کشف گایا مبنی بر متغیر بودن نسبت جرم ستاره‌ای، قوانین ۵۰ ساله شکل‌گیری ستارگان را بازنویسی می‌کند

وقتی مردم می‌خوانند که یک کهکشان دوردست حاوی یک میلیارد ستاره است، عموماً فرض می‌کنند که ستاره‌شناسان آن‌ها را شمرده‌اند. در واقعیت، هیچ تلسکوپی نمی‌تواند ستارگان کم‌نور و کم‌جرمی را که بخش عمده یک کهکشان دوردست را تشکیل می‌دهند، تفکیک کند.

در عوض، ستاره‌شناسان تعداد معدود ستارگان پرجرم و فوق‌العاده درخشان را می‌شمارند و آن عدد را در یک ثابت ریاضی مشخص ضرب می‌کنند. این فرض—که جهان همیشه نسبت دقیقاً یکسانی از ستارگان پرجرم به ستارگان کوچک تولید می‌کند—بیش از نیم قرن است که سنگ بنای اصلی اخترشناسی کهکشانی بوده است.[6]

این ثابت ریاضی به عنوان تابع جرم اولیه (IMF) شناخته می‌شود. IMF که اولین بار توسط اخترفیزیکدان ادوین سالپیتر در سال ۱۹۵۵ رسمی شد، حکم می‌کند که به ازای هر ستاره آبی پرجرم و درخشانی که در یک ابر گازی در حال فروپاشی متولد می‌شود، جهان به طور قابل اعتمادی صدها کوتوله سرخ کوچک‌تر و کم‌نورتر تولید می‌کند.

از آنجایی که شمارش ستارگان کوچک در خارج از همسایگی کیهانی نزدیک ما غیرممکن بود، این حوزه به سادگی توافق کرد که IMF را به عنوان یک قانون جهانی در نظر بگیرد. اگر خروجی نور ستارگان بزرگ را می‌دانستید، IMF جرم پنهان ستارگان کوچک را به شما می‌گفت.[1][2]

تیترهای خبری اخیر با هیجان ادعا کرده‌اند که داده‌های جدید «قوانین فیزیک» مربوط به نحوه شکل‌گیری ستارگان را بازنویسی می‌کنند. واقعیت کمتر در مورد نقض فیزیک و بیشتر در مورد یک ابزار اندازه‌گیری معیوب است. جهان قوانین خود را زیر پا نمی‌گذارد؛ بلکه فرض ۵۰ ساله ما صرفاً ابزاری بسیار خام و ناکارآمد بوده است.

تحلیل جدید داده‌های فضاپیمای گایا متعلق به آژانس فضایی اروپا ثابت می‌کند که IMF اصلاً یک ثابت جهانی نیست. در عوض، نسبت جرم ستاره‌ای به طور قابل توجهی بسته به محیط محلی که ستارگان در آن متولد می‌شوند، تغییر می‌کند.[1][6]

مأموریت گایا با هدف صریح برچیدن IMF آغاز نشد. این فضاپیما به عنوان یک رصدخانه دقیق اخترسنجی (Astrometry) ارسال شد که برای نقشه‌برداری از موقعیت‌های دقیق، فواصل و حرکات تقریباً دو میلیارد ستاره در کهکشان راه شیری طراحی شده بود. اما این دقت بی‌سابقه به محققان توانایی جدیدی داد: قدرت تفکیک ستارگان کم‌جرم منفرد در ده‌ها زایشگاه ستاره‌ای مختلف در سراسر کهکشان ما، که به آن‌ها اجازه می‌داد به جای صرفاً فرض کردن، محاسبات را عملاً بررسی کنند.[2][4]

یک تیم تحقیقاتی به رهبری ستاره‌شناسان دانشگاه میسوری از این قابلیت برای بررسی ۱۱۰ خوشه ستاره‌ای باز در کهکشان راه شیری استفاده کردند. خوشه‌های باز آزمایشگاه‌های عالی برای این آزمایش هستند، زیرا از ستارگانی تشکیل شده‌اند که تقریباً در یک زمان و از یک ابر مولکولی دقیقاً یکسان شکل گرفته‌اند. با بررسی این خوشه‌های متمایز، تیم توانست نسبت‌های تولد ستاره‌ای محیط‌های مختلف را مستقیماً مقایسه کند.[1][5]

برای جداسازی نسبت تولد اولیه از اثرات زمان، محققان بر «جرم شکست» (Break Mass) تمرکز کردند—نقطه خاصی در توزیع جرم یک خوشه که در آن تعداد ستارگان به اوج خود می‌رسد و سپس کاهش می‌یابد.

در طول میلیون‌ها سال، خوشه‌های ستاره‌ای دستخوش تکامل دینامیکی می‌شوند؛ ستارگان پرجرم به صورت ابرنواختر منفجر می‌شوند و ستارگان کوچک از گروه به بیرون پرتاب می‌شوند. با این حال، مدل‌های ریاضی نشان می‌دهند که این فرآیندهای پیری، جرم شکست بنیادی را تغییر نمی‌دهند. اگر IMF واقعاً جهانی بود، جرم شکست باید در هر ۱۱۰ خوشه یکسان می‌بود.[1][2]

اما یکسان نبود. داده‌های گایا نشان داد که جرم شکست به طور قابل ملاحظه‌ای از خوشه‌ای به خوشه دیگر تغییر می‌کند. نسبت ستارگان پرجرم به کم‌جرم اساساً متفاوت بود و به سن خوشه و شرایط خاص ابر گازی که از آن شکل گرفته بود، بستگی داشت. خوشه‌های قدیمی‌تر، که میلیاردها سال پیش زمانی که گاز کهکشان راه شیری خواص متفاوتی داشت متولد شده‌اند، دستورالعمل ستاره‌ای کاملاً متفاوتی نسبت به خوشه‌هایی که امروزه در حال شکل‌گیری هستند، نشان دادند.[1][2]

این یافته، شواهد فزاینده‌ای را تأیید می‌کند که ماشین‌آلات ستاره‌سازی جهان به شدت به شرایط محلی حساس هستند. یک مطالعه برجسته در سال ۲۰۲۳ که در مجله نیچر منتشر شد، قبلاً نشان داده بود که IMF با فلزینگی (فراوانی عناصر سنگین‌تر از هلیوم) تغییر می‌کند. محیط‌های غنی از عناصر سنگین تمایل دارند نسبت بیشتری از ستارگان کم‌جرم تولید کنند، در حالی که ابرهای گازی بکر و اولیه جهان بیشتر مستعد تولید غول‌های پرجرم هستند.[3][6]

درک این تغییرات محیطی صرفاً یک کار حسابداری برای فهرست‌نویسان کهکشان راه شیری نیست؛ بلکه پیامدهای عمیقی برای مهم‌ترین اسرار کیهان‌شناسی دارد. تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) از زمان آغاز به کار خود، بارها کهکشان‌های «غیرممکن» را در جهان اولیه شناسایی کرده است. این کهکشان‌های با انتقال به سرخ بالا، برای مدت کوتاهی که از بیگ بنگ گذشته بود، بیش از حد پرجرم و بیش از حد کامل به نظر می‌رسند و مدل استاندارد کیهان‌شناسی را تهدید به واژگونی می‌کنند.[1][6]

متغیر بودن IMF یک راه‌حل زیبا و مبتنی بر شواهد برای ناهنجاری‌های JWST ارائه می‌دهد. اگر گاز بکر و متراکم جهان اولیه به طور طبیعی یک IMF «سنگین‌تر» (Top-Heavy) تولید کرده باشد—به این معنی که نسبت بسیار بالاتری از ستارگان پرجرم و درخشان در مقایسه با کهکشان راه شیری امروزی داشته—در این صورت آن کهکشان‌های دوردست در واقع به طور غیرممکنی پرجرم نیستند.

آن‌ها صرفاً به طور غیرعادی درخشان هستند. ستاره‌شناسانی که از IMF قدیمی و جهانی استفاده می‌کردند، به آن نور درخشان نگاه می‌کردند و به اشتباه وجود میلیاردها ستاره کم‌جرم پنهان را فرض می‌کردند که هرگز متولد نشده بودند.[1][2][6]

با اثبات اینکه نسبت جرم ستاره‌ای با محیط تغییر می‌کند، داده‌های گایا به کیهان‌شناسان اجازه می‌دهد تا مقیاس‌های خود را مجدداً تنظیم کنند. کهکشان‌های دیگر قوانین فیزیک را زیر پا نمی‌گذاشتند؛ ما صرفاً آن‌ها را با ابزاری اندازه‌گیری می‌کردیم که فقط برای همسایگی محلی و مدرن ما کالیبره شده بود. تنظیم IMF برای در نظر گرفتن شرایط جهان اولیه، تخمین‌های جرم آن کهکشان‌های JWST را دوباره با مدل‌های استاندارد کیهان‌شناسی همسو می‌کند.[1][5]

با وجود این پیشرفت، عدم قطعیت‌های قابل توجهی در مورد مکانیسم‌های فیزیکی دقیقی که باعث این تغییرات می‌شوند، باقی مانده است. اخترفیزیکدانان اکنون در تلاشند تا دقیقاً مشخص کنند که عواملی مانند دمای گاز، قدرت میدان مغناطیسی و تلاطم محلی چگونه بر تکه‌تکه شدن یک ابر در حال فروپاشی تأثیر می‌گذارند. در حالی که داده‌های گایا ثابت می‌کند که این تنوع وجود دارد، ترسیم فرمول دقیقی که نحوه شکل‌دهی یک محیط خاص به ستارگانش را دیکته می‌کند، سال‌ها رصد بیشتر نیاز خواهد داشت.[2][4]

در نهایت، این کشف نشان‌دهنده بلوغ اخترشناسی کهکشانی است. فرض یک تابع جرم اولیه جهانی، یک ساده‌سازی ضروری در دورانی بود که تلسکوپ‌ها نمی‌توانستند به اندازه کافی واضح ببینند تا خلاف آن را ثابت کنند. اکنون، با مسلح شدن به دقت گایا، این حوزه در حال گذار به یک مدل کیهانی پیچیده‌تر و وابسته به محیط است—مدلی که در آن دستورالعمل یک خوشه ستاره‌ای کاملاً به «آشپزخانه‌ای» که در آن پخته شده، بستگی دارد.[1][6]