محاسبه سن ستارگان با تلسکوپ فضایی رومن ناسا

خبرگزاری علم و فناوری آنا،‌ مریم فخیمی؛ شاید حدس سن اشخاص برای ما یک سرگرمی جالب باشد، اما تعیین سن ستارگان برای اخترشناسان یک چالش واقعی است. هنگامی که ستاره‌ای مانند خورشید به مرحله بلوغ زندگی خود برسد، در طی میلیاردها سال تغییر چندانی نمی‌کند؛ اما دوره چرخش ستاره یعنی سرعت چرخش آن یک استثنا است. تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن ناسا با اندازه‌گیری دوره‌های چرخش صدها هزار ستاره، درک جدیدی از زندگی و تراکم ستارگان کهکشان راه شیری به ارمغان خواهد آورد.

ستاره‌ها در حالی که به سرعت می‌چرخند متولد می‌شوند. با این حال، ستارگانی با جرم خورشید یا کمتر ازآن به تدریج در طی میلیاردها سال از سرعت خود خواهند کاست. این کاهش سرعت ناشی از واکنش بین جریانی از ذرات باردار معروف به بادهای ستاره‌ای و میدان مغناطیسی ستاره است. این واکنش‌ها گشتاور زاویه‌ای را از بین برده و باعث می‌شود که ستاره آهسته‌تر بچرخد، دقیقاً مانند یک اسکیت باز روی یخ که وقتی دستان خود را باز می‌کند، سرعتش کاهش می‌یابد.

این اثر که ترمز مغناطیسی نامیده می‌شود بسته به قدرت میدان مغناطیسی ستاره متفاوت است. ستاره‌هایی که سریع‌تر می‌چرخند میدان‌های مغناطیسی قوی‌تری دارند که باعث می‌شود سرعت چرخش آن‌ها با سرعت بیشتری کاهش یابد. به دلیل تأثیر این میدان‌های مغناطیسی، پس از حدود یک میلیارد سال ستاره‌هایی با جرم و سن یکسان با سرعتی تقریبا برابر خواهند چرخید. بنابراین، اگر جرم و سرعت چرخش یک ستاره را بدانید، به طور بالقوه می توانید سن آن را تخمین بزنید. با دانستن سن جمعیت بیشتری از ستارگان، می‌توانیم چگونگی شکل‌گیری و تکامل کهکشان را در طول زمان مطالعه کنیم.

محاسبه سرعت چرخش ستاره‌ها

اخترشناسان چگونه سرعت چرخش یک ستاره دور را اندازه می‌گیرند؟ آنان به دنبال تغییرات در روشنایی ستاره به کمک لکه‌های ستاره‌ای هستند. لکه‌های ستارگان، مانند لکه‌های روی خورشید، سردتر و تیره‌تر از دیگر بخش‌های سطح ستاره هستند. هنگامی که یک لکه ستاره‌ای در معرض دید قرار گیرد، نور ستاره کمی کمتر از زمانی است که آن لکه در سطح ستاره قرار ندارد.

اگر فقط یک لکه بزرگ روی سطح ستاره قرارداشته باشد، با چرخش ستاره، مکان لکه تغییر کرده، و رصدگر الگوی منظمی از کاهش و افزایش نور ستاره را مشاهده می‌کند. اما ممکن است ده‌ها لکه در سطح یک ستاره پراکنده باشد، از طرفی اندازه لکه‌ها در طول زمان تغییر می‌کند و باعث می‌شود که تشخیص سیگنال‌های دوره‌ای تغییرات نور ستاره بسیار دشوارتر شود.

استفاده از هوش مصنوعی

تیمی از اخترشناسان در دانشگاه فلوریدا در حال توسعه تکنیک‌های جدیدی هستند که دوره چرخش ستاره را توسط اندازه‌گیری‌ روشنایی آن در طی زمان استخراج کند. بدین منظور پروژه تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن ناسا به کمک آنان خواهد آمد.

آن‌ها از نوعی هوش مصنوعی به نام شبکه عصبی پیچشی برای تجزیه و تحلیل نمودارهای روشنایی یک ستاره در طول زمان استفاده خواهد کرد. برای انجام این کار، ابتدا شبکه باید روی منحنی‌های نور شبیه‌سازی شده آموزش ببیند. زاخاری کلایتور، دانشیار فوق دکتری دانشگاه فلوریدا و محقق اصلی این پروژه، برنامه‌ای به نام «باترپی/butterpy» را برای تولید چنین منحنی‌های نوری نوشت.

کلایتور گفت: «این برنامه به کاربر امکان می‌دهد تعدادی متغیر مانند سرعت چرخش ستاره، تعداد لکه‌ها و طول عمر لکه را وارد برنامه کند. سپس برنامه محاسبه می‌کند که چگونه لکه‌ها هنگام چرخش ستاره پدیدار شده، تکامل یافته، ازبین می‌روند. این برنامه تکامل لکه‌ها را به یک منحنی نور تبدیل می‌کند - چیزی که ما از دور آن را رصد و اندازه‌گیری می‌کنیم.»

این تیم قبلاً شبکه عصبی آموزش دیده خود را روی داده‌های تلسکوپ فضایی تس ناسا اعمال و آزمایش کرده است.

نقشه‌بردار ستاره‌ای رومن

تلسکوپ فضایی رومن، داده‌های صدها میلیون ستاره را از طریق بررسی دامنه زمانی برآمدگی کهکشان جمع‌آوری می‌کند.

توضیح تصویر: تصویرساختگی از برآمدگی کهکشان راه‌شیری

 به این منظور رومن به سمت مرکز کهکشان راه‌شیری – منطقه‌ای مملو از ستارگان - نگاه خواهد کرد تا اندازه‌گیری کند که روشنایی چه تعداد از این ستارگان در طول زمان تغییر می‌کنند. این محاسبات، انجام تحقیقات علمی متعدد، از جستجوی سیارات فراخورشیدی دور تا تعیین نرخ چرخش ستارگان را ممکن می‌سازد.

تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن (Nancy Grace Roman Space) که به اختصار NGRST، نامیده می‌شود یک تلسکوپ فضایی فروسرخ متعلق به ناسا است که در سال ۲۰۱۰ توسط کمیته نقشه‌برداری دهه‌ای وابسته به شورای پژوهش ملی ایالات متحده آمریکا به عنوان اولویت اصلی در اخترشناسی در دهه آینده پیشنهاد شد.

این پروژه در ۱۷ فوریه ۲۰۱۶ به عنوان یک مأموریت توسط ناسا طراحی شد و پیش‌بینی می‌شود در سال ۲۰۲۷ به فضا پرتاب شود.

این تلسکوپ در مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا و با مشارکت آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا و موسسه علمی تلسکوپ فضایی در بالتیمور، و یک تیم علمی متشکل از دانشمندان مختلف مدیریت می‌شود.