ستارگان دو تایی

 مقدمه :

      همه ی انسان ها پیام های سری را دوست دارند. این پیام ها می توانند پیام های سری در جوهر نامرئی باشند . ممکن است در حروف تصویری نا خوانای قدیمی یا دستگاه های کیهان شناسی در آثار تاریخی مثل استون هنج معنی وجود داشته باشد. شاید این یکی از دلایلی باشد که اختر شناسان ستارگان دوتایی ( ستارگان دوتایی (مزدوج) عبارتند از دو ستاره که در آسمان بسیار نزدیک به یکدیگر به نظر می رسند و به دور یکدیگر میگردند ) را خیلی جذاب می دانند . به درستی کشف شده است که پیام های آنها اطلاعاتی مثل جرمهای ستارگان را می دهد که به هیچ طریق دیگری نمی توان یافت .

     در این مقاله با ستارگان دوتایی و تعدادی از انواع مختلف آنها  آشنا می شویم . برخی از این ستارگان به سادگی قابل مطالعه اند ، بعضی نتایج بهتری در اختار ما می گذارند و تعدادی معمول ترند .اما در هر صورت باید به خاطر داشته باشیم که معما در حرکت مداری مخفی شده است .  

هدف از مطالعه ی ستارگان دوتایی :

        ستارگان دوتایی مهم ترین منابع برای تعیین جرم ستارگان هستند . ما درهنگام رصد ستارگان (حتی با بزرگ ترین و قوی ترین تلسکوپ ها ) ، چیزی که جرم ستاره را به ما بگوید نمی یابیم . هیچ راهنما و اطلاعاتی در تابندگی ، دما ، رنگ یا طیف ستاره وجود ندارد که جرم ستاره را به ما بدهد . تنها با مطالعه ی جفت ستارگانی که بدور یکدیگر می گردند ، می توانیم جرم ستارگان را پیدا کنیم . مدار ها تحت تاثیر گرانی ستارگان هستند و این گرانی به مقدار جرم ستارگان بستگی دارد . بدین ترتیب ، مدار ها شامل سررشته هایی برای جرم ها هستند .

      عملکرد ستارگان دو تایی مشخص نیز سررشته هایی از منظر ستارگان را دارد و این مطلب به همراه جرم ، مدارک مهمی در باره ی شکل و تحول ستارگان را به ما می دهد . وقتی به جرم ستارگان نظر بیفکنیم ، الگویی را که  در نمودار H-R پنهان شده است ، کشف می کنیم و زمانی که به چگالی ماده در ستارگان نظر می افکنیم ، الگوی متفاوتی را پیدا می کنیم . بدون این اطلاعات از ستارگان دو تایی هرگز نمیتوانیم معمای تحول ستاره را آشکار کنیم .

·        دوتایی های مرئی :

     حتی با تلسکوپ های کوچک هم می توانیم صدها ستاره دوگانه ، جفت ستارگان نزدیک به هم را مشاهده کنیم . برخی از آنها دوتایی های مرئی اند ؛ جفت ستارگانی که به طور فیزیکی با هم ارتباط دارند . بدین ترتیب که به دور هم می گردند . همان گونه که ماه و زمین به دور مرکز ثقل مشترکی به نام مرکز جرم می گردند . به این ستارگان مزدوج غیر بصری نیز می گویند . به ندرت ستارگان دوتایی از یک ستاره نزدیک و یک ستاره دورتر که فقط به نطر می رسد به هم مربوط اند (دوتایی نوری) ، تشکیل شده اند .

     دوتایی نوری ، عبارت است از دو ستاره که در واقع دور از یکدیگراند ولی اتفاقاً چنان واقع شده اند که که وقتی از زمین به آن ها نگاه میکنیم ، هر دو تقریباً دریک جهت از دید قرار گرفته اند . در واقع در یک خط واقع شدن آن دو امری است اتفاقی و این دو از جهت فیزیکی کاری به یکدیگر ندارند .به طور واضح ، این دوتایی های نوری به دور یکدیگر نمی گردند . به این ستارگان مزدوج بصری نیز می گویند و اگرچه در نجوم جدید چندان اهمیتی ندارند ، اما کشف آنها تقریباَ از دو قرن پیش آغاز شده است . (تصویر ضمیمه 1 و2)

      برای مثال دو ستاره ی معروف در صورت فلکی دب اکبر وجود دارد به نام های «عناق» و «سها» که نزدیک به هم به نطر می رسند ولی در واقع هیچ نسبتی با هم ندارند وتنها از دید ما در یک خط قرار گرفته اند .

(تصویر ضمیمه 3)

مشاهده دوتایی های مرئی :

      در دوتایی های مرئی ستارگان معمولاَ به اندازه چند ثانیه قوسی از یکدیگر دورند و با دوره تناوبی که چندین دهه طول می کشد به دور هم میگردند .به این دلیل که ستارگان خیلی به هم نزدیک اند ، اندازه گیری مواضع آنها به طور دقید کار مشکلی است . با این حال چون دوره تناوب آنها ، ستاره شناسان می توانند در طول سال ها اندازه گیری های زیادی انجام دهند و سپس میانگین نتایج را به دست آورند .

اگر یک دوتایی مرئی را مشاهده کنیم ، ممکن است بخواهیم دوری و جدایی بین ستاره ها را بر حسب ثانیه ی قوسی و نیز موضع ستاره ها را با در نظر گرفتن خط شمال- جنوب اندازه بگیریم . این عمل را می توانیم با کشیدن یک خط از ستاره ی پر نورتر به ستاره ی کم نور تر انجام دهیم و زاویه ای را که این خط با خط شمال- جنوب می سازد ، اندازه بگیریم . این زاویه زاویه ی موضع نامیده می شود و همیشه از شمال به طرف شرق ستاره ی کم نور تر اندازه گرفته می شود .

       در دهه های نه چندان دور فضا نوردان زاویه ی موضع و دوری دو ستاره را به طور مستقیم توسط تلسکوپ با استفاده از وسیله ای به نام فیلامیکرومتر اندازه می گرفتند . اما منجمان جدید دوتایی های مرئی را با عکس گرفتن از ستاره ها و سپس اندازه گیری صفحه ی عکاسی اندازه می گیرند  سپس داده ها را برای به دست آوردن نقشه ی مدار رسم رسم می کنند .

      عکس، حرکت ستاره ی کم نور تر در ارتباط با ستاره ی پر نور تر را نشان می دهد . به این دلیل آن را مدار نسبی ظاهری می گوییم . مدار نسبی ظاهری در برگیرنده ی سررشته هایی از شکل مدار واقعی می باشد . برای پیدا کردن مدار نسبی واقعی ، باید مدار نسبی ظاهری را بچرخانیم . اگر یک مجموعه ی دوتایی مرئی را مشاهده ومدار نسبی واقعی آن را پیدا کنیم ، با استفاده از قوانین ساده ی فیزیکی می توانیم جرم کل مجموعه را به دست آوریم .     (تصویر ضمیمه 4)

دوتایی های مرئی مشهور :

       ستاره ی شعرای یمانی (Sirius) ، درخشان ترین ستاره ی آسمان ،یک نمونه ی مهم از ستارگان دوتایی مرئی است. این ستاره اصالتاً به عنوان یک دوتایی نجوم سنجی کشف شده است ؛ اگر چه مولفه ی کوتوله ی سفید ضعیف آن که بعداَ کشف شد ، مرئی می باشد . (تصویر ضمیمه 5)

دجاجه نیز یک صورت فلکی جالب توجه در مورد ستارگان دوتایی می باشد . (تصویر ضمیمه 6)

·        دوتایی های نجوم سنجی :

       یک دوتایی زمانی دوتایی نجوم سنجی نامیده می شود که یکی از ستاره ها برای دیدن بسیار کم نور باشد . این ستاره ها رابطه ی نزدیکی با ستاره های دوتایی مرئی دارند . مرکز جرم یک سیستم دوتایی در مسیر مستقیم حرکت می کند ، اما ستارگان در حالی که به دور مرکز جرم می گردند ، مسیر های موجی شکلی را طی می کنند. بدین ترتیب میتوانیم از از روی حرکت درست ستارگان به دور مرکز جرم ، دوتایی های نجوم سنجی را تشخیص دهیم. اما جرم آنها را نمی توان محاسبه کرد . مگر آنکه هر دو ستاره قابل رویت باشند واغلب یک ستاره دارای نور کافی برای رویت می باشد . (تصویر ضمیمه 7)

·       دوتایی های طیفی:  

       اگر ستاره های یک منظومه ی دوتایی خیلی به هم نزدیک باشند ، که به طور مجزا مرئی باشند ، تلسکوپ تنها یک نقطه ی نورانی را به ما نشان می دهد . تنها با در نظر گرفتن یک طیف که از نور دو ستاره تشکیل شده است ،گاهی اوقات می توانیم بگوییم که دو ستاره وجود دارد نه یکی ؛ یک چنین منظومه ای دوتایی طیفی نامیده می شود . همچنان که ستاره های ستاره های یک دوتایی طیفی به دور مرکز جرمشان می گردند، آن ها متناوباً از زمین دور و نزدیک می شوند . انتقال های دوپلری^* باعث می شود تا خطوط طیفی شان در عرض یکدیگر به جلو و عقب حرکت کنند . دوتایی های طیفی به دو دسته تقسیم می شوند : دوتایی های طیفی دو خطی و دوتایی های طیفی تک خطی . (تصویر ضمیمه 8)

دوتایی های طیفی دو خطی :

       اگر ستاره های یک دوتایی طیفی تقریباً روشنایی یکسان داشته باشند ، قادر خواهیم بود تا خطوط طیفی هر دو ستاره را ببینیم . یک چنین دوتایی هایی ، دوتایی طیفی دوخط نامیده می شوند .

در این ستارگان همچنان که یک ستاره به سوی ما می اید ، خطوط طیفی اش به سمت آبی انتقال دوپلری می یابد . ستاره ی دیگر در حال دور شدن از ما می باشد و خطوط طیفی آن به سمت قرمز منتقل می شود . (تصویر ضمیمه 9)

دوتایی طیفی تک خط :

      اگر یکی از ستاره ها در یک دوتایی طیفی بسیار ضعیف باشد ، قادر نخواهیم بود شکل های طیفی آن را در طیف سیستم ببینیم چنین دوتایی هایی یک دوتایی طیفی تک خط نامیده می شود ؛ زیرا تنها یک مجموعه ی منفرد از خطوط در طیفش نمایان می باشد .

اگر ما طول موج های خطوط مرئی را همچنان که ستاره ی روشن تر مرکز جرم را دور می زند ، اندازه گیری کنیم ، آنها را نخست درحال انتقال یافتن به طرف قرمز و سپس به طرف آبی می یابیم . (تصویر ضمیمه 10)

کاربرد دوتایی های طیفی :

      کاربرد دوتایی های طیفی ممکن است به نظر برسد که دوتایی های طیفی غیر مفید می باشند ؛ زیرا نه سیستم های دو خطه نه تک خطه نمی توانند به ما جرم جرم های ستاره ای را بگویند .گرچه تجزیه و تحلیل آماری دوتایی های طیفی می تواند نتایج مفیدی بدهد.

^{*پدیده دوپلری : تغییر در طول موج تابش که وابسته به حرکت شعاعی نسبی منبع و ناطر است .}

     برای نمونه اگر ما داده هایی از دو جین دوتایی طیفی شامل ستارگان نوع A داشته باشیم ، ممکن است فرض کنیم که مدارها به طور اتفاقی کج شده و از داده ها متوسط می گیریم . تعدادی از مدارها از نیمرخ وتعدادی از بالا خواهند بود . اگر ما این مجموعه ی حدهای پایین تر را به وسیله ی سیستم های مختلف ترکیب می کردیم ، آن ها می توانستند یک تخمین خوبی از جرم های ستارگان نوع A را به ما بدهند .

·        دوتایی های گرفتی :

        در بین ستاره های دوتایی کمیاب ، ستاره هایی هستند که مدار کج دارند ؛ به طوری که این ستاره ها در جلوی یکدیگر حرکت می کنند . از زمین به نظر می رسد این دوستاره قابل تفکیک نمی باشند ؛ یعنی آنها تنها مانند یک نقطه ی نور به نظر می رسند ، ولی هنگامی که یک ستاره از جلوی دیگری عبور می کند ، بخشی از نور گرفته می شود و ما این سیستم را به عنوان یک دوتایی گرفتی می شناسیم.

محاسبه ی جرم ستارگان در دوتایی های گرفتی :

        جرم ستارگان را در یک سیستم گرفتی در صورتی می توانیم پیدا کنیم که طیف های آن ها را که نمایش دهنده ی انتقالات دوپلری دو ستاره است ، داشته باشیم . ما نمی توانیم انتقالات دوپلری را تنها برای یافتن جرم تجزیه و تحلیل کنیم ؛ زیرا میل را نمی دانیم ؛ ولی منحنی نوری می تواند به ما بگوید که چه قدر مدارها کج شده اند .

       ما می دانیم مدار هایی را می بینیم که که تقریباَ نیمرخ هستند یا به هیچ وجه گرفتی ها را نمی بینیم و شکل گرفتی ها به ما می گوید که در صورتی مدار ها دقیقاً نیمرخ هستند که کمی متمایل باشند . اگر میل مدار را بدانیم ، ما می توانیم از منحنی سرعت شعاعی برای به دست آوردن سرعت های مداری و تجزیه و تحلیل سیستم شبیه یک دوتایی طیفی تک خط ، استفاده کنیم . در این حالت به این خاطر که میل را می دانیم ، می توانیم جرم های واقعی ستارگان را پیدا کنیم .

دوتایی های گرفتی مشهور :

       الغول (آلگول یا بتا پرسی) یکی از مشهورترین دوتایی های گرفتی است ، زیرا گرفتی هایش با چشم غیر مسلح مرئی است . معمولاً قدر آن 1/2 است و هنگامی که گرفتی هایش حدود ده ساعت طول می کشد ، روشنایی آن به قدر 4/3 کاهش می یابد . این کاهش حدود 68 درصد است و به سادگی برای چشم غیر مسلح ، مرئی است .

(تصویر ضمیمه 11)

       تعداد دیگری از ستارگان روشن ، دوتایی های گرفتی اند. ستاره ی بتا شلیاق دوتایی گرفتی ویژه ای با دوره ی تناوب 9/12 شبانه روز است . ستاره ی دیگر ، اپسیلون ارابه ران ، دارای دوره ی تناوب مداری06/27 سال و زمان گرفتی های آن 700 شبانه روز طول می کشد .

جرم و چگالی ستاره ای :

       تمام بحث ما در باره ی ستارگان دوتایی به یک هدف تنها ، هدفمند شده است . ما می خواهیم جرم ستارگان را بدانیم . ستارگان دوتایی با معماهایی رو به رو شده اند و تعداد زیادی از ستاره شناسان در مطالعه شان متخصص شده اند ؛ اما مواجه شدن یا نشدن ، دوتایی ها برای بحث بحرانی هستند ، زیرا آن ها طریق پیدا کردن جرم ستارگان را به ما نشان می دهند .

       دانستن جرم و قطر یک ستاره تنها کار کوچکی است . فقط هنگامی که ما داده ها را برای تعداد زیادی از ستارگان به کار می بریم ، ما شروع به مشاهده ی یک الگو می کنیم . این الگو به تدریج ما را در فهم این که چگونه ستارگان متولد و مسن می شوند و چگونه می میرند ، راهنمایی می کند که بررسی این الگو خارج از بحث این مقاله است.