30 فروردین ماه 1388 (مطلب شماره 109)
تمامی اجرامی که در آسمان جای دارند؛ شامل ستارگان، سیارات، کهکشان ها و ...، آنچنان در فواصل دوری از ما قرار گرفته اند که عملاً مغز ما قادر به تشخیص اختلاف فاصله دقیق آنها نیست و بنابراین همه آنها را اشتباهاً در یک فاصله تصور می کنیم. در حالیکه می دانیم سیارات نسبت به ستارگان و ستارگان نسبت به کهکشان ها به مراتب به ما نزدیک ترند؛ اما چگونه ستاره شناسان فاصله دقیق هر کدام از این اجرام را تا زمین مورد محاسبه قرار می دهند؟

ماموریت GAIA، عظیم ترین پروژه آتی در زمینه محاسبه فاصله تا ستارگان نزدیک است که احتمالاً در سال 2011 به فضا پرتاب خواهد شد و قرار است تا فاصله حدود 1 میلیارد ستاره را با دقت بالایی محاسبه کند

محاسبه فاصله اجرام آسمانی، با متدهای مختلفی صورت می گیرد که هر کدام از آنها، کاربری خاص خود را داشته و تا فواصل معینی کارآمد است. به همین منظور، ستاره شناسان از مفهومی موسوم به نردبان فاصله (Distance Ladder) بهره می برند؛ به این معنا که برای محاسبه فاصله اجرام بسیار دوردست سماوی، ابتدا باید پله به پله و با بکارگیری روش های مختلف، فواصل نزدیکتر را محاسبه کرد. پس در اینجا به ترتیب از پله های این نردبان بالا می رویم و این روش ها را مورد بررسی قرار می دهیم. 

قدم اول : سیارات
برای محاسبه فاصله سیارات نزدیک، از ارسال و دریافت امواج راداری و محاسبه مدت زمان سیر این امواج مابین زمین و جرم مورد نظر استفاده می شود. نمونه معروف آن، محاسبه فاصله ماه تا زمین است. در جریان ماموریت های آپولو 11، 14 و 15 (مطلب شماره 53)، فضانوردان، آرایه ای از سطوح بازتاب کننده را در سطح ماه قرار دادند که پس از آن با ارسال سیگنال های لیزری از زمین، فاصله بسیار دقیق ماه تا زمین مورد محاسبه قرار گرفت.

سطح بازتاب کننده ای که جهت محاسبه فاصله ماه تا زمین در جریان ماموریت آپولو-14 بر روی سطح ماه نصب گردید/عکس از : آرشیو آپولو-ناسا

در مورد سیارات دورتر، از قانون سوم کپلر استفاده می شود. طبق این قانون، مجذور دوره چرخش هر سیاره به گرد خورشید، تقریباً با مکعب فاصله اش تا خورشید برابر است. با محاسبه دوره چرخش، می توان براحتی فاصله سیارات دور دست را نیز محاسبه نمود.

قدم دوم : ستارگان نزدیک
انگشت سبابه یکی از دستانتان را روبروی چشمانتان قرار دهید. حال یک چشم را ببندید و مکان ظاهری انگشت نسبت به پشت زمینه را به خاطر بسپارید. حال با چشم دیگر چنین کاری را انجام دهید. متوجه خواهید شد که انگشت، نسبت به پشت زمینه حرکت کرده است؛ در حالیکه در حقیقت انگشتتان را ثابت نگه داشته بودید. به این پدیده اختلاف منظر می گویند و با دانستن زاویه مابین خط دید دو چشم خود نسبت به انگشت، خواهید توانست فاصله چشمانتان تا انگشت را محاسبه کنید. برای محاسبه فاصله ستارگان نزدیک نیز از چنین روشی استفاده می شود؛ با این تفاوت که اینبار به جای آنکه با دو چشم خود این آزمایش را انجام دهیم، از دو موضع مختلف زمین در مدارش، حرکت یک ستاره نزدیک نسبت به ستارگان دوردست پشت زمینه را مورد بررسی قرار می دهیم. تصویر پایین بخوبی نحوه محاسبه فاصله ستارگان نزدیک بروش اختلاف منظر را نمایش داده است. 

تصویری اغراق آمیز از نحوه محاسبه فاصله ستارگان نزدیک به روش اختلاف منظر. همانگونه که در تصویر مشاهده می شود، مکان ستاره مورد نظر، به فاصله زمانی 6 ماه نسبت به ستارگان زمینه مشخص می شود که در این مدت، زمین خطی در حدود 300 میلیون کیلومتر (دو برابر فاصبه زمین تا خورشید) را می پیماید. طراحی از : احسان سنایی

زاویه اختلاف منظر ستارگان بسیار اندک است بطوریکه برای نزدیک ترین ستاره به ما (آلفا-قنطورس - مطلب شماره 66)، این زاویه تنها 0.000194 درجه است! ماموریتی موسوم به هیپارخوس متعلق به سازمان فضایی اروپا ESA، در مدت 5 سال توانست فاصله حدود 118,000 ستاره را با دقت بالایی از این روش بدست آورد. اما برای ستارگان دوردست تر، این زاویه آنقدر کوچک می شود که عملاً قادر به محاسبه آن نیستیم و بایستی به فکر روش دیگری بود. 

قدم سوم : ستارگان دور دست و کهکشان های نزدیک
قدم بعدی، استفاده از نوع خاصی از ستارگان، موسوم به شمع های استاندارد است. در مطلب شماره 48، گفتیم که درخشندگی واقعی یک ستاره با معیاری به نام قدر مطلق بیان می شود. برای مثال هر چند خورشید از دید ما ستاره ای بسیار درخشان است، اما اگر آن را در فاصله استانداردی قرار دهیم و سپس درخشندگی آن را محاسبه کنیم، درخواهیم یافت که از بسیاری ستارگان آسمان هم کم نورتر است چراکه عملاً فاصله این ستارگان از ما بسیار دورتر بوده و درصد کمی از نور آنها را دریافت می کنیم.
با دانستن این قانون که هرچه فاصله یک جسم نورانی از ما افزایش یابد، نورانیت آن به میزان مجذور همان مقدار کاهش می یابد، می توانیم فاصله تا ستارگان دوردست را به این روش بدست آوریم : گروهی از ستارگان در کهکشان ما و نیز در سایر کهکشان ها وجود دارند که با دوره تناوب مشخصی، میزان نورانیتشان تغییر می کند. دانشمندان دریافتند که رابطه مستقیمی مابین دوره تناوب این ستارگان و درخشندگی ذاتی آنها وجود دارد. به این ترتیب با محاسبه دوره تناوب درخشندگی آنها خواهند توانست درخشندگی ذاتی و درنهایت با مقایسه آن با درخشندگی ظاهری؛ فاصله ستاره را از ما محاسبه کنند. دانشمندان موفق شده اند فاصله بسیاری از کهکشان های نزدیک را با استفاده از این ستارگان (که به قیفاووسی ها معروفند)، بدست آورند.  

قدم چهارم : کهکشان های نسبتاً دوردست
دانشمندان همچنین دریافته اند که درخشندگی ذاتی کهکشان های مارپیچی (مطلب شماره 96)، با سرعت چرخش آنها به دور خودشان در تناسب مستقیم است. با استفاده از این رابطه که به رابطه تولی-فیشر موسوم است، می توان با مقایسه درخشندگی ظاهری و ذاتی این کهکشان ها، به فاصله آنها پی برد. در مورد گروه دیگری از کهکشان ها موسوم به کهکشان های بیضوی که بازو نداشته و بصورت گوی های عظیمی از ستارگان پیرند؛ رابطه ای مشابه، موسوم به رابطه فِیبِر-جسکون برقرار است که می توان فاصله آنها را نیز به آسانی به دست آورد.
درباره کهکشان های نسبتاً دوردست، نوع خاصی از انفجارهای ستاره ای موسوم به "ابرنواخترهای نوع Ia" نیز بسیار کارآمد است. در رابطه با مکانیسم انفجارهای ستاره ای از این دست، در روزهای آینده بیشتر خواهیم گفت اما ستاره شناسان دریافته اند که هرچه مدت زمان مابین اوج درخشندگی این انفجارها (که معمولاً نادرند اما آنچنان پرنورند که براحتی در زمینه کهکشان های دوردست قابل تشخیصند) و محو شدنشان با مرور زمان، بیشتر باشد، درخشندگی ذاتی آنها نیز بیشتر است. به این ترتیب، این انفجارها نیز معیارهای مناسبی برای تشخیص فاصله اند. 

تصویری از یک انفجار ستاره ای (ستاره درخشان در پایین و سمت چپ تصویر) در کهکشانی دیگر. دانشمندان با آنالیز تغییرات نوری این رویداد، می توانند فاصله تا کهکشان مورد نظر را محاسبه کنند/ عکس از : هابل

قدم پنجم : دورترین کهکشان های کیهان
برای محاسبه فاصله دورترین کهکشان ها، از قانونی موسوم به قانون هابل استفاده می شود. طبق این قانون، هرچه کهکشانی از ما فاصله بیشتری داشته باشد، با سرعت بیشتری نیز در حال دورشدن از ماست. ستاره شناسان با تحلیل طیف این کهکشان ها قادرند سرعت گریزشان (که به دلیل انبساط جهان است) را محاسبه کرده و در نتیجه فاصله آنها را نیز بدست آورند.
در این مطلب، اجمالاً به اکثر روش های محاسبه فاصله تا اجرام آسمانی اشاره شد. در روزهای آینده بیشتر در رابطه با ستارگانی همچون قیفاووسی ها و نیز انفجارهایی چون ابرنواخترهای نوع Ia، خواهیم گفت.

***