[Zohreh Gholami]

ستاره شناسی مادون قرمز و ستارگان جدید

«مادون» در لغت به معناي زير دست و «قرمز» به معناي هر چه به رنگ خون باشد، است. پس مي‌توان گفت که مادون قرمز اشعه بسيار ريز و قرمز رنگ است. کشف «هرسل» نخستين گام در ايجاد پديده‌‌اي است که ما آن را «طيف الکترومغناطيسي» مي‌ناميم. نور مريي و پرتوهاي مادون قرمز دو نمونه اشکال فراواني از انرژي هستند که توسط تمامي اجسام موجود در زمين و اجرام آسماني تابانده مي‌شوند. مادون قرمز در طيف الکترو مغناطيسي داراي محدوده طول موجي بين 78/0 تا 1000 ميکرومتر است. فقط با مطالعه اين تشعشعات است که مي‌توانيم اجرام آسماني را تشخيص و تميز دهيم و تصويري کامل از چگونگي ايجاد جهان و تغييرات آن بدست آوريم. در سال 1800 «سر ويليام هرشل» يک نمونه نامريي از تشعشعات را کشف کرد که اين نمونه دقيقاً زير بخش قرمز طيف مريي قرار داشت. او اين شکل از تشعشعات را «مادون قرمز» ناميد.

همه اجرام آسماني مقداري اشعه مادون قرمز از خود ساطع مي‌‌کنند ولي به اين دليل که بخار آب بخش‌هاي زيرين جو زمين اين اشعه را جذب مي‌‌کند، بنابراين براي يافتن آن بايد تلسکوپ‌ها در ارتفاعات روي ماهواره‌ها نصب شوند. ستاره‌شناسان مي‌توانند با سنجش اشعه مادون قرمز، اجرامي را مشاهده کنند که ابرهاي متراکم غبار نظير سحابي جبار که محل تولد ستارگان است، آنها را احاطه کرده‌اند. آنها همچنين مي‌‌توانند حلقه‌هاي گازي پيرامون ستارگان که محل تشکيل سيارات هستند را رصد کنند. ستاره‌شناسي مادون قرمز هنوز عصر طلايي خود را مي‌‌گذراند و در کارآيي هزينه‌‌هاي صرف شده با تمامي شاخه‌‌هاي ديگر ستاره شناسي، رقابت مي‌‌کند. علاقه و اهميت به آن از هزينه‌هاي نسبتاً کم آن ناشي مي‌شود. مادون قرمز در حوزه گسترده‌اي از حدود 3‏X1011 ‎‏ سيکل بر ثانيه در سمت فرکانس‌هاي پايين تا حدود 3.75‏X1014 ‎‏ سيکل بر ثانيه در طرف فرکانس‌هاي بالا گسترده است. تابش مادون قرمز در قسمت بيشتر اين پهنه نمي‌‌تواند آزادانه به جو زمين نفوذ کند. ليکن چند نوار فرکانس محدود که به «پنجره» معروف هستند وجود دارد که از آن طريق تابش نسبتاً به راحتي نفوذ مي‌‌کند.

ستاره‌شناسان نام‌هاي ‏Q , Z , N , M , L , K , H‏ را به اين نوارها نسبت مي‌دهند. مدت‌ها قبل «دبليو - هرشل» (‏W. Herschel‏) ثابت کرد که حرارت واقعاً شکلي از تابش است. هرشل فقط يک آشکار ساز بسيار ابتدايي براي اين گونه تابش‌هاي مادون قرمز در اختيار داشت، يعني يک دماسنج ساده.

تا دو دهه اخير، پيشرفت زيادي در ستاره‌شناسي مادون قرمز حاصل نشده بود زيرا تا قبل از پيشرفت الکترونيک جديد (پي آمد کاربرد عملي ايده‌‌هاي مکانيک کوانتومي) هيچ روش مناسبي براي آشکار سازي و اندازه گيري تابش مادون قرمز در دسترس نبود. تأثير تابش مادون قرمز به بلورها، عنوان روش جديدي براي آشکارسازي مادون قرمز است. وقتي بلورها حرارت ببينند همواره خواص فيزيکي آنها تا حدودي تغيير مي‌‌کند. مسأله در آشکار سازي تابش مادون قرمز، يافتن بلور ويژه‌اي است که خواص الکتريکي آن به صورت بسيار حساس، حتي به ازاي حرارت بسيار کم تغيير کند. تاکنون هيچ بلور تکي که قادر به کار در تمامي حوزه طول موج‌هاي مادون قرمز باشد يافت نشده است.

ستاره‌شناسان مادون قرمز، چند برتري غير قابل رقابت بر ستاره‌شناسان در رشته‌رهاي ديگر دارند. از آنجا که طول موج‌هاي تابش مادون قرمز بلندتر از تابش نور مريي هستند، لزومي ندارد که دقت تلسکوپ‌هاي آنها در حد دقت بالاي تلسکوپ‌هاي ستاره‌شناسي باشد که با نور مريي کار مي‌‌کنند و نور خورشيد که توسط جو زمين پراکنده مي‌‌شود، آن قدر بر مشاهده آنها اثر نمي‌گذارد که بر نورهاي مرئي. از اين رو ستاره‌شناسان مادون قرمز اغلب مي‌‌توانند هم در مدت روز و هم در طول شب، مشاهدات سودمندي انجام دهند. در مقابل مزاياي فوق، اين عيب وجود دارد که بلورها بايد در دماي بسيار پاييني نگه داشته شوند تا براي کار، حساسيت کافي داشته باشند. مسأله ديگري که براي ستاره‌شناسان مادون قرمز پيش مي‌‌آيد و آن اين که گازهاي جو، خود تابش مادون قرمز هم در شب و هم در روز گسيل مي‌‌کنند. اين تابش که از جو زمين مي‌‌رسد، به تلسکوپ وارد مي‌شود و در گرم کردن بلور آشکار ساز نقش دارد و از اين طريق يک علامت ناخواسته به وجود مي‌آيد. براي به حداقل رساندن اين مشکل تلسکوپ‌ها را بر فراز کوه‌هاي مرتفع قرار مي‌دهند تا مقداري از جو (به ويژه مقدار بخار آب آن) که در بالاي تلسکوپ‌ها قرار مي‌گيرد، کاهش يابد. تابش مادون قرمز رسيده از آسمان به طور کامل يکنواخت نيست و گراديان درخشندگي آسمان موجب دشواري‌هايي مي‌‌شود.


ستاره‌شناسي مادون قرمز و حضور ستارگان جديد
فهرستي از 5612 منبع تابش مادون قرمز که در سال 1969 ميلادي از سوي «لايتون» و «نيوگبار» به چاپ رسيد موجب تعجب بيشتر ستاره‌شناسان شد. اين بررسي توسط تلسکوپي (مادون قرمز) که خودشان ساخته بودند و در طول موج 2/2 ميکرون کار مي‌‌کرد انجام شد. ستاره‌شناسان انتظار داشتند که در اين بررسي، تعدادي ستاره بسيار سرخ را شامل باشد اما در عمل، منابع به هيچ جسم مريي ارتباطي نداشتند. نخست گمان مي‌‌رفت که منابع ابرهايي از گاز و غبار هستند که از راه متراکم شدن، يعني از طريق فشرده شدن از طريق گرانش تا دماهايي حدود‏‎ K500 ‎ گرم شده‌‌اند ولي به زودي روشن شد که انرژي موجود در تعداد زيادي از اين قبيل اجسام، بسيار زيادتر از آن است که گرم شدن ابرها بتواند منشأ رانش داشته باشد. فقط اجسامي که دسترسي به انرژي هسته‌اي دارند مي‌‌توانند به اندازه بسياري از منابع تابش مادون قرمز که توسط لايتون و نيوگباور کشف شدند، با سخاوت هر چه تمام‌تر انرژي گسيل کنند. پر انرژي‌ترين اين منابع ابري داراي ‌تابندگي‌هاي مادون قرمز از مرتبه يک ميليون بار بزرگ‌تر از انرژي خروجي يک ستاره نوعي مانند خورشيد هستند. به عبارتي يک چيز بسيار استثنايي و غير معمول کشف شده بود.


مادون قرمز در کهکشان‌ها
گسيل‌هاي مادون قرمز کهکشان‌ها شباهت‌هاي به گسيل امواج از کهکشان‌هاي راديويي دارند.‏‎ ‎کهکشان‌هايي که گسيل‌کنندگان بسيار قوي امواج راديويي هستند، گسيل‌کنندگان قوي تابش مادون قرمز نيز هستند. درست همان گونه که منطقه گسيل شديد امواج راديويي، دسته‌‌هاي مرکزي کهکشان‌هاي راديويي هستند، گسيل مادون قرمز قوي نيز از يک هسته مرکزي کوچک مي‌‌آيد. تابش مادون قرمز ممکن است با فرآيند «سنکروترون» که به گسيل شديد کهکشان‌هاي راديويي منجر مي‌‌شود، توليد شود. اين يک ويژگي فرآيند سنکروتون است که محدوده گسترده‌اي از فرکانس‌ها را توليد مي‌کند و در اجسامي همچون سحابي خرچنگ از امواج راديويي يا فرکانس کم تا نور مريي و پرتوهاي ايکس و گاما که فرکانس بالاتري دارند ادامه مي‌‌يابد.

هسته‌‌هاي مادون قرمز مرکزي در مقايسه با اندازه خود کهکشان‌ها بسيار کوچک هستند اما از هسته‌‌هاي راديويي بسيار بزرگتر هستند. در حالي که هسته‌‌هاي راديويي حداکثر فقط چند سال نوري قطر داشتند، قطر هسته‌هاي مادون قرمز حدود 200 سال نوري بود.

تابش گرم مي‌‌تواند ناشي از ذرات ريز غبار باشد که در هسته‌‌هاي مرکز کهکشان‌ها به طور چگال متمرکز هستند. يک استدلال بر عليه پيشنهاد فوق اين بود که گسيل مادون قرمز نيز مانند گسيل نور از اجسام شبه ستاره‌اي از لحاظ زماني متغير است. يک ابر غبار به قطر 200 سال نوري قطعاً نمي‌توانست آن تغييرپذيري را که ادعا مي‌‌شد کهکشان‌هاي مادون قرمز دارا ‌باشند از خود نشان دهد. با تحقيقاتي که انجام شد ترديدي جدي نسبت به اين اين تغييرپذيري برانگيخت و اکنون گمان مي‌‌رود که غبار واقعاً محکم‌ترين مولد تابش مادون قرمزي است که از کهکشان‌ها به ما مي‌‌رسد. احتمال دارد که در اينجا نيز تابش سنکروترون دخالت داشته باشد ولي به طور مستقيم و غبار در هسته‌‌هاي مرکزي کهکشان‌ها هم نورمريي و هم فرکانس‌هاي بالاتر را که ممکن است توسط فرآيند سنکروترون در خود مرکز کهکشان‌ها توليد شود، جذب کنند. غبار فقط فرکانس‌هاي بالاتر را به تابش مادون قرمز تنزل مي‌دهد و آن را گسيل مي‌‌دارد و ستاره‌شناسان مادون قرمز همين تابش را مشاهده مي‌کنند.

‏
کاربردهاي ستاره‌شناسي مادون قرمز
ستاره‌شناسي مادون قرمز هم در اجسام کوچک (سيارک‌ها) و هم در اجسام بزرگ (کهکشان‌ها) کاربرد دارد. از بسيار بزرگ‌ها به بسيار کوچک‌ها، از کهکشان‌ها به سيارک‌ها. سيارک‌ها اجسام کوچکي هستند که مانند سيارات به دور خورشيد حرکت مي‌‌کنند و به اين دليل اغلب با نام «سياره‌هاي خرد» از آنها ياد مي‌‌شود. بيشتر آنها در منطقه‌اي بين مريخ و مشتري قرار دارند و اندازه‌‌هاي آنها بين چند متر تا صد کيلومتر متغير است.

مسأله مورد بحث تعيين قطر سيارک‌هاي بزرگ بود، انجام اين کار با روش‌هاي نوري بسيار دشوار بود، زيرا حتي سيارک‌هاي بزرگ نيز در تلسکوپ نور به صورت يک قرص کوچک ديده مي‌شوند. با استفاده از داده‌‌هاي مربوط به ستاره‌شناسي مريي و مادون قرمز و نتايج حاصل از آنها مي‌‌توانند رابطه بين قطر سيارک‌ها و همچنين کسري از نورتابي به آنها از خورشيد (ضريب بازتاب) را پيدا و هر مؤلفه را به صورت مجزا به دست آورند. قطرهاي مادون قرمز جديدي که بدست مي‌‌آيند اثر جالبي بر چگال‌هايي که براي سيارک‌ها محاسبه مي‌شوند و واقعيت‌ها روشن‌تر مي‌شوند.