی کرد که اگر یک سیاره‌ی صلب با جرم زیاد بدون آن‌که حالت جامد خود را از دست بدهد٬ به دو نیم‌کره تقسیم شود٬ دیگر آن‌گاه به همان شکل باقی خواهند ماند. (مانند سیارک وستا –Vesta– که در ابتدا کروی کامل بود اما پس از اصابت با یک جرم عظیم آسمانی به دو نیم شده و به همین شکل باقی ماند. تصویر این سیارک را می‌توانید در این لینک از سایت ناسا ببینید.)

تعادل هیدرواستاتیکی

تعادل هیدرواستاتیکی (Hydrostatic Equilibrium) چیست؟ لازم است قبل از ارائه‌ی پاسخ به این سوال٬ سوال دیگری مطرح شود: با توجه به اینکه٬ برآیند نیروهای گرانش در یک ستاره یا سیاره٬ به سمت مرکز آن ستاره یا سیاره است؛ پس چرا شکل آن جرم آسمانی تغییر نمی‌یابد؟ به عبارت دیگر چرا اجزای این ستاره یا سیاره به سمت داخل فرونمی‌پاشند؟ پاسخ به این سوال راه را برای رسیدن به تعادل هیدرواستاتیکی باز می‌کند.

می‌دانیم که اگر ظرفی حاوی نوعی گاز خاص داشته باشیم٬ گازهای ظرف همواره رو به بیرون فشار می‌آورند. این فشار در مورد گازهای سازنده‌ی ستارگان نیز برقرار است. به عبارت دیگر گازها با فشاری رو به بیرون٬ سعی دارند که از انحصار ستاره بگریزند و یا ابعاد آن را افزایش دهند. اما در طرف مقابل٬ نیروی قوی گرانش٬ گازها را به سمت مرکز ستاره می‌کشاند.

اگر نیروی فشار گاز به اندازه‌ی کافی زیاد نباشد که بتواند در مقابل نیروی گرانش بایستد٬ در این هنگام٬ ستاره اندک‌اندک کوچک و کوچک‌تر می‌شود٬ تا آن‌جا که اندازه‌ی نیروی روبه‌بیرون فشار و نیروی رو به داخل گرانش با هم برابر شوند. در این هنگام تغییر اندازه‌ی ستاره متوقف شده و اصطلاحاً می‌گوییم که ستاره به «تعادل هیدرواستاتیکی» رسیده است. (برای آشنایی بیشتر با پدیده‌ی تعادل هیدرواستاتیک می‌توانید مقاله‌ی‌ تصویریِ «چگونه تعادل هیدرواستاتیک کار می‌کند؟» را بخوانید.)

در مورد سیارات نیز وضع به همین ترتیب است. اگر به یاد داشته باشیم گفتیم که سیارات اگر جرم زیادی داشته باشند؛ آن‌گاه همانند ستاره‌ها٬ شکل کروی می‌یابند. تنها تفاوتی که در این هنگام حاصل می‌شود آن است که اگر سیارات جرم اندکی داشته باشند٬ ممکن است هیچ‌گاه به تعادل هیدرواستاتیکی نرسند و آن‌گاه به اشکال عجیب و غریب دیگری به غیر از کره و شبه‌کره درآیند. (و البته در این صورت دیگر به آن جسم سیاره نمی‌گویند. بنابه‌تعریف ممکن است سیارک یا سیاره‌ی‌کوتوله یا قمر یک سیاره‌ی دیگر باشد.) علت هم این است که کاهش وزن به کاهش نیروی گرانش و در نتیجه برهم‌خوردن تعادل هیدرواستاتیک می‌انجامد.

نوشتیم که اکثر سیارات و ستارگان به شکل کره یا بیضی دوارند.

و ذکر کردیم که جرمی همانند وستا را هم داریم که به دلیل اصابت با یک جرم دیگر٬ به شکل یک نیم کرده درآمده است و دیگر تغییر شکل نیافته.

همچنین نوشتیم که اگر اجرام به اندازه‌ی کافی جرم داشته باشند به تعادل هیدرواستاتیک دست یافته و شکل کره می‌یابند وگرنه به تعادل هیدرواستاتیک نرسیده و شکلی غیر از کره پیدا می‌کنند. (و البته این استثناها تنها در مورد سیارات است و نه ستارگان.)

در پایان اگر این نکته را متذکر نشویم که سیارات و اجرام آسمانی‌ای هم وجود دارند که جرم کافی برای کروی شدن را دارند اما کروی نیستند٬ مقاله را ناکامل به پایان برده‌ایم. به عنوان نمونه٬ می‌توان از سیاره کوتوله‌ی هائومی (Haumea) نام برد (برای دیدن تصویر ٱن می‌توانید به این لینک از سایت ناسا مراجعه کنید.) که هر چند جرم کافی برای رسیدن به تعادل هیدرواستاتیک را داراست اما شکل آن شبیه یک بیضی‌دوار بسیار کشیده است. از جمله دلایل این شکل عجیب هائومی هم سرعت چرخش فوق‌العاده بالای آن است (هر چهار ساعت یک بار به دور خود می‌چرخد.) که به سبب برخورد با یک جرم آسمانی در چندین میلیارد سال قبل ایجاد شده است و همچنین چگالی فوق‌العاده بالای آن. (درباره‌ی هایومی به مقاله‌ی «کوتوله‌ی بی‌نام‌ونشان» از کیوان فیض‌اللهی در سایت روزنامه‌ی کارگزاران مراجعه کنید.)