عناصر تشکیل دهنده کیهان و ستارگان

کِیهان (به انگلیسی: Cosmos) در کلی ترین تعریفش، یک سامانهٔ بسامان و هماهنگ است. کیهان شناسی شاخه ای از دانش فیزیک است که به شناخت پیدایش و فرگشت کیهان می پردازد.

کیهان چیست ؟

از جمله سوالاتی که پس از مشاهده اجرام آسمانی در شب به ذهن ما می رسد این است که کیهان چیست و اجزای کیهان کدام است، سرانجام کیهان چه خواهد شد و آیا بزرگتر از کیهان وجود دارد یا خیر. در واقع خورشید، زمین و دیگر سیارات منظومه شمسی، ستارگان و فضای بین آنها، تمام کهکشان ها و هر چیز دیگری که در آسمان ها وجود دارد، همه و همه جزئی از کیهان هستند. کیهان علاوه بر موارد ذکر شده در بردارنده سنگ های بزرگ و کوچک، غبار، یخ و گاز به میزان فراوان نیز می باشد.

فلسفه کیهان

گفته شده است که فیثاغورس اولین فیلسوفی بوده است که اصطلاح Kāheykeŝān به عنوان جهان را به کار برده است، و شاید اشاره به آسمان پرستاره داشته است.

سن و اندازه کیهان

اندازه قطر و سن کل کیهان ناشناخته است. اما با توجه به نظریه های علمی، ۱۳٫۷ میلیارد سال پیش آغاز شد، اندازه قطر جهان هستی که در حال حاضر قابل مشاهده است گمان می رود که در حدود ۹۳ میلیارد سال نوری باشد.

بزرگتر از کیهان چیست؟

به نوعی شاید کیهان را بتوان بزرگترین مجموعه تشکیل دهنده جهان هستی معرفی کرد اما شاید یک پاسخ جامع تر این باشد که جهان هستی یا گیتی بزرگتر از کیهان و بعد از کیهان می باشد و کیهان نیز جزئی از گیتی می باشد. گیتی دربردارنده زمان و فضا و تمام مواد تشکیل دهنده مرئی و نامرئی آن است و اندازه گیری دقیق و کامل گیتی کاری غیر ممکن و محال است.

خارج از کیهان چیست؟

اگر تصور کنیم کیهان جزئی از گیتی به شمار می رود، می توان اینگونه گفت که خارج از کیهان، اگر هر جهان دیگری نیز وجود داشته باشد، آن جهان ها نیز باز هم در داخل گیتی جای گرفته اند. در واقع کیهان ما یک جهان در یک مجموعه چند جهانی است که در حال گسترش، نزدیک شدن و یکی شدن است.

آیا اندازه کل کیهان قابل محاسبه می باشد ؟

ستاره شناسان از کهکشان ها و ستاره ها اطلاعات خوبی در دسترس دارند و اندازه گیری جرم ستاره ها و کهکشان ها و تخمین جرم و اجزای کیهان برای آنها بسیار ساده است، اما آیا می توان برای تخمین وزن و اندازه کلی کیهان و یا قسمت مرئی آن از علم نجوم و ستاره شناسی استفاده کرد؟ در ابتدا به شما گفتیم که معنی کیهان چیست و کیهان از چه اجزایی تشکیل شده است، حال قصد داریم به این سوال پاسخ دهیم که اندازه کل کیهان قابل اندازه گیری است یا خیر؟ برای اندازه گیری وسعت کل کیهان ما ابتدا باید اجزای تشکیل دهنده آن را به خوبی بشناسیم، چرا که با اندازه گیری جزء به جزء اجزای کیهان می توان به یک مقدار احتمالی دست یافت و وسعت تقریبی کیهان را محاسبه کرد. منجمان و کیهان شناسان تا بحال پاسخ واضحی به این سوال که آیا میتوان وسعت کل کیهان را اندازه گرفت یا خیر، نداده اند چرا که به نظر می رسد جهان مرئی وزنی ندارد. با نگاهی به چگونگی اندازه گیری جرم کیهان سعی می کنیم تا متوجه شویم که روشی که برای اندازه گیری جرم اجرام آسمانی در نظر گرفته شده صحیح است یا خیر.

نحوه اندازه گیری وسعت کیهان

در واقع CMB یا پس زمینه امواج ریز کیهانی، در اثر انفجار بزرگ big bang پدید آمده است. در اصل CMB به میزان گرمایی گفته می شود که از همه کیهان ساطع می شود و قابل اندازه گیری است و مقدار آن به طور میانگین 7/2 درجه کلوین است. عوامل مختلفی بر روی گرمای کیهان تاثیر دارد اما به طور کلی کیهان گرمایی متوازن در تمام نقاط خود دارد و فقط اجرام آسمانی هستند که دمای متفاوتی نسبت به یکدیگر دارند. برای اندازه گیری وسعت کیهان با جمع کردن وزن همه اجزای موجود در قسمت مرئی می توان به یک عدد تقریبی دست یافت. البته عدد به دست آمده فقط 5% از جرم کیهان خواهد بود و پرسشی که مطرح می شود این است که 95% باقی مانده جرم کیهان در کجا قرار دارد. دانشمندان و کیهان شناسان بر این باورند که 95% باقی مانده جرم کیهان به ماده تاریک و انرژی تاریک اختصاص دارد.

ساختار کیهان

به طور کلی اجرامی که در کیهان غیر قابل مشاهده اند را ماده تاریک می نامند. ماده تاریک می تواند قابل اندازه گیری نیز باشد. علاوه بر این انرژی های قابل اندازه گیری، سایر انرژی های غیر قابل اندازه گیری و نور نیز در ساختار کیهان وجود دارند که به مجموعه آنها انرژی تاریک می گوییم.

• عناصر سنگین

به طور کلی 3 درصد جرم کیهان را عناصر سنگین به خود اختصاص داده اند. در حدود نیم میلیارد سال بعد از تشکیل کیهان، تنها عناصر هیدروژن و هلیم یافت می شدند و تا زمان پدید آمدن ستاره ها عناصر سنگین تری وجود نداشتند. در پایان عمر ستاره ها، انفجار ابرنواختری باعث پراکندگی تمام عناصر تشکیل دهنده ستاره ها در فضا می شود. در نتیجه عناصر پراکنده شده توانایی تشکیل ستاره، سیاره و دیگر اجرام آسمانی جدید را دارا هستند. پس هر بار که ستاره ای متلاشی می شود، عناصر متلاشی شده آن به آهستگی می توانند در نقطه ای دیگر از کیهان به یکدیگر بپیوندند و ستاره یا سیاره ای جدید را تشکیل دهند.

• نوترینوها

نوترینوها که 0.3 درصد از جرم کیهان را تشکیل می دهند، در زمان به وجود آمدن ستاره ها در هسته ستاره تشکیل می شوند. نوترینوها تقریبا جرمی ندارند و معمولا با سرعت نور جابجا می شوند. نوترینوها به صورت جفت بوده و بار ندارند و به همین دلیل واکنشی با ذرات دیگر نیز انجام نمی دهند. با استفاده از اندازه گیری میزان به هم پیوستن هسته های ذرات خورشید و سایر ستاره ها میتوانیم مقدار حدودی نوترینوها در کیهان را به دست آوریم.

• ستاره ها

ستاره ها 0.4 درصد از جرم کیهان را در بر می گیرند. در آسمان شب ستاره ها به طور پرشماری دیده می شوند. آنچه که ما در آسمان شب میبینیم در واقع ستاره ها نیستند بلکه نوری است که از آنها به ما میرسد. ستاره ها تنها بخش اندکی از کهکشان ما را تشکیل می دهند.

• گازها

تقریبا 4 درصد از جرم کیهان را گازها اشغال کرده اند. با جمع جرم گازها متوجه می شویم که جرم گازها بسیار بیشتر از ستاره ها بوده و عموما گازها فضای بین ستاره ها و کهکشان ها را در بر می گیرند. هلیوم و هیدروژن دو عنصر تشکیل دهنده گاز بین ستاره ای هستند. گاز بین ستاره ای بیشترین جرم کیهانی قابل اندازه گیری می باشد. این گازها قابل مشاهده نیستند اما می توان با استفاده از ابزار های حساس به امواج رادیویی و امواج اشعه ایکس و مادون قرمز آنها را تشخیص داد.

• ماده تاریک

برای بررسی این موضوع که اجزای تشکیل دهنده کیهان چیست به بخش مهم ماجرا می رسیم. تقریبا 22 درصد از جرم کیهان را ماده تاریک یا ماده سیاه تشکیل داده است. با توجه به مطالعات و تحقیقات کیهان شناسان، گازها و گرد و خاک های موجود در کهکشان ها برای توصیف آنچه که در کیهان وجود دارد کافی نیستند. حدود 80 درصد از جرم کهکشان ما از موادی که نمی توان آنها را با امواج رادیویی یا امواج نوری و اشعه گاما اندازه گیری کرد، تشکیل شده است. این مواد، مواد تاریک نام دارند. ماده تاریک از اجرامی سرد و تاریک تشکیل شده که شکل آن شبیه ذرات نوترینو اما جرم آن خیلی بیشتر از جرم آنهاست. مواد تاریک معمولا سنگین و غیر قابل واکنش می باشند و از واکنش های گرمایی که در آغاز تشکیل کهکشان ها رخ داده، ایجاد شده اند. به دلیل اینکه این ماده تاریک غیر قابل شناسایی است اطلاعات چندان دقیقی از ماهیت آن به دست نیامده است.

• انرژی تاریک

انرژی تاریک یا انرژی سیاه بخشی است که بیشترین جرم کیهان یعنی 73 درصد آن را در بر گرفته است و اطلاعات کمی از آن در دسترس است. ممکن است انرژی سیاه جرم حجمی پایینی داشته باشد و نمایانگر بعد زمان فضا باشد اما این جرم در عین ناشناخته بودن میتواند میدان هایی از انرژی را تشکیل دهد که همه کیهان را فرا گرفته اند. هرچند که این نظریات بر پایه فرضیات اخترشناسان می باشد و انرژی سیاه ممکن است هیچکدام از موارد بالا نباشد. اطلاعات کافی و لازمی از انرژی تاریک در دسترس نیست و زمان زیادی برای کسب اطلاعات بیشتر درباره این ماده ناشناخته لازم است.

سرانجام کیهان چه خواهد شد؟

برخی از کیهان شناسان اینگونه بیان می کنند که کهکشان ها همواره از یکدیگر فاصله می گیرند و دور می شوند و کیهان همواره در حال گسترش است. برخی دیگر از آنها نیز بر این باورند که کهکشان ها همواره به سمت یکدیگر حرکت می کنند و امکان برخورد آنها وجود دارد. اینکه سرانجام کیهان چه خواهد شد، سوالی است که شاید پاسخ دادن به آن آسان نباشد و کیهان شناسان بر این باورند که هرچه میزان اطلاعات به دست آمده درباره ماهیت انرژی تاریک و ماده تاریک افزایش یابد، میتوان تخمین دقیق تری از سرانجام کیهان برآورد کرد.

همه چیز در مورد ستارگان

در حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش، تمامی کیهان ما کره بسیار چگال و فشرده ای بود. شرایط در چنین جهان نوباوه ای آنچنان داغ بود که تقریباً با شرایط درون هسته یک ستاره برابری می کرد. به عبارت دیگر، کل کیهان ما همانند یک ستاره بود و تنها برای زمان مختصری که جهان در چنین شرایطی به سر می برد، فرآیندهای گرما هسته ای، هیدروژن را به همان نسبتی که امروز می بینیم، به هلیوم تبدیل کردند. جهان شروع به انبساط کرد و سردتر شد، و سرانجام هیدروژن و هلیوم موجود در کیهان تا نقطه ای سرد شدند که در حقیقت نیروی گرانشی مابین آنها بر دافعه گرمایی غلبه کرده و بدین ترتیب توده های گازی آغاز به فشرده شدن کردند. به این ترتیب نخستین ستارگان متولد شدند. نخستین ستارگان، بسیار عظیم الجثه بودند و احتمالاً در همان چند میلیون سال پس از تشکیلشان، در جریان انفجارهای ابرنواختری از میان رفتند. در طول حیاتشان و در زمان مرگشان، این نخستین ستارگان، مقادیری عناصر سنگینتر که امروز در زمین می بینیم – همانند اکسیژن، کربن، طلا و اورانیوم – را در درونشان تولید کردند و پس از مرگشان در فضا پخش کردند. ستارگان از زمان تشکیل جهان، ساخته شده اند، در واقع طبق محاسبات اخترشناسان، هر ساله ۵ ستاره جدید در کهکشان راه شیری متولد می شود. برخی از آنها عناصر سنگین تر بیشتری را که در ستارگان پیشین تولید شده بود، در درونشان دارند که به چنین ستارگانی، ستارگان غنی از فلز می گویند. بقیه، فلزات کمتری را در ساختار درونیشان دارند که به آنها ستارگان فقیر از فلز می گویند. اما با این وجود، نسبت عناصر سازنده در تمامی ستارگان تقریباً مشابه است.

شناخت ستارگان از روی طیف آنها

خورشید که در مرکز منظومه شمسی می سوزد ۱۵۰ میلیون کیلومتر با زمین فاصله دارد. بعد از آن نزدیکترین ستاره به زمین کوتوله سرخی است بنام پروکسیما قنطورس که ۴ سال نوری یا ۴۰ هزار میلیارد کیلومتر با ما فاصله دارد. از زمانی که رابرت انیس در سال ۱۹۱۵ در رصدخانه کیپ آفریقای جنوبی این ستاره را کشف کرد مطالب زیادی درباره ی آن آشکار شده است. اعتقاد بر این است که پروکسیما قنطورس با مجموعه دوتایی ستاره ای آلفا و بتا قنطورس که در کنارش قرار دارد بخشی از یک سیستم سه ستاره ای هستند و گرچه با چشم غیر مسلح نمی توان آنها را دید اما اندازه گیری جرم و قطر و میزان درخشندگی آنها طی ۱۰۰ سال گذشته امکان پذیر بوده است. با وجودی که تنها راه ارتباط ما با ستارگان همسایه زمین نوری است که از آنها به ما می رسد توانسته ایم اطلاعات بسیاری درباره ی آنها بدست آوریم. چون نوری که از آنها به زمین می رسد دارای ویژگی های عناصر تشکیل دهنده آنهاست. این امر با توجه به یکی از خصوصیات جالب عناصر امکان پذیر شده است.

چگونه به کمک ستاره قطبی جهت یابی کنیم؟