بیگ بنگ: فرایند شکل‌گیری ستاره‌ها چیزی نیست که بتوانیم از ابتدا تا انتهای آن را مشاهده نماییم، زیرا میلیون‌ها سال طول می‌کشد. اما بتازگی یک شبیه‌سازی خارق‌‌العاده‌ ما را از هر زمانی بیشتر به چگونگی فرایند این پدیدۀ باشکوه نزدیک کرده است.

به گزارش بیگ بنگ، اخترشناسان با کمک یک شبیه‌سازی کامپیوتری که STARFORGE (تشکیل ستاره در محیط‌های گازی) نامیده می‌شود موفق شدند تا برای اولین‌بار ابر مولکولی ستاره‌ساز یا ناحیه‌ای که به «پرورشگاه ستارگان» معروف است را به صورت سه بعدی و با وضوح بالا شبیه‌سازی کنند.

این شبیه‌سازی می‌تواند اخترشناسان را یاری کند تا فرآیند تشکیل ستاره‌ها را با جزئیات بیشتری مطالعه کنند. آن‌ها با مقایسه‌ی این شبیه‌سازی با پیش‌ستاره‌های واقعی (ستارگانی که هنوز به‌طور کامل تشکیل نشده‌اند) در مراحل مختلف تکوین می‌توانند فرآیندهایی را درک کنند که در تشکیل ستاره‌ها نقش دارند.

کلود-اندرو فوشر-جی‌گویر اخترفیزیکدان دانشگاه نورث‌وسترن عنوان کرد: «نحوۀ تشکیل ستارگان پرسشی بسیار اساسی در اخترفیزیک است. مطالعه‌ی تشکیل ستارگان به خاطر وسعت فرآیندهای دخیل در آن موضوعی بسیار چالش‌برانگیز است. اما شبیه‌سازی جدید به ما کمک می‌کند تا پرسش‌های اساسی را که قبلاً نمی‌توانستیم پاسخ قطعی برای‌شان بیابیم مستقیماً درک کنیم.»

ویژگی‌های اساسی تشکیل ستارگان به این صورت است: نخست، با توده‌ای از گاز مولکولی آغاز می‌کنیم که معمولاً در ابرهای حاوی مواد پیدا می‌شود. اگر چگالی کافی باشد، توده‌ی ابر تحت گرانش خودش فرو می‌ریزد تا یک پیش‌ستاره‌ را تشکیل دهد. آنگاه این پیش‌ستاره حول خودش شروع به چرخش می‌کند.

این چرخش باعث می‌شود تا مواد حول پیش‌ستاره بچرخد و قرصی را پیرامون آن تشکیل دهد. آنگاه موادِ قرص درون ستارۀ در حال رشد سرازیر می‌شود؛ درست مثل آبی که بی‌وقفه با قدرت گرفتن کشش گرانشی درون چاه، تخلیه می‌شود. هنگامی که ستاره به‌قدر کافی جرم به‌‌دست آورد، حرارت و فشار در مرکز ستاره آن‌قدر بالا خواهد رفت که واکنش گداخت هسته‌ای آغاز می‌شود و طی آن اتم‌های هیدروژن به هلیوم، گداخته می‌شوند. آنچه از مواد درون قرص باقی می‌ماند در تشکیل سیارات، سیارک‌ها و سایر اجرامی از این قبیل مصرف می‌شود.

چون کل این فرآیند در ابری چگال رخ می‌دهد، برای‌مان دشوار است که مستقیماً آن را رصد کنیم. و به خاطر اینکه تکوین این فرآیند میلیون‌ها سال طول می‌کشد، هر پیش‌ستارۀ منفردی که رصد می‌کنیم صرفاً یک تصویر اجمالی از رویدادی است که به مراتب طولانی‌تر، بزرگ‌تر و پیچیده‌تر است.

گروهی از اخترشناسان به سرپرستی “مایکل گرودیک” از دانشگاه نورث‌وسترن برای ایجاد شبیه‌سازی STARFORGE مجبور شدند پدیده‌های فیزیکی متعددی را در آن لحاظ کنند؛ منجمله دما، گرانش، میدان‌های مغناطیسی، دینامیک گاز، و بادهای قدرتمند ستاره‌ای و فوران‌های پلاسمایی که از ستارگان نوزاد گسیل می‌شوند و به «بازخورد ستاره‌ای» معروف‌ هستند.

آن‌ها شبیه‌سازی خود را در یکی از قدرتمندترین ابرکامپیوترهای جهان موسوم به «فرانترا» در دانشگاه تگزاس به مدت ۱۰۰ روز اجرا کردند. نتیجه کار، یک فیلم ویدئویی زیبا بود که پرورشگاه کامل ستاره‌ای و تشکیل ستارگان را از ابتدا تا انتها نمایش می‌داد. گرودیک عنوان کرد: «اکنون چند دهه است که دانشمندان فرآیند تشکیل ستارگان را شبیه‌سازی می‌کنند، اما شبیه‌سازی STARFORGE یک جهش کوانتومی در فن‌آوری محسوب می‌شود.»

وی افزود: «مدل‌های دیگر فقط می‌توانستند ناحیه‌ی کوچکی از توده‌ ابر را که ستاره‌ها در آن‌جا تشکیل می‌شوند، شبیه‌سازی کنند و از شبیه‌سازی کل ابر با وضوح بالا عاجز بودند. بدون مشاهدۀ تصویر بزرگ، عوامل زیادی از قلم می‌افتند که ممکن است بر پیامد تشکیل ستاره اثر بگذارند.»

توده ابر شبیه‌سازی‌شده در ویدئوی بالا 20 هزار برابر خورشید جرم دارد و در آغاز شبیه‌سازی فقط در فضا معلق است. به مرور زمان، گاز با نیروهایی مثل بادهای ستاره‌ای و امواج شوک از هر طرف تحت فشار قرار می‌گیرد و نتیجه آن‌که در ابر، نواحی خاصی با چگالی بالاتر شکل می‌گیرند که می‌توانند تحت نیروی گرانش برُمبند و پیش‌ستارگان را تشکیل دهند.

اما ویدئوی پایین ابری را با 200 هزار برابر جرم خورشید شبیه‌سازی کرد. با شکل‌گیری و رشد ستاره، بادهای ستاره‌ای قدرتمندی از آن خارج می‌شود. علاوه بر این، موادی که درون ستاره سقوط می‌کنند با میدان‌های مغناطیسی ستاره برهم‌کنش می‌کنند؛ برخی از این مواد به خارج مکیده می‌شوند و در امتداد خطوط میدان مغناطیسی تا قطب‌های ستاره جاری می‌شوند و آنگاه به شکل فوران‌های پلاسمایی قدرتمند از قطب‌های ستاره به فضا پرتاب می‌شوند.

هر دو بازخورد (بادهای ستاره‌ای و فوران‌ها) گازهای اطراف ستاره را عقب می‌رانند و جریان ورودی مواد به ستاره را قطع می‌کنند و در نتیجه مانع رشد بیشتر ستاره می‌شوند. پژوهش پیشین که بر مبنای داده‌های مشاهداتی انجام شده، نشان می‌داد که بازخورد ستاره‌ای ممکن است در تعیین جرم ستاره، نقش مهمی نداشته باشد.

اما پژوهش این گروه، نتیجه‌ای کاملاً برعکس را نشان می‌دهد. هنگامی که آن‌ها شبیه‌‌سازی را بدون فوران‌ها اجرا کردند، در پایان با ستاره‌هایی به مراتب بزرگ‌تر مواجه شدند. اگر فوران‌ها در شبیه‌سازی لحاظ شوند، در پایان ستارگانی حاصل می‌شوند که اندازۀ آن‌ها متعارف‌تر است. گرودیک توضیح داد: «فوران‌ها جریان ورودی گاز به ستاره را مختل می‌کنند.»

«فوران‌ها اساساً گازهایی را که می‌توانند به درون ستاره سقوط کنند و جرمش را افزایش دهند به خارج از ستاره پرتاب می‌کنند. افراد گمان می‌کنند که چنین پدیده‌ای ممکن است رخ دهد، اما با شبیه‌سازی کل سیستم، اکنون درک درستی از چگونگی وقوع این پدیده در اختیار داریم.»

لذا این موضوع می‌تواند پتانسیل شبیه‌سازی STARFORGE را به زیبایی نمایش ‌دهد. اخترشناسان با شروع از سناریویی که تا حد ممکن به کیهان واقعی نزدیک است، می‌توانند فرآیندهای فیزیکی مختلفی را کاوش کنند که در تکوین پرورشگاه‌های ستاره‌ای دخیل‌ هستند. با حذف یا افزودن هر یک از این فرآیندها در شبیه‌سازی می‌توان درک کرد که کدام یک از این فرآیندها نقش اساسی در تکوین ستاره‌ها نوزاد دارند و چه بسا در پاسخ به پرسش‌های کلیدی جهان هستی ما را یاری کنند. جزئیات بیشتر این پژوهش در Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده است.

ترجمه: محمد نوده فراهانی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com