بقایای دو سیاره بازمانده در مدار یک کوتوله سفید

مرگ خورشید و سرنوشت سیارات

هر ستاره‌ای همانند خورشید سرانجام روزی می‌میرد. خورشید در هسته خود هیدروژن را به هلیم تبدیل می‌کند و فشار ناشی از این همجوشی هسته‌ای، در برابر نیروی گرانش که می‌خواهد ستاره را فرو بکشد، تعادل ایجاد می‌کند. اما وقتی سوخت هیدروژن هسته به پایان برسد، این تعادل فرو می‌پاشد. هسته کوچک و فشرده می‌شود و همزمان لایه‌های بیرونی متورم شده و ستاره به غولی سرخ (red giant) تبدیل می‌شود که ممکن است صدها برابر شعاع اولیه‌اش بزرگ شود. خورشید ما در حدود پنج میلیارد سال آینده چنین سرنوشتی پیدا خواهد کرد و شعاع آن تا مدار زمین و حتی فراتر از آن کشیده خواهد شد.

پس از آنکه لایه‌های بیرونی ستاره به‌صورت سحابی سیاره‌نما (planetary nebula) به فضا پراکنده شدند، تنها هسته فروزان و بسیار داغی باقی می‌ماند که به آن کوتوله سفید (white dwarf) می‌گویند. کوتوله سفید دیگر همجوشی هسته‌ای انجام نمی‌دهد؛ این جرم اختری تنها به کمک فشار تباهیدگی الکترون‌ها (electron degeneracy pressure) در برابر گرانش مقاومت می‌کند. ابعاد آن تقریباً به اندازه زمین است، اما جرمی نزدیک به جرم خورشید دارد، بنابراین چگالی آن میلیون‌ها برابر چگالی مواد معمولی است.

سامانه J1328−1450 و کشف دو حلقه بقایا

گروهی از پژوهشگران به سرپرستی نیکولا جنتیله فوزیلو از دانشگاه تریسته ایتالیا، سامانه‌ای را بررسی کردند که گرد کوتوله سفیدی به نام J1328−1450 و در فاصله حدود ۱۶۰۰ سال نوری از زمین قرار دارد. مشاهدات این گروه با تلسکوپ بسیار بزرگ (Very Large Telescope یا VLT) نشان داد که گرد این ستاره مرده دو حلقه مجزا از بقایای سنگی وجود دارد؛ ساختاری دوگانه که تاکنون در هیچ سامانه کوتوله سفید دیگری دیده نشده بود.

تا پیش از این، همه دیسک‌های بقایای شناخته‌شده گرد کوتوله‌های سفید، صفحه‌هایی تخت، منفرد و چرخان بودند. اما در سامانه J1328−1450 میان حلقه درونی و بیرونی، شکافی روشن و وسیع وجود دارد. اخترشناسان برآورد می‌کنند یکی از اجرام باقی‌مانده اندازه یک سیارک معمولی منظومه شمسی باشد و جرم دیگر میان اندازه ماه و سیاره کوتوله پلوتو قرار بگیرد. وجود این شکاف، خود نشانه‌ای مهم است: حضور یک یا چند جرم نسبتاً پرجرم در آن ناحیه می‌تواند گرد و غبار را از آن محدوده پس بزند و شکاف را باز نگه دارد، درست همان‌گونه که قمرهای چوپان در حلقه‌های زحل شکاف‌هایی مشخص پدید می‌آورند.

چگونه از نور ستاره مرده، شیمی سیارات مرده را می‌خوانیم

کوتوله سفید به‌تنهایی طیف ساده‌ای دارد؛ زیرا گرانش بسیار شدید آن باعث می‌شود عناصر سنگین به‌سرعت در عمق ستاره فرو روند و از دید ما پنهان شوند. بنابراین اگر در طیف چنین ستاره‌ای خطوط جذب مربوط به عناصر سنگین دیده شود، نتیجه این است که چیزی از بیرون در حال فرو ریختن بر سطح آن است. در سامانه J1328−1450، پژوهشگران نشانه‌های کلسیم، اکسیژن، منیزیم و آهن را شناسایی کردند. این مجموعه عناصر، امضای آشکار مواد سنگی است، همان موادی که سیارات درونی منظومه شمسی یعنی عطارد، زهره، زمین و مریخ از آن‌ها ساخته شده‌اند.

نکته دقیق‌تر آن است که ترکیب شیمیایی حلقه بیرونی با حلقه درونی تفاوت دارد. این اختلاف نشان می‌دهد دست‌کم دو جرم بلعیده‌شده ترکیب یکسانی نداشته‌اند و از مواد متفاوتی تشکیل شده بودند. به بیان دیگر، سامانه‌ای که ما می‌بینیم زمانی مجموعه‌ای متنوع از اجرام سنگی بوده است، نه توده‌ای یکنواخت از گرد و غبار.

ابعاد فاجعه: چه بر سر سیارات آمد

سناریویی که پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند چنین است: هنگامی که ستاره مادر به غول سرخ تبدیل شد، سیارات نزدیک‌تر یا بلعیده شدند یا تحت تأثیر گرانش متغیر ستاره به مدارهای درونی‌تر و بی‌ثبات‌تر رانده شدند. برخی از آن‌ها به‌کلی تبخیر شدند و برخی دیگر با یکدیگر برخورد کردند و به قطعات کوچک‌تر شکستند. سپس این قطعات در میدان گرانشی شدید کوتوله سفید گرفتار شدند و در اثر نیروهای کِشندی به بقایای خرد و غبار تبدیل شدند. در نهایت، این غبار در صفحه‌ای چرخان و به شکل حلقه‌ای آرایش یافت.

اما دو جرم از این آشوب جان سالم به در بردند. آن‌ها یا در فاصله‌ای به‌اندازه کافی دور از ستاره قرار داشتند که تبخیر نشوند، یا در مسیر مهاجرت مداری خود به مدارهایی پایدار رسیدند. حضور همین دو بازمانده است که با پاک‌کردن گرد و غبار از محدوده‌ای مشخص، شکل دوگانه و یگانه این دیسک را ساخته است.

چرا این کشف مهم است

اهمیت اصلی این یافته در سه چیز است. نخست، برای اولین بار نمونه‌ای دیده شده که در آن یک کوتوله سفید فقط یک دیسک ساده ندارد، بلکه ساختاری پیچیده و دوحلقه‌ای با شکافی میان آن‌ها دارد. این نشان می‌دهد مرگ ستاره‌ها فرایندی آرام و مرتب نیست، بلکه مرحله‌ای خشونت‌بار و پرهرج‌ومرج است که در آن مدارها درهم می‌ریزند و سیارات به قطعات خرد می‌شوند.

دوم، این سامانه آزمایشگاهی طبیعی برای مطالعه ترکیب سیارات بیگانه است. لایه‌های بیرونی کوتوله‌های سفید مانند بایگانی‌ای از ماده‌ای هستند که زمانی بدنه سیارات را ساخته بود. با تحلیل طیف این ستاره‌ها می‌توانیم درباره شیمی سیاراتی بیاموزیم که دیگر وجود ندارند و هرگز نمی‌توانیم مستقیم ببینیم.

سوم و مهم‌تر از همه، این سامانه تصویری از آینده دور خودمان است. زمین در حدود پنج میلیارد سال آینده به احتمال زیاد در اثر تورم خورشید تبخیر و نابود می‌شود. اما اجرامی که در فاصله‌های دورتر، نزدیک مدار مشتری و فراتر از آن قرار دارند، ممکن است از این مرحله جان به در ببرند و در نهایت گرد کوتوله سفید باقی‌مانده خورشید حلقه‌هایی از بقایای سنگی تشکیل دهند؛ تصویر آینده‌ای که اکنون در J1328−1450 مشاهده می‌کنیم.

نگاه به آینده پژوهش

این نتیجه که در نشریه Nature Astronomy منتشر شده است، پرسش‌های تازه‌ای پیش می‌گذارد. یکی از پرسش‌های کلیدی این است که چند سامانه دیگر با چنین ساختار دوگانه‌ای وجود دارد. اگر مشاهدات آینده نشان دهد این پیکربندی رایج است، باید مدل‌های ما از تحول مدارها در مرحله غول سرخ بازنگری شوند. مسئله دیگر آن است که آیا می‌توان اجرام باقی‌مانده را مستقیماً رصد کرد یا تنها از اثر گرانشی و شکاف‌هایی که در دیسک ایجاد می‌کنند می‌توان به وجودشان پی برد.

آنچه مسلم است این است که مرگ یک ستاره، پایان همه چیز نیست. حتی در دل خاکستری یک ستاره مرده، بازمانده‌های سیارات سرسختانه به گردش خود ادامه می‌دهند و داستان منظومه‌ای را روایت می‌کنند که زمانی زنده و پرجنب‌وجوش بود. مطالعه این بازمانده‌ها، پنجره‌ای نادر به سرنوشتی می‌گشاید که میلیاردها سال بعد در انتظار جهان ما نیز هست.