مجله‌ای برای دوست‌داران علم و طبیعت زمین و آسمان

روش‌های سنجش فاصله‌ی اجرام آسمانی

اخترشناسان چگونه فاصله‌ی اجرام نجومی را محاسبه می‌کنند؟

45

فاصله‌ی هر جرم آسمانی از زمین یکی از مهم‌ترین ویژگی‌هایی است که اخترشناسان باید آن را اندازه‌گیری کنند. کاری که با توجه به مقیاس‌های نجومی و فاصله‌های بسیار زیاد اجرام از یک‌دیگر چندان آسان نیست.

تصویر تلسکوپ فضایی هابل از خوشه‌ی کهکشانی Abell 2218 که ۲/۱ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد.
Credit:
NASA, ESA, and Johan Richard (Caltech, USA)
Acknowledgement: Davide de Martin & James Long (ESA/Hubble)

در مقیاس کیهانی واحدهای روزمره‌ی زندگی ما مانند کیلومتر معنای چندانی ندارد و اخترشناسان از واحدهای دیگری استفاده می‌کنند. واحد نجومی، که برابر فاصله‌ی متوسط زمین از خورشید یعنی ۱۵۰ میلیون کیلیومتر است، در گستره‌ی منظومه‌ی شمسی انتخاب مناسبی است. اما برای اجرام دورتر مانند ستاره‌ها و کهکشان‌ها باید از واحدی بزرگ‌تر استفاده کرد. از آن جا که نور سریع‌ترین موجود عالم است اخترشناسان برای این کار از واحد سال نوری استفاده می‌کنند. سال نوری مسافتی است که نور در یک سال طی می‌کند. مسافتی که اگر بخواهیم آن را به کیلومتر بیان کنیم به عدد ۹/۴ تریلیون کیلومتر می‌رسیم!

کهکشان آندرومدا نزدیک‌ترین کهکشان بزرگ به کهکشان ما، راه شیری، است که ۲/۵ میلیون سال نوری از ما فاصله دارد. اگر بخواهیم با مثالی ساده درکی نسبی از گستردگی فضای خالی میان راه شیری و آندرومدا داشته باشیم می‌توانیم تمام کهکشان راه شیری را به اندازه‌ی سکه‌ای کوچک با قطر یک سانتی‌متر در نظر بگیریم. در چنین شرایطی آندرومدا در فاصله‌ی ۲۵ سانتی‌متری این سکه‌ی کوچک جای خواهد گرفت. عالم مشاهده‌پذیر نیز تا فاصله‌ی پنج کیلومتری این سکه‌ی کوچک، در هر سمت سکه، گسترده خواهد بود.

حال به سوال اصلی برگردیم: اخترشناسان چگونه فاصله‌ی اجرام آسمانی را اندازه‌گیری می‌کنند؟

روش اختلاف‌ منظر

ساده‌ترین روش برای تعیین فاصله‌ی اجرام آسمانی اختلاف‌ منظر است. فردریش بسل برای اولین بار در سال ۱۸۳۸ از این روش استفاده کرد. اساس این روش بسیار ساده است. برای درک سازوکار آن می‌توانید انگشت خود را جلوی چشمان‌تان قرار دهید و یک بار با چشم چپ و باری دیگر با چشم راست به آن نگاه کنید. خواهید دید که با این کار انگشت‌تان نسبت به اجرام دورتر جابه‌جا خواهد شد. در واقع با تغییر مکان ناظر (که در این جا تغییر مکان برابر فاصله‌ی بین دو چشم است) اجرام نزدیک نسبت به اجرام دوردست مقداری جابه‌جا می‌شوند.

همین اتفاق در علم اخترشناسی به کمک دانشمندان می‌آید. این بار اما تغییر مکان تنها به اندازه‌ی فاصله‌ی بین دو چشم نیست. اخترشناسان برای سنجش فاصله‌ی اجرام آسمانی نیاز به تغییر زاویه‌ی دید بیشتری دارند و برای این کار از چرخش سیاره‌مان به دور خورشید بهره می‌گیرند. زمین هر یک سال یک بار به دور خورشید می‌گردد. بنابراین در طول شش ماه زمین قطر مدارش را طی می‌کند و مکان جدیدش دو واحد نجومی نسبت به مکان قبلی تغییر می‌کند.

بر اثر این اتفاق ستاره‌های نسبتا نزدیک نسبت به ستاره‌های دورتر کمی جابه‌جا می‌شوند. همین جابه‌جایی کافی است تا با استفاده از روابط مثلثاتی ساده بتوانیم فاصله‌ی ستاره‌ی نزدیک را محاسبه کنیم. البته با توجه به اختلاف منظر جزئی ستاره‌ها (به دلیل فاصله‌ی بسیار زیاد آن‌ها نسبت به تغییر مکان زمین در مدارش) این روش تنها برای ستاره‌هایی که حداکثر در فاصله‌ی ده‌هزار سال نوری از ما قرار دارند مناسب است.

طرحی ساده از چگونگی سنجش فاصله‌ی ستاره‌ها با روش اختلاف منظر.

البته در سال ۲۰۱۴ ناسا اعلام کرد با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل و تکنیکی جدید توانایی ثبت زاویه‌ی اختلاف منظر تا پنج میلیاردم درجه امکان‌پذیر شده است. با این روش سنجش فاصله‌ی ستاره‌ها تا حداکثر ۷۵ هزار سال نوری ممکن می‌شود.

شمع‌های استاندارد کیهانی

اما این فاصله‌ها در مقیاس نجومی چندان دور محسوب نمی‌شوند. برای تعیین فاصله‌ی اجرام دورتر باید از روش‌های دیگری استفاده کرد که مهم‌ترین‌شان شمع‌های استاندارد کیهانی‌اند. اجرام درخشانی که از بررسی‌های قبلی قدر مطلق (میزان درخشش اجرام آسمانی اگر در فاصله‌ای معین از آن‌ها قرار داشته باشیم) آن‌ها را می‌دانیم. بنابراین اخترشناسان می‌توانند با تعیین قدر ظاهری این اجرام (میزان نوری که ما از روی زمین و با توجه به فاصله‌ای که از جرم داریم می‌بینیم) و با توجه به قدر مطلق‌شان فاصله‌ی این اجرام را محاسبه کنند. حال اگر چنین جرمی در کهکشانی دیگر باشد می‌توانیم این فاصله را به کل آن کهکشان نسبت دهیم.

یکی از این شمع‌های استاندارد کیهانی ستاره‌های متغیر قیفاووسی هستند. نور این دسته از ستاره‌ها به صورت متناوب تغییر می‌کند و بین دوره‌ی تناوب تغییرات نوری و قدر مطلق آن‌ها رابطه‌ی مشخصی وجود دارد. این روش از دهه‌ی ۱۹۲۰ میلادی مورد استفاده قرار می‌گیرد و ادوین هابل با استفاده از همین روش به یکی از مهم‌ترین اکتشافات تاریخ علم اخترشناسی دست یافت. در آن زمان اخترشناسان گمان می‌کردند کهکشان آندرومدا یک سحابی داخل کهکشان راه شیری است و او با بررسی چند ستاره‌ی متغیر در این کهکشان فاصله‌ی این کهکشان را محاسبه کرد و نشان داد که سحابی آندرومدا در واقع کهکشانی خارج از راه شیری است. تا آن زمان تصویر می‌شد که راه شیری تنها کهکشان عالم است.

اما علاوه بر متغیرهای قیفاووسی شمع‌ استاندارد کیهانی دیگری نیز وجود دارد که در سال‌های اخیر کمک زیادی به تعیین فاصله‌ی اجرام بسیار دوردست کرده است. پدیده‌ای که با عنوان ابرنواخترهای نوع اول (Type Ia Supernovas) شناخته می‌شود. این پدیده در ستاره‌های دوتایی و در زمانی که یک ستاره‌ی کوتوله‌ی سفید مواد را از ستاره‌ی بزرگ‌تری به خود جذب می‌کند اتفاق می‌افتد. با افزایش جرم کوتوله‌ی سفید این ستاره در نهایت ناپایدار می‌شود و با انفجاری بسیار عظیم به ابرنواختر تبدیل می‌شود. از آن جا که این فرآیند به خوبی مطالعه شده و انفجار کوتوله‌ی سفید در زمان رسیدن جرم آن به حد مشخصی اتفاق می‌افتد، قدر مطلق ابرنواخترهای نوع اول تا حد خوبی مشخص‌شده است.

طرحی گرافیکی از چگونگی ایجاد ابرنواخترهای نوع اول.
Credit: NASA/CXC/M Weiss

در حال حاضر ابرنواخترهای نوع اول دقیق‌ترین شمع‌های کیهانی‌اند و اخترشناسان توانسته‌اند با بهره‌گیری از آن‌ها فاصله‌ی کهکشان‌های دوردستی را که ۱۳/۲ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارند اندازه‌گیری کنند.

ابرنواخترهای نوع اول نقش بسیار مهمی در یکی از مهم‌ترین اکتشافات علم اخترشناسی در سال‌های اخیر، یعنی انرژی تاریک، داشته‌اند. در سال ۱۹۹۸ دو گروه پژوهشی جداگانه فاصله‌ی کهکشان‌های دوردست را با کمک ابرنواخترهای نوع اول اندازه‌گیری کردند و به این نتیجه رسیدند که عالم نه‌تنها منبسط می‌شود، بلکه شتاب انبساط عالم افزاینده نیز است. اتفاقی که دور از انتظار دانشمندان بود و عامل آن را اکنون به نام انرژی تاریک می‌شناسیم. چیزی که هنوز اطلاعات دقیقی از آن به دست نیاورده‌ایم. محققان ارشد این دو پژوهش در سال ۲۰۱۱ موفق به دریافت جایزه‌ی نوبل نیز شدند.

روش‌های ذکرشده در کنار دیگر روش‌های سنجش فاصله‌ی اجرام آسمانی به ما کمک می‌کنند تا دقت اندازه‌گیری را بالا ببریم و با استفاده‌ی هم‌‌زمان از آن‌ها قابل اعتماد بودن هر کدام را مورد سنجش قرار دهیم.

از فروشگاه آسمان شب دیدن کنید

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.