چرا بهترین زمان برای بررسی کیهان، همین حالا است

تقریبا ۳۵۰ هزار سال پیش، نخستی‌سانان روی زمین ظاهر شدند. حالا توانایی و کنجکاوی انسان به فراتر از آسمان آبی زمین و نقاط دوردست فضا رسیده است. اکتشافات انسان در طول هزار سال گذشته شگفت‌انگیز بوده است. انسان موفق شد لایه‌های تاریخ را ورق بزند و به نقطه‌ی آغازین جهان برسد و برای توصیف تمام پدیده‌های فیزیکی، فرمول‌ و نظریه‌های ریاضی ارائه کند. امروز انسان از چگونگی حرکت ستاره‌ها در بالای سر خود آگاه است و می‌داند زمین از چه تشکیل شده است.

ضرب‌المثل ایستادن بر شانه‌های غول حقیقت دارد. دلیل موفقیت‌ها و اکتشافات جدید، انبوهی از اطلاعات و پژوهش‌های گذشته است. امروز در قرن بیست‌ویک، باتوجه به انبوه دانش و اطلاعات موجود، بهترین زمان برای درک کیهان فرا رسیده است؛ زیرا انسان به قدری خوش‌اقبال است که درست ۱۳.۸ میلیارد سال پس از بیگ بنگ زندگی می‌کند.

سیاره‌های فراخورشیدی

ستاره‌شناسان در قرن‌های گذشته، به وجود سیاره‌های فراخورشیدی یا سیاره‌هایی که در آن سوی مرزهای منظومه‌ی شمسی قرار دارند، اشاره کرده‌اند؛ اما مشکل آن‌ها نبود ابزار قوی و مناسب برای کشف این سیاره‌ها بود. این روند در ژانویه‌ی ۱۹۹۲ تغییر کرد. ستاره‌شناسانی مثل الکساندر ولسکزان از رصدخانه‌ی آرسیبو و دیل فریل از NRAO، قدم‌های مهمی را در این راه برداشتند؛ آن‌ها موفق به کشف سیاره‌های فراخورشیدی در اطراف تپ‌ اختری به‌نام PSR B1257+12 شدند که ۲۳۰۰ سال نوری از زمین فاصله دارد.

این کشف یک سال بعد تأیید شد و به این ترتیب وجود سیاره‌های فراخورشیدی شکلی قطعی به خود گرفت. از آن زمان به بعد، تعداد بیشتری از سیاره‌های فراخورشیدی کشف شدند؛ به‌طوری‌که تاکنون کشف بیش از ۴۰۰۰ سیاره‌ی فراخورشیدی در کهکشان راه شیری به‌همراه ۵۰۰۰ کاندیدا احتمالی دیگر گزارش شده است (بشر هنوز راه زیادی را برای کشف سیاره‌های فراخورشیدی فراکهکشانی در پیش دارد اما این مسئله فقط به زمان وابسته است و دیر یا زود سیاره‌ها کشف خواهند شد).

سیاره‌های فراخورشیدی طیف گسترده‌ای شامل غول‌های گازی مشابه مشتری و زحل، غول‌های یخی مشابه نپتون و اورانوس و سیاره‌های سنگی مثل زمین، مریخ، عطارد و زهره را دربرمی‌گیرند. البته موارد خاصی هم در میان آن‌ها دیده می‌شود. برای مثال متداول‌ترین نوع سیاره‌ی فراخورشیدی، مینی نپتون‌ها هستند که در منظومه‌ی شمسی مشابهی ندارند. همچنین نمونه‌های مشتری داغ یا غول‌های گازی نزدیک به ستاره‌ی میزبان در منظومه‌ی شمسی وجود ندارد.

اکتشافات یاد شده به گسترش درک انسان از منظومه‌های سیاره‌ای کمک می‌کند و همچنین راز ویژگی‌های منحصربه‌فرد زمین را آشکار می‌کند که میلیاردها سال پیش، زمینه‌ساز ظهور حیات شدند. اما نیاز به اطلاعات بیشتری دراین‌زمینه‌ها احساس می‌شود. امروزه ستاره‌شناس‌ها به‌لطف روش‌های رو به تکامل، با سرعت بیشتری می‌توانند سیاره‌های فراخورشیدی جدید را کشف کنند. با وجود نسل جدیدی از ابزارها از جمله TESS که سال گذشته پرتاب شد و CHEOPS (پرتاب در دسامبر ۲۰۱۹) و PLATO (برنامه‌ریزی پرتاب برای سال ۲۰۲۶)، عصر اکتشاف سیاره‌های فراخورشیدی آغاز شده است.

خورشیدگرفتگی

در پدیده‌ی شگفت‌انگیز خورشیدگرفتگی، با اینکه اندازه‌ی واقعی خورشید از ماه بسیار بیشتر است، ماه مه‌تواند کاملا روی آن را بپوشاند. دلیل این پدیده، اندازه‌ی نسبی و فاصله‌های این دو سیاره است. قطر خورشید ۴۰۰ برابر بیشتر از قطر ماه است و فاصله‌ی زمین تا خورشید ۴۰۰ برابر دورتر از فاصله‌ی زمین تا ماه است.

بنابراین خورشید و ماه در آسمان شب، اندازه‌ی تقریبا یکسانی دارند. از طرفی شرایط همیشه یکسان نیست. مدار ماه به دور زمین، بیضی شکل است؛ بنابراین ماه در حین حرکت در مدار، گاهی به زمین نزدیک‌تر و گاهی از آن دورتر می‌شود؛ اختلاف فاصله در یک مدار می‌تواند به ۵۰ هزار کیلومتر هم برسد. درنتیجه، وقتی ماه به‌طور کامل از مقابل خورشید عبور می‌کند، دو نوع خورشیدگرفتگی رخ می‌دهد: وقتی ماه به زمین نزدیک‌تر است، هاله‌ی خورشیدگرفتگی که بزرگ‌تر است به‌طور کامل نور خورشید را مسدود می‌کند؛ حالت دوم که خورشیدگرفتگی سالانه‌ی متداول است، زمانی رخ می‌دهد که حلقه‌ی خورشید در اطراف لبه‌ی ماه آشکار می‌شود.

خورشیدگرفتگی نه‌تنها پدیده‌ای تماشایی است بلکه با مسدودشدن درخشندگی دیسک خورشیدی، می‌توان ساختارهای تاج خورشیدی را مشاهده کرد. تاج خورشیدی در حالت عادی دیده نمی‌شود اما هنگام خورشیدگرفتگی می‌توان به اطلاعات زیادی درباره‌ی متغیرهای ستاره‌ای دست یافت. البته ماه در جای خود ثابت نمی‌ماند، بلکه با سرعت ۳.۸۲ سانتی‌متر در سال از زمین دور می‌شود. در ۶۰۰ میلیون سال آینده، ماه در آسمان شب به‌قدری کوچک خواهد شد که نمی‌تواند نور خورشید را به‌طور کامل مسدود کند.

تصویر سیاهچاله

برای اولین‌بار دانشمندی انگلیسی به‌نام جان میشل در سال ۱۷۸۳، فرضیه‌‌ای تئوری درباره‌ی جرمی آسمانی را ارائه داد که حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند. ایده‌ی وجود سیاهچاله‌ها با گذشت بیش از یک قرن از فرضیه‌ی میشل، دوباره مورد توجه قرار گرفت. این اجرام اسرارآمیز حتی در قرن بیستم هم صرفا جنبه‌ای تئوری داشتند.

ژان پیر لومینت، ریاضی‌دان فرانسوی در سال ۱۹۷۸، براساس نظریه‌ی نسبیت به شبیه‌سازی ظاهر سیاهچاله پرداخت. به این ترتیب، برای اولین‌بار در دنیا، تصویری بصری از این اجرام متراکم به وجود آمد که میشل آن‌ها را ستاره‌های تاریک می‌نامید. در طول سال‌های بعد هم شبیه‌سازی‌های متعدد با افزایش جزئیات و پیچیدگی ارائه شدند.

در سال گذشته، تلسکوپ ایونت هرایزن موفق به تولید اولین تصویر سیاهچاله شد

در نهایت، سال گذشته تلاش‌های بلندپروازانه‌ی پژوهشگرها به ثمر نشست. تلسکوپ ایونت هرایزن، پروژه‌ی جهانی که اجرای آن سال‌ها به طول انجامید، موفق به تولید اولین تصویر مستقیم از سیاهچاله‌ای غو‌ل‌آسا در مرکز کهکشانی به‌نام M87 شد که در فاصله‌ی ۵۵ میلیون سال نوری از زمین قرار گرفته است.

شبیه‌سازی لومینت درست بود. به همین ترتیب صحت پیش‌بینی‌های نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین ثابت شد که تقریبا یک قرن پیش ارائه شده بود. براساس درخشش نسبیتی، نوری که به زمین می‌رسد، درخشان‌تر از نوری است که از زمین دور می‌شود. این درخشش ثابت میکند که مواد به دور سیاهچاله می‌چرخند.

هنوز راه زیادی درباره‌ی سیاهچاله‌ها باقی مانده است. سیاهچاله‌ها قطعا وجود دارند و امروز می‌توان آن‌ها را رصد کرد. پروژه‌ی رصد سیاهچاله‌ بسیار دشوار بود اما امروزه با رسیدن به پوسته می‌توان به عمق این دانش رسید. پروژه‌ی بعدی پژوهشگرها، فیلم‌برداری از سیاهچاله‌ی غول‌آسایی در مرکز کهکشان راه شیری است.

حلقه‌های زحل

سن منظومه‌ی شمسی تقریبا به ۴.۵ میلیارد سال می‌رسد و از ابتدا به شکل کنونی نبوده است. برخی تغییرات منظومه‌ی شمسی را می‌توان در مدت کوتاهی به چشم دید. طبق داده‌های فضاپیمای کاسینی، حلقه‌های زحل با سرعت بسیار بالایی به داخل این سیاره سقوط می‌کنند. به‌گفته‌ی جیم اودونگو، دانشمند سیاره‌ای مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا:

طبق تخمین‌های ما، حجم بارش ذرات حلقه‌های زحل تنها در سی دقیقه برابر با یک استخر آب المپیک است. تنها باتوجه به سرعت سقوط ذرات، کل سیستم حلقه‌ای زحل در طول ۳۰۰ میلیون سال آینده ناپدید خواهد شد. از طرفی باتوجه به داده‌های فضاپیمای کاسینی، مواد حلقه در استوای زحل سقوط می‌کنند و ممکن است عمر آن‌ها به کمتر از ۱۰۰ میلیون سال برسد.

طبق پژوهش‌ها، حلقه‌ها جوان هستند و تنها ۱۰۰ میلیون سال عمر دارند و در دوره‌ی کرتاسه تشکیل شده‌اند. بحث درباره‌ی حلقه‌های زحل همچنان ادامه دارد. طول عمر حلقه‌های زحل، نسبت به مقیاس زمانی کیهان، مانند چشم‌برهم‌زدن است.

دانشمندان سیاره‌ای معتقدند، سیاره‌ی مشتری هم زمانی از حلقه‌های ضخیم مشابه زحل برخوردار بوده است که به یکدیگر فشرده شده‌اند و مجموعه قمرهای گالیله‌ای را تشکیل داده‌اند. حالا از حلقه‌های مشتری تنها رد باریکی به جا مانده است. هنوز اطلاعات دقیقی درباره‌ی نحوه‌ی شکل‌گیری حلقه‌ها در دست نیست؛ اما می‌توان مراحل طول عمر حلقه‌های منظومه‌ی شمسی را به‌وضوح از زمین مشاهده کرد و براساس این مشاهدات، راز حلقه‌ها را افشا کرد.

ستاره‌شناسی موج گرانشی

طبق پیش‌بینی‌های نسبیت عام اینشتین (در سال ۱۹۱۵)، مجموعه‌ی بزرگی از رویدادها به ارسال امواج پرسرعت می‌پردازند؛ این امواج که در بافت فضا و زمان نوسان می‌کنند مشابه نوسان امواج آب، هنگام پرتاب سنگی درون برکه هستند با این تفاوت که در سه بعد رخ می‌دهند.

در زمان اینشتین، فناوری هنوز به سطحی نرسیده بود که بتوان توزیع این امواج کوچک را پیش‌بینی کرد اما با گذشت ۱۰۰ سال از آن زمان در تاریخ ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، بشر موفق به ثبت اولین امواج گرانشی از دو سیاهچاله‌ی در حال برخورد شد. به این ترتیب، نه‌تنها امواج گرانشی بلکه وجود سیاهچاله‌ها نیز اثبات شد. کشف امواج گرانشی، زمینه‌‌ی جدیدی به‌نام ستاره‌شناسی امواج گرانشی را به وجود آورد. از آن زمان، تعداد زیادی از برخوردهای سیاهچاله‌ای و برخوردی تماشایی بین دو ستاره‌ی نوترونی کشف شدند.

با کشف امواج گرانشی می‌توان به اطلاعات مفیدی درباره‌ی منشأ سیاهچاله‌ها رسید

ستاره‌‌شناس‌ها معتقدند، کشف برخورد ستاره‌ی نوترونی و سیاهچاله‌ می‌تواند رازهای متعددی مثل تأیید وجود ستاره‌ی نوترونی و منظومه‌های دودویی سیاهچاله‌ای و انحراف چرخش و انحراف محوری این اجرام را ثابت کند و درنتیجه پژوهشگران به چگونگی شکل‌گیری اجرام نزدیک شوند.

ستاره‌شناس‌ها با اشتیاق به‌دنبال شکار پدیده‌ای به‌نام «شکاف جرمی» هستند که در آن جرم یکی از دو بدنه‌ی برخوردی، در طیفی بین سنگین‌ترین ستاره‌های نوترونی (۲.۵ برابر جرم خورشید) و سبک‌ترین سیاهچاله‌ها (۵ برابر جرم خورشید) قرار دارد. تاکنون بدنه‌ای پیدا نشده است که نظریه‌ی شکاف جرمی برای آن صدق کند و کاندیدا‌های احتمالی این نظریه ممکن است ستاره‌های نوترونی بزرگ یا سیاهچاله‌های کوچک باشند.

آینده

آینده‌ی ستاره‌شناسی درخشان‌تر از هر زمانی است. تاکنون اطلاعات زیادی به دست آمده است و نسل بعدی ابزار زمینی و فضایی بسیار قدرتمندتر از نسل‌های گذشته هستند. از مجموعه ابزارهای فضایی می‌توان به رصدخانه‌ی موج گرانشی فضایی یا LISA، تلسکوپ فضایی جیمز وب، CHEOPS، WFIRST و ATHENA و از ابزار زمینی می‌توان به رصدخانه‌هایی مثل تلسکوپ غول‌آسای ماژلان و آرایه‌ی کیلومتر مربعی اشاره کرد.

بشر در مسیر پژوهش‌های منظومه‌ی شمسی هم پیش‌گام شده است. کاوشگرها و مأموریت‌های نمونه‌برداری سیارکی در راه هستند. ناسا قصد دارد کاوشگر اروپا را برای جستجوی علائم حیات این قمر مشتری ارسال کند؛ و انسان در چند سال آینده به ماه بازخواهد گشت. در این نقطه‌ی زمانی از جهان، انسان مانند شناگری است که روی تخته آماده‌ی شیرجه یا مانند پرنده‌‌ای آماده به پرواز است. فضا هم بزرگ و پر از پتانسیل اکتشافات جدید است.