انفجار ستارگان

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: تمامی جهان ما محدود به یک هسته بود. به عنوان یک شگفتی ، باید دانست که این لحظه قبل از خلقت است، وقتی که زمان و فضا وجود نداشت. با توجه به فلسفه انتظام گیتی که جهان ما را توصیف میکند، یک انفجار غیر قابل توصیف ، با ترلیون درجه حرارات ، بسیار شدید ، نه تنها باعث تشکیل ذرات درون مولکولی بنیادی و در نتیجه ماده و انرژی شد؛ بلکه فضا و زمان را هم بوجود آورد. نظریه پردازان این فلسفه با توجه به مشاهدات همکاران منجم خود، توانستند توالی زمانی حوادث را که انفجار بزرگ نامگذاری شد، معین کنند.
نظریه کوانتوم بیان میدارد که ۱۰ تا ٤۳ ثانیه بعد از انفجار ، ٤ نیروی طبیعت: قوی هستهای ، ضعیف هستهای ، الکترومغناطیس و گرانش ، به هم پیوسته و یک نیروی برتر را تشکیل دادند. ذرات ابتدایی به نام کوارک ، به صورت سهتایی به هم متصل شدند و فوتون ، پوزیترون و نوترینو را در کنار ضد ذره آنها تشکیل دادند. در این مرحله پروتون و نوترون در مقادیر جزئی وجود داشتند، یعنی تقریبا یکی به ازای یک بیلیون فوتون ، نوترینو یا الکترون. به نظر میرسد چگالی جهان در اولین لحظهی پیدایش حیات ، بوده که اکثریت آن به صورت تابش بوده است. به ازای هر یک بیلیون جفت از این ذرات سنگین (هادرون) که خلق شده بودند، یکی به علت برخورد ذره نابود شده و بقیه ذرات بخش عمدهی جهان کنونی ما را تشکیل دادند.
● انبساط جهان
در طی این پیدایش و نابودی ذرات ، جهان با سرعتی بسیار بیشتر از سرعت نور در حال گسترش بود. جهان در کمتر از یک هزارم ثانیه حداقل صد برابر شد، یعنی از اندازه یک هسته به پهنای ۱۰۳۵متر رسید؛ که به این عصر تورم گویند. این تورم متقارن جهان که تقریبا بطور کامل هموار بود در عرض۱۰ تا ۳۵ ثانیه پایان یافت. نظریه پردازان میگویند که اگر این تغییر اندک در پخش چگالی مواد حاصل نمیشد، کهکشانها نمیتوانستند شکل بگیرند. در این لحظه ، جهان یک پلاسمای یونیزه بود که در آن ماده و تابش جدا نشدنی بودند. به علاوه ، ذره و ضد ذره به یک میزان موجود بودند. نسبت نوترونها و پروتونها گر چه اندک ، ولی مساوی بود. وقتی که سن جهان به یک صدم ثانیه رسید، نوترونهای قدیمی به میزان زیادی شروع به ازبین رفتن کردند، این باعث شد که الکترونها و پروتونهای آزاد بتوانند با بقیه ذرات ترکیب شوند.
در حقیقت ، نوترونهای باقیمانده به پروتونها پیوسته و هیدروژن سنگین (دوتریم) را تشکیل دادند. این هستهها باهم جفت شده و هسته هلیوم را بوجود آوردند. تشکیل ماده از انرژی با تبدیل فوتونها به باریونها و ضد باریونها میسر شد که در نهایت نابود شدنشان آنها را به انرژی خالص تبدیل کرد. در نتیجه این برخوردها و نابودیها ، ماده دیگر نمیتوانست بیش از چند نانو ثانیه قبل از اینکه بمباران الکترونی این فوتونها را پراکنده کند، دوام بیاورد. مثل آبی که درون اسفنج به دام میافتد؛ تابش آنچنان چگال است که هیچ نوری قابل دیدن نیست. در این زمان دما تا ۱۳۱۰ درجه کلوین پایین آمد و قوی هستهای ، ضعیف هستهای و الکترومغناطیس توانستند نیروی خود را اعمال کنند، به این عصر آخرین پراکندگی میگویند.
● مرحله تشکیل هلیوم
وقتی که ابر گازی یک ثانیه بعد از انفجار اولیه گسترش یافت و دمای جهان ما ده بیلیون درجه کاهش یافت، فوتونها دیگر انرژی لازم برای تولید ماده یا تبدیل انرژی به ماده را نداشتند. بعد از سه دقیقه و حرارت یک بیلیون درجه ، سرعت پروتونها و نوترونها تا حدی کاهش یافت که ساخت هسته بتواند انجام گیرد. دو پروتون و دو نوترون به هم پیوسته و هسته هلیوم را تشکیل دادند. به ازای هر هسته هلیوم که تشکیل شد، حدود ده پروتون باقی ماند و در نتیجه ۲۵ درصد از جهان از هلیوم تشکیل شد. مرحله مهم بعدی توسعه در عرض ۳۰دقیقه بعد اتفاق افتاد؛ که در طی آن بر اثر نابودی جفتهای الکترون - پوزیترون ، تولید فوتونها افزایش یافت. این حقیقت که در شروع جهان ، الکترونها کمی از پوزیترونها بیشتر بودهاند؛ اطمینان میدهد که جهان ما میتوانست راهی را که دارد بوجود آورد.
● نور و طیف ستارگان :
جهان در طی ۳۰۰۰۰۰ سال بعد رو به توسعه گذاشت و تا ۱۰۰۰۰درجه کلوین سرد شد. این شرایط به هسته هلیوم اجازه داد که الکترونهای آزاد شناور را جذب کرده و اتمهای هلیوم را تشکیل دهد. در این ضمن اتمهای هیدروژن در حال اتصال به یکدیگر و تشکیل لیتیوم بودند. در اینجا بود که چگالی جهان تا جایی رسید که نور قابل مشاهده گردید. تا این لحظه به دام افتادن فوتونها در ماده ادامه داشت. در نهایت ، این توسعه اجازه داد تا همچنانکه چگالی تابش کم و کمتر میشود، نور و ماده بتوانند هر کدام مسیر جداگانه خود را طی کنند. درنتیجه ماده و تابش دیگر به هم متصل نبوده و قدیمیترین فسیلهای در جهان شکل گرفتند.
در ۱۸۱٤علم طیف شناسی توسط ویلیام ولاستون پایه گذاری شد، او یک فیزیکدان انگلیسی بود که به وجود تعدادی خط تیره که طیف پیوسته خورشید را از هم جدا میکردند، پی برد. این خطها مورد توجه ژوزف فرانهوفر قرار گرفتند. وی یک عینکساز و فیزیکدان آلمانی بود که با دقت محل این خطوط را مشخص کرد و سپس در۱۸۵۰دو فیزیکدان آلمانی ، گوستاو کیرخوف و رابرت بانسن ، طیف بینی را پالایش کردند. آنها سپس توانستند با حرارات دادن به عنصرهای مختلف ، نور سفید تولید کنند و با استفاده از طیف بینی ، عنصر مربوط به خطوط قابل مشاهده در طیف الکترومغناطیس را پیدا کردند.
در ۱۸۶۳ سر ویلیام هاگینز ، یک منجم غیر حرفهای ، یک ستاره نزدیک را از طریق عدسی نور شکن ۸ا ینچی خود، با یک طیفنما مشاهده کرد. او به آنچه در ابتدا فرض کرده بود دست یافت: همان خطوط طیفی که در خورشید خودمان مشاهده شده بود. در این ضمن ، کیرخوف و بانسن موفق شدند که خطوط طیفی خیلی از عناصر شامل هیدروژن ، سدیم و منیزیم را دستهبندی کنند. هاگینز همین خطوط طیفی را در ستارههای دور مشاهده کرد و بدرستی پیشنهاد کرد برخی از عناصری که کیرخوف و بانسن فهرست بندی کرده بودند، از این اجرام آسمانی منشأ گرفتهاند.
کیریستین دوپلر از استرالیا ، بیست سال قبل از آن دریافت که فرکانس یک موج صدا به مکان نسبی منبع صوت وابسته است. وقتی که یک صدا از یک مشاهدهگر دور میشود، دانگ صدا کمتر میشود. همچنان اگر منبع در حال حرکت نباشد ولی مشاهدهگر حرکت کند، یک تغییر متناسب در فرکانس موج صدا بوجود خواهد آمد. دوپلر تبدیلی مشابه را برای امواج نور قائل بود. تا زمانیکه آرماند فیزو ، یک فیزیکدان فرانسوی ، در ۱۸٤۸ ثابت کرد که وقتی یک جسم آسمانی از یک مشاهدهگر دور میشود، خطوط طیف مرئی به سمت انتهای قرمز سیر خواهند کرد. این «تغییر به سمت قرمز» نشان داد که ستاره آلفا در حال دور شدن از ما میباشد. چند سال بعد او توانست که سرعت شعاعی ستاره آلفا را بین ۲۶ تا۳۶ مایل در ثانیه محاسبه کند.
در ۱۸۹۰ رصدخانه لیک در کالیفرنیا شروع به پیدا کردن و روی نقشه کشیدن سرعت شعاعی بسیاری از ستارهها و نیز سحابیهای گازدار و سیارهای کرد. ستارهشناسان در رصدخانه لیک سرعت شعاعی و سرعت جابجاییِ ٤۰۰ ستاره را اندازهگیری کردند. در۱۹۱۰ وستو اسلیفر سرعت جابجایی سحابی اندرومدا را۳۰۰ کیلومتر در ثانیه اندازهگیری کرد، یعنی ۳۰برابر بیشتر از آنچه قبلا دیده شده بود. ٤ سال بعد ، اسلیفر سرعت شعاعی ۱٤سحاب مارپیچی که اکثریت آنها متمایل به انتهای قرمز طیف بودند را تأیید کرد. مشاهدات اسلیفر نشان داد که اکثریت این مارپیچها -که وی اندازهگیری کرد- در حال دورشدن از ما هستند.
● کشفیات هابل
حوالی۱۹۱۳ چند منجم و از بین آنها ادوین هابل ، از یک ستاره متغیر به نام cepheid (یک ستاره که شدت آن در نوسان است) برای اندازهگیری نسبت درخشش و دورهی آنها استفاده کردند. این میتوانست به درستی فاصله تا هر cepheid مجاور را مشخص کند. هابل اولین منجمی بود که یک کهکشان مستقل را خارج از محدوده راه شیری کشف کرد. او فاصلهی کهکشان اندرومدا را ۹۰۰۰۰۰ سال نوری محاسبه کرد، یعنی بزرگتر از اندازه کهکشان ما. با استفاده از سرعتهای شعاعی که اسلیپر تعیین کرده بود در کنار محاسبات خودش ، هابل به ارتباط بین فاصله کهکشانها و سرعت شعاعیشان پی برد. اثبات آن قطعی بود: هر قدر که یک کهکشان از زمین دورتر باشد، سرعت جابجایی آن بیشتر میباشد. هابل یک مدرک انکار ناپذیر داشت مبنی بر اینکه جهان در حال گسترش بود. در ۱۹۳۶هابل اطلاعاتی در مورد کهکشانهایی که بیش از ۱۰۰میلیون سال نوری فاصله داشتند بدست آورد. تغییر به سمت قرمز در این فاصله آنقدر زیاد بود که خطوط طیفی دچار تغییر رنگ شدند.
● نظریه نسبیت انیشتین و مدلهای کیهانی
همزمان با منجمان که در حال جمعآوری اطلاعات بر اساس مشاهداتشان بودند، نظریهپردازان هم مشغول ساخت مدلهایی بودند تا بتوانند نظام هستی را توضیح دهند. با توجه به نظریه نسبیت انیشتین که به تازگی بیان شده بود، انیشتین از اولین کسانی است که در جهت توضیح جهان فیزیکی تلاش کردند. او اعتقاد داشت که بخش ماده در جهان ایستا ، یکنواخت و همگرا میباشد. ولی محاسبات شخصی خود او ، درست عکس این را ثابت کرد؛ یعنی یک جهان در حال نوسان که قابلیت توسعه یا اختیار را دارد. او مطمئن بود که جهان پایدار است. انیشتین مجبور شد معادله اولیه خود را تصحیح کند. او اصطلاح «ثابت فلسفه انتظام گیتی» را بکار برد که یک جهان کروی چهار بعدی بسته را ایجاد میکرد.
حوالی همین زمان یک منجم هلندی به نام ویلم دسیتر ، از نظریه نسبیت انیشتین برای نظریه خود در مورد جهان استفاده کرد. مدل او از این جهت بیهمتا بود که وجود ماده در جهان را مد نظر قرار نداد. ولی او فراتر از مدل انیشتین رفت و «تغییر به سمت قرمز» را پیشبینی کرد. گر چه او احساس میکرد که این فقط یک تصور است و در آن زمان آن را به هیچ بازتابی از از اجرام آسمانی مربوط نکرد. آکادمیِ سال ۱۹۳۰هیچ یک از دو مدل را برای جهان بطور کامل نپذیرفت. سپس دبیر جامعه منجمان سلطنتی در انگلستان متوجه شد که سه سال پیش از آن ، یکی از شاگردانش یک تئوری در مورد جهان مستقل از دو نیروی اصلی -در تئوری فلسفهی انتظام گیتی- نوشته است.
جرج لمایتر نظامی را خلق کرد که در آن جهان برای همیشه در حال گسترش بود. وقتیکه این تئوری با چاپ در آگهی یک ژورنال ماهانه دوباره مطرح شد، تئوری مشابه دیگری که ده سال پیش بیان شده بود بر سر کار آمد. الکساندر فردمن ، یک ریاضیدان روسی ، ثابت نظام انیشتین را که یک جهان ایستا را ایجاد میکرد، تحلیل کرد.
او بیان کرد که در صورت صفر بودن ثابت نظام ، سه امکان برای جهان وجود دارد. اگر ماده در جهان از چگالی بحرانی بزرگتر باشد، جهان در نهایت به روی خود برمیگردد. اگر جهان صحیح باشد، برای همیشه گسترش خواهد یافت. اگر با یک ثابت صفر در چگالی بحرانی ، جهان صاف بود، باز هم تا بینهایت گسترش مییافت. راه حلهای لمایتر و فردمن توسط انیشتین تحلیل شده و رد شدند، تا زمانی که هابل در ۱۹۳۲ ثابت کرد که کهکشانها در حقیقت در حال پس رفتن هستند. و انیشتین ناچار شد که از مدل جهان ایستا دست بردارد. اثبات شهودی در حال گسترش بودن جهان ، در کنار مدلهای فردمن و لمایتر که یک جهان در حال گسترش را پیشبینی میکردند، نظریهپردازان و منجمان را باهم متفقالنظر کرد. تنها سؤال باقیمانده این بود که اگر جهان در حال گسترش است منشأ آن از کجاست؟
لمایتر از قانون دوم ترمودینامیک به عنوان این منشأ استفاده کرد. با این فرض که گسترش جهان یک بینظمی در یک سیستم میباشد، با توجه به منفرد بودن نوترونها ، با افزایش واضح انتروپی جهان ، هسته اولیه منفجر خواهد شد. در May ۱۹۳۱ ، لمایتر این تئوری در مورد جهان را در ژورنال طبیعت به چاپ رساند و با انتقاد زیادی روبرو شد.
جرج کامگو با استفاده از کشفیات جدید در نظریه کوانتوم ، بیانات لمایتر را تفسیر کرد. لمایتر مدل خود را بر اساس این تئوری تنظیم کرد که یک هسته بزرگ منفجر شده و به قطعات تشکیل دهندهاش شکسته شد. گامو اعتقاد داشت که یک هسته که علاوه بر نوترونها ، حاوی الکترونها و پروتونها هم میباشد، نقطه شروع بوده است. به علت وجود مقدار زیادی انرژی تابشی در جهان نخستین دمای جهان میبایست تا حد یک بیلیون درجه کلوین بوده باشد.
گامو فکر میکرد که وقتیکه عمر جهان ۵ دقیقه بوده ، ذراتی که در جهان موجود بودهاند نمیتوانستند بههم بپیوندند ولی زمانی که گسترش شروع شد، دما پایین آمد و ترکیب هستهای میسر شد. از آنجا که نوترونها و پروتونها توانستند به هم بپیوندند، اتمها تشکیل شدند. بعد از آن گامو فرض کرد که تمام عناصر در جهان در این زمان شکل گرفتند. ولی یک سال بعد ثابت شد که محاسبات گامو با یک بررسی دقیق جور در نمیآید، زیرا نشان داده شد که جرمهای اتمی ۵ و ۸نمیتوانستهاند از این هسته اولیه شکل بگیرند.
برای اینکه چگالی متوسط ثابت باشد، هویل بیان کرد که ماده باید در فضاهای جدیدی که در حال گسترش است ساخته میشد. جهت گسترش تنها لازم بود که سالانه یک اتم هیدروژن در هر ۱۰۰متر مکعب تولید شود. این تولید خود به خود ماده میتواند منجر شود به تشکیل کهکشانهای جدید در بین قدیمیها و جهان هم شرایط پایدار خود را حفظ میکند و منجمان قادر خواهند بود که این کهکشانهای جدید را در میان قدیمیها پیدا کنند. این یک مورد از تناقضهای زیادی است که در تئوری شرایط پایدار یافت میشود. در۱۹۵۰نظریهپردازان شرایط پایدار، با کشف کهکشانهای تابشی، بسیار مورد مخالفت قرار گرفتند زیرا این نشان میداد که همخوان با نظریه انفجار بزرگ ، کهکشانها توسعه یافتهاند و بیلیونها سال قبل بسیار فعال بودهاند.
● شواهد تجربی نظریه پردازان انفجار بزرگ
در نهایت شواهد تجربی که نظریه پردازان انفجار بزرگ انتظار داشتند، در ۱۹۶۵ توسط بل پنزیاس و رابرت ویلسون مشاهده گردید. رابرت دیک از دانشگاه پرینستون اولین فردی بود که به جستجوی فسیلهای باقیمانده از انفجار بزرگ پرداخت. دیک پیشنهاد کرد که انفجار بزرگ از یک دنیای گذشته سرچشمه گرفته و یک دمای یک بیلیون درجهای برای ساختهشدن دنیای جدید ما مورد لزوم بودهاست. این انرژی به نوبه خود مقدار بسیار اندکی تابش تولید نمود که امروزه قابل اندازهگیری است. بر اساس قانون پلانک که تمام اجسام انرژی ساطع میکنند که قابل نمایش روی یک نمودار الکترومغناطیس میباشد. بسته به طول موجشان میتوانند هر جایی بین x-ray و امواج رادیویی قرار بگیرند. تولید انرژی توسط یک جسم ، وابسته است به:
ـ عناصر تشکیل دهنده آن، سطح ظاهری آن و دمای سطحی جسم. جسمی که بیشترین میزان انرژی را ساطع میکند جسم سیاه نامیده میشود.
با توجه به منحنی جسم سیاه، دیک بیان کرد که تابشِ زمینهای در انفجار بزرگ باید سه درجه زیر صفر مطلق بودهباشد. جیم پیلس، همکار دیک، اظهار داشت که وقتی بقایای سنگ آسمانی تا ۳۰۰۰ درجه کلوین سرد شد، هسته توانست تشکیل شود و هلیوم از هیدروژن شکل گرفت. این واقعه، جهانی را ساخت که تقریبا ۷۵درصد آن هیدروژن و ۲۵درصد آن را هلیوم تشکیل میداد- درست شبیه به میزان هلیوم خورشید-. پبلس بیان کرد که از آنجا که این دو عنصر اصلی در۳۰۰۰ درجهی کلوین ساخته شدند و سپس بعد از آن جهان هزار برابر شد، تابش ناشی از انفجار بزرگ باید دمایی حدود ده درجه کلوین داشته باشد.
در تجدید نظرهای بعدی این میزان ، سه درجه کلوین تخمین زده شد. دیک و پبلس مطمئن بودند که تجهیزات آنها در کشف این تابشِ زمینهای ، اولین میباشد. همزمان پنزیاس و ویلسون به سختی در تلاش برای اندازهگیری تابش کهکشان راه شیری بودند. ولی در برخورد با یک پارازیت که با سیگنالهای آنها تداخل داشت، محدود شدند. این پارازیت از تابش کیهانی منشأ گرفته ، دمای آن سه درجه کلوین بود و به نظر میرسید که از همه جهات منشأ میگیرد و هرگز نوسان نمیکند. تحقیق اولیه آنها با این پارازیت غیر قابل توجیه ، مختل شد. و از به چاپ رساندن مقاله دربارهی آن دست کشیدند. چند ماه بعد پنزیاس دریافت که تحقیقات گروه پبلس دربارهی این تابش باستانی، ناموفق بودهاست. طی ارزیابیهای قبلی آنها دریافتند که پنزیاس و ویلسون بطور اتفاقی به تنها کشف مهمی که انفجار بزرگ را تأیید میکند، دست یافتند.
نظریه پردازان انفجار بزرگ چندین پیشگویی را ارائه دادند که این تئوری را تأیید میکردند. اولین آنها مشاهدات هابل درمورد نسبت فاصله و تغییر به سمت قرمز میباشد. این ارتباط به ما کمک میکند تا سن جهان را با کمک سه جسم آسمانی جداگانه محاسبه کنیم (که البته از هر سه به یک نتیجه میرسیم). هابل از چیزی که شمع استاندارد نامداشت جهت ساخت یک نردبان کیهانی استفاده کرد. او با داشتن فاصله اجرام آسمانی میتوانست سن جهان را تعیین کند. این شمعهای آسمانی عبارت بودند از: Cepheid متغیر در کهکشانهای همسایه ، ستارگان درخشان در کهکشانهای دوردست و درخشش خود کهکشان.
● سن جهان
در مورد سن جهان دو اصطلاح مهم مطرح هستند. ثابت هابل نشان میدهد که سرعت جابجایی کهکشانها بر اساس فاصله آنها از زمین چقدر افزایش مییابد. در مورد این ثابت که از ۵۰km/s per Mpc تا ۱۰۰میتواند باشد؛ از قدیم مناظرهی زیادی وجود داشتهاست. که این علتِ اختلاف پنج بیلیون ساله بین نظرات مختلف ، در مورد سن جهان را توضیح میدهد. ثابت مهم دیگر ، ثابت q میباشد که کاهش سرعت توسعه جهان را نشان میدهد و بر مبنای چگالی بحرانی جهان ثابت میشود که جهان یا طبق مدلهای ثابت ، تا ابد در حال گسترش است؛ و یا یک جهان بسته در حال نوسان میباشد (جهان در نهایت دوباره به هم پیوسته و تمام مراحل را دوباره طی میکند). آلن ساندج ، جانشین هابل ، وقتیکه یک تعداد کهکشان تابشی با چندین میلیون سال نوری فاصله را طرح کرد، یک جهان بسته را پیشگویی کرد. چند سال بعد این نظریهی جهان بسته مورد دعاوی قرار گرفت و درنهایت از نظرها افتاد.
تا امروز ثابت هابل و ثابت q همچنان دو مشکل عمدهی بیجواب در جهانشناسی مدرن محسوب میشوند. مشاهدات ، پیشگوییهای نظریه پردازان دال بر خلق عناصر در فقط چند لحظه بعد از انفجار بزرگ را، تأیید میکنند. بر اساس رابطه میزان هلیوم در جهان و تعداد دستههای ذرات، محققان به این نتیجه رسیدند که به ازای هر دسته ذرات یک نوترینو وجود دارد.
به علت چه؟

مجتمع فرهنگی آموزشی علامه طباطبایی

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 150]