پایان جهان چگونه خواهد بود؟

پایان ستارگان

ما اکنون در دوره ای زندگی می کنیم که کیهان شناسان نام دوران درخشندگی را بر آن نهاده اند، دورانی که جهان پر از ستارگان، نور و گرما است. هر سال یک کهکشان بزرگ همانند کهکشان راه شیری ما تعداد زیادی ستاره جدید تولید می کند و هر نسلی مشعل فروزان را از نسل پیشین به دست می گیرد.

اما از نظر شکل گیری ستارگان، جهان ما دوران نخستین خود را پشت سر گذاشته است. شکل گیری ستارگان تقریبا ده میلیارد سال پیش به نقطه اوج خود رسید و از آن پس روند نزولی داشته است. دلیل این کاهش شگفت پرتو عالم، این است که ما در یک جهان در حال انبساط زندگی می کنیم. کیهان هر روز بزرگتر می شود. اما میزان ماده موجود در جهان ثابت باقی می ماند، بنابراین تمام این ماده به آهستگی در حجم بزرگتر و بزرگتری توزیع می شود.

برای ساخته شدن یک ستاره، ماده باید به حجم های نسبتا کوچکی متراکم شود، بنابراین همچنانکه جهان ما پیرتر می شود، فرصتهای کمتر و کمتری برای تشکیل ستاره در دسترس خواهد بود.

سخن گفتن از آینده دنیا با هر میزانی از دقت دشوار خواهد بود اما می توان تخمین هایی کلی زد. کیهان ما در حال حاضر 13.77 میلیارد سال سن دارد و کهکشان ها برای سالهای مدیدی به ساخت ستاره ادامه خواهند داد. اما در نهایت، تقریبا یک تریلیون سال بعد، آخرین ستاره متولد خواهد شد.

آن ستاره احتمالا یک ستاره قرمز کوتوله خواهد بود که تنها کسری از جرم خورشید ما را داراست. کوتوله های قرمز عمری طولانی دارند و به کندی ذخیره هیدروژن خود را در گداخت هسته ای مصرف می کنند. تقریبا 100 تریلیون سال بعد، آخرین نور نیز خاموش خواهد شد.

کیهان متروک

با به پایان رسیدن آهسته دوران درخشندگی، جهان ماهیت خود را تغییر خواهد داد. با عمر فعلی کیهان، حباب قابل مشاهده ما – که توسط دورترین اشیای قابل مشاهده تعریف می شود – تقریبا 90 میلیارد سال نوری پهنا دارد. حجم موجود در این قطر، تقریبا شامل دو تریلیون (دو هزار میلیارد) کهکشان است.

نه تنها جهان ما در حال انبساط است، بلکه این انبساط شتاب افزاینده دارد. عامل این شتاب افزاینده انبساط عالم که در دهه 1990 کشف شده و به انرژی تاریک موسوم شد، نهایتا دید ما از دوردست های عالم را با پرده ای خواهد پوشاند.

ما هنوز دوردست ترین کهکشان ها را می توانیم ببینیم، زیرا آنها نور خود را مدتها پیش بازتابانده اند، زمانی که به ما بسیار نزدیکتر بوده اند. نوری که حالا در حال تاباندن هستند هیچگاه به ما نخواهد رسید. و از آنجایی که انبساط عالم در حال شتاب یافتن است، مرزهای دیدما رفته رفته نزدیکتر می شود. با گذشت زمان، فاصله ای که فراتر از آن کهکشان ها را نمی توانیم ببینیم به ما نزدیکتر و نزدیکتر می شود.

انبساط عالم باعث می شود دوردست ترین کهکشان ها بسرعت از دید ما برای همیشه خارج شوند. تنها گروه کهکشان های خوشه ما که شامل راه شیری، آندرومدا، تریانگولوم و چند کهکشان اقماری کوتوله هستند در معرض دید ما باقی خواهند ماند زیرا ما توسط گرانش به آنها پای بند شده ایم.

این اتفاق زیبایی نخواهد بود. سه کهکشان خوشه ما نهایتا به شکل یک ابرکهکشان تلفیق خواهند شد و کاملا از هر شیء دیگر در جهان جدا افتاده خواهند بود. به عبارتی در جهان خود تنها باقی خواهیم ماند.

حتی این ابرکهکشان نیز به تدریج تجزیه می شود. تعاملات تصادفی باعث پراکنده شدن ستارگان منفرد می شود و آنها را به مدارهای اتفاقی می راند و بالاخره در دام ابرسیاهچاله مرکز کهکشان خواهند افتاد. پس از 10²⁰ تا 10³⁰ سال، هیچ دستگاه پیچیده ای باقی نمی ماند و تمام اجرام بزرگ بصورت جزایری دورافتاده در دریای از تاریکی بی انتها خواهند بود.

تبهگن ها

در این غایت، کهکشان به آهستگی تجزیه شونده ما شبیه شکل امروزی نخواهد بود. ستارگان مدتها پیش از اینکه کهکشان ما تجزیه شود از میان رفته اند. در عوض، مرگ آخرین ستاره شروع دوران تبهگن را رقم می زند، غایت جهان ما که کوینتریلیون ها سال (هر کوینتریلیون سال برابر یک میلیارد میلیارد سال است) به خود اختصاص خواهد داد.

سیارات مجزا تا این دوران باقی خواهند ماند اما تمامی منابع داخلی گرمای خود را از دست می دهند. همچنین سیارکها، ستارگان دنباله دار و سایر تکه های سیارکی یا خرده ریز فضایی باقی خواهند ماند. بزرگترین ستارگان به ستارگان نوترونی و سیاهچاله تبدیل می شوند. ستارگانی مانند خورشید ما به کوتوله سفید تبدیل می شود. کوتوله های قرمز با از دست دادن قابلیت گداخت هسته ای به کوتوله های سیاه تبدیل می شوند، اجرام ستاره ای فاقد نور عجیبی که هنوز در عمر جهان ما یک نمونه از آنها به وجود نیامده است.

واکنش های کوانتومی تصادفی نهایتا و به آهستگی این اجرام بزرگ مقیاس را تجزیه خواهند کرد. ستارگان مرده اتمهای خود را از دست داد و پس از تقریبا 10⁶⁵ سال دیگر اثری از اجرام بزرگ در دنیا باقی نخواهد ماند.

سیاهچاله ها آخرین اجرام باقیمانده خواهند بود. اما آنها نیز بتدریج به تاریکی مطلق خواهند گرایید. یک فرایند کوانتومی بسیار عجیب به نام تابش هاوکینگ تمام سیاهچاله ها را مجبور به تابش آهسته انرژی و ذرات از خود می کند. این فرایند در اوج ناکارامدی است زیرا تقریبا هر سال تقریبا یک ذره از آنها صادر می شود. سیاهاله ها با آهنگ بسیار آهسته ای جرم از دست می دهند و پس از 10¹⁰⁰ سال آنها نیز از صفحه روزگار محو خواهند شد.

گرایش به تهی شدن

در پایان پایان کار جهان، پس از اینکه تمامی ستارگان بازمانده صحنه را همراه با سیاهچاله های باقیمانده از آنها ترک کردند، هیچ چیز به غیر از ذرات مجزا در دنیا باقی نخواهد ماند. ما هنوز نمی دانیم آیا پروتونها در این دوره حیات پایدار هستند یا نه. اگر پایدار باشند، پروتونها به عنوان بزرگترین ذرات باقیمانده در جهان به حیات خود  ادامه خواهند داد تا این که پس از 10²⁰⁰ سال آنها نیز متلاشی شوند.

اگر انرژی تاریک همچنان بر جهان تسلط داشته و انبساط جهان ادامه یابد، با آنچه با نام مرگ حرارتی جهان موسوم است مواجه خواهیم شد. دوران حاضر کیهان ما دارای انرژی عظیم و تفاوت های بزرگ حرارتی است اما قوانین تغییرناپذیر ترمودینامیک دیکته می کنند که این تفاوت ها بالاخره از بین خواهند رفت.

جهان – آنچه از آن باقی مانده است- به تعادل دمایی خواهد رسید و هیچ تفاوت حرارتی قابل احساسی باقی نخواهد ماند. و این دما به نزول خود ادامه خواهد داد اما هیگاه کاملا به صفر مطلق نمی رسد. بدین ترتیب هرگونه اثری از حیات از بین خواهد رفت، هرچند عجیب و بیگانه باشد.

و در انتها... چه کسی می داند؟ اولین لحظات مهبانگ مانند رازی برای ما باقیمانده زیرا شرایط آنقدر نهایی اند که از درک فیزیکی موجود ما فراتر می روند. همین امر برای آینده بی نهایت دور نیز صادق است. تمام درک ما از فیزیک برپایه آزمایشات و مشاهدات از حالت فعلی جهان است. ما هی مبنایی برای تعمیم فرایندهای فیزیکی به این آینده بسیار دور نداریم.

چه کسی می داند در آینده سرد و تاریک دنیا چه شگفتی های کوانتومی دست به کار تغییر عالم خواهند بود. شاید ناگهان یک مهبانگ جدید ناگهان از خلا برخیزد و جهان جدیدی از خلال خاکسترهای عالم مرده کهن برخیزد. احتمالی که تقریبا ناچیز است اما وقتی با مقیاس زمانی عظیم آینده محتمل مقایسه می شود حتی غیرقابل باورترین شگفتی ها نیز محتمل می گردد.

یا ممکن است چیزی کاملا غیرقابل انتظار روی دهد، چیزی که حتی زبان بیان آن را اکنون نداریم زیرا بخشی از روش کارکرد جهان امروزین ما نیست. تنها می توان به انتظار گسترش مرزهای دانش بشری ماند تا درک بهتری از این اسرار حادث شود.

نویسنده مقاله: Paul M. Sutter

منبع: Popular Mechanics

اختصاصی وبلاگ دنیای علم و تکنولوژی

حیوانات تا چه اندازه می توانند بزرگ شوند؟

یک نقاشی از آرژنتینوزوروس، احتمالا بزرگترین دایناسوری که تاکنون بر روی زمین زیسته است.

بزرگترین حیوانی که تاکنون بر روی زمین راه رفته است شاید آرژنتینوزوروس باشد، یک تیتانوسور غول آسای 70 تنی که حدود 90 میلیون سال پیش در طی آخرین سالهای دوران کرتاسه می زیسته است. برای مقایسه، سنگین ترین حیوان خشکی امروزین یعنی فیل آفریقایی تنها به حدود شش تن وزن می رسد.

اما آیا حیوانات می توانند از این مقادیر فراتر روند؟ آیا برای رشد حیوانات حدی وجود دارد؟

بزرگترین و سنگین ترین حیوانی که در کره زمین زیسته است والهای آبی هستند که به حدود 120 تن می رسند. حداقل از لحاظ نظری حد غیرقابل تخطی برای این مقدار وجود دارد که توسط قوانین فیزیک اعمال می شود. برای حیوانات روی خشکی این حد 109 تن است. بالاتر از این مقدار پاهای حیوان باید بیش از حد پهن باشد تا بتواند وزن بدنش را تحمل کند در غیر اینصورت حیوان نمی تواند به راحتی راه برود.

قانون مربع-مکعب یک اصل ریاضی است که ابتدا توسط گالیله به این صورت بیان شد: "نسبت بین دو حجم بزرگتر از نسبت میان دو سطح آنها است". به عبارت دیگر با افزایش اندازه یک حیوان، حجم آن سریعتر از مساحت سطح بدنش رشد می کند. بنابراین حیوانات بزرگتر نیاز به ماهیچه های بسیار بزرگتری برای نگهداشتن وزن خود دارند. اگر یک فیل با حفظ نسبت اندازه های بدنش بسیار بزرگتر شود، قانون مربع – مکعب چنین قضاوت خواهد کرد که این فیل زیر وزن خود از هم می پاشد. در حالی که وزن آن به توان 3 افزایش می یابد اندازه ماهیچه های آن تنها با توان 2 افزایش خواهند یافت.

تنها راهی که فیل می تواند بر این محدودیت غلبه کند داشتن پاهایی بطور نامتناسب بزرگ و کلفت است. اما در این حالت ماهیچه های آن بطور نامتناسبی حجیم خواهند شد طوری که توان حرکت دادن آنها را نخواهد داشت.

اما قوانین فیزیک و ریاضیات تنها مانع بزرگ شدن بیش از حد حیوانات نیستند. حیوانات بزرگ نیاز به غذای بیشتر دارند و تنها محیط هایی با مواد غذایی غنی می تواند چنین موجوداتی پرورش دهد.

نیازمندی های غذایی همچنین توضیحی بر این واقعیت هستند که چرا خزندگانی مانند تایتانوزوروس ها بسیار بزرگتر از پستانداران خشکی شدند، زیرا حیوانات خونگرم سوخت و ساز سریعتری دارند و برای نگهداری از یک اندازه بدن مشخص ده بار بیشتر از خزنده خونسرد هم اندازه خود نیاز به غذا دارند. خزندگان با سوخت و ساز آهسته تر و دمای بدن کمتر نیاز به غذای کمتر و کم کالری تری دارند.

واالهای آبی با وزن 120 تن استثنایی در این رابطه بشمار می روند. محیط زیست یگانه آنها که سرشار از مواد غذایی است و نیز نیروی شناوری آب که وزن بدن آنها را متعادل کرده و تنش اضافی بر ماهیچه ها و استخوانهای آنها وارد نمی سازد، امکان رشد آنها تا این مقادیر عظیم را فراهم ساخته است. والها می توانند چندین کیلومتر  برای یافتن غذا در آب سفر کنند.

اسکلت یک وال آبی در موزه تاریخ طبیعی

اما بزرگترین مانع در برابر ابقای جانداران عظیم الجثه، انسانها هستند. انسانها 90 درصد حیوانات بزرگ را با شکار از میان برده اند. فیل آفریقایی، کرگدن و انواع نهنگ ها توسط انسان تا لبه انقراض پیش برده شده اند. تنها در صورت انقراض انسان است که حیوانات عظیم در اثر پدیده تکامل دوباره بر عرصه جهان خاکی پای خواهند گذاشت.

منبع: Live Science

---

تدریس دروس ریاضیات دبیرستان و دانشگاه

توسط مدرس با تجربه با بیش از 25 سال سابقه موفق

09360771981

---

هوش مصنوعی چیست؟

در سالهای اخیر هوش مصنوعی (Artificial Intelligence) به یکی از گفتمان های مسلط تبدیل شده و بسیاری تولیدکنندگان محصولات و خدمات پیشرفته تلاش دارند هوش مصنوعی را در فرآورده های خود بکار گیرند. در بیشتر موارد تنها به یکی از اجزای هوش مصنوعی مانند یادگیری ماشینی اشاره می شود لیکن هوش مصنوعی (AI) نیاز به بنیانی از سخت افزار و نرم افزار تخصصی برای نوشتن الگوریتم های یادگیری ماشینی دارد. زبانهای برنامه نویسی مانند پایتون، R و جاوا برای تولید الگوریتم های AI بسیار متداول هستند.

بطور کلی سیستم های AI با درآشامیدن مقادیر عظیمی داده های برچسب دار یادگیری، تحلیل داده ها برای یافتن روابط و الگوها و استفاده از این الگوها برای پیش بینی وضعیت آینده هستند. بدین روش به یک روبات گفتگو (chatbot) مثالهایی از گفتگوهای متنی خورانده می شود تا بتواند مبادلات کلامی زنده با افراد واقعی انجام دهد، یا یک ابزار تشخیص تصویر با استفاده از هوش مصنوعی و بازبینی میلیونها مثال موجود، می تواند اشیای موجود در تصاویر را شناسایی و توصیف کند.

برنامه نویسی AI بر سه مهارت تشخیصی متمرکز است: یادگیری، استدلال و خوداصلاحی.

فرایندهای یادگیری. این جنبه از برنامه نویسی AI بر تحصیل داده و ایجاد قواعدی برای نحوه تبدیل داده به اطلاعات عملی تمکز دارد. این قواعد که الگوریتم نامیده می شوند، ابزارهایی محاسباتی شامل دستورالعمل هایی برای تعیین نحوه تکمیل یک وظیفه خاص فراهم می نمایند.

فرایندهای استدلال. این جنبه از برنامه نویسی AI به انتخاب الگوریتم درست برای رسیدن به یک نتیجه مطلوب اختصاص دارد.

فرایندهای خوداصلاحی. این جنبه از برنامه نویسی AI برای بهبود پیوسته الگوریتم ها و تضمین اینکه آنها درست ترین نتایج ممکن را فراهم می کنند، طراحی شده است.

اهمیت هوش مصنوعی

هوش مصنوعی از آن جهت مهم است که به شرکتها بینش هایی در مورد عملیات خود می دهد که ممکن است پیشاپیش از آن آگاه نباشند و به این علت که در برخی حالات AI می تواند کارها را بهتر از انسانها انجام دهد. بویژه در مورد کارهای تکراری که جزئیات آنها باید به دقت رعایت شود، مانند تحلیل تعداد زیادی از اسناد حقوقی برای تضمین اینکه به درستی پر شده اند. ابزارهای AI می توانند کارها را سریع و با تعداد اندکی خطا به انجام رسانند.

این ویژگی های AI موجب رشد انفجاری کارایی شده و فرصت های جدیدی را برای شرکتهای تجاری فراهم آورده است. پیش از موج نوین AI، تصور اینکه با استفاده از نرم افزارهای کامپیوتری بتوانند ارتباط متقابلی میان مسافران و تاکسی ها فراهم کنند دشوار بود اما هم اکنون شرکت اوبر یکی از بزرگترین شرکتها در استفاده از هوش مصنوعی برای این منظور شده است. این شرکت از الگوریتم یادگیری ماشینی پیشرفته برای پیش بینی زمان نیاز یافتن افراد به تاکسی در مناطق مختلف استفاده می کند که کمک مهمی برای رساندن رانندگان به خیابانها پیش از اعلام نیاز مسافران است. به عنوان مثالی دیگر، گوگل به یکی از بزرگترین بازیگران در گستره خدمات آنلاین با استفاده از یادگیری ماشینی تبدیل شده است و در این راه از یادگیری ماشینی برای درک نحوه استفاده افراد از خدمات آنها برای ارتقای این خدمات استفاده می کند. در سال 2017 رییس اجرایی شرکت سوندار پیچای، اعلام کرد که گوگل به عنوان یک شرکتی که هوش مصنوعی را مقدم بر همه فرایندهای می داند، فعالیت خواهد کرد.

مزایا و معایب هوش مصنوعی

شبکه های عصبی مصنوعی و فناوری های هوش مصنوعی ژرف بسرعت در حال تکامل هستند زیرا AI حجم عظیمی از داده ها را بسیار سریعتر پردازش کرده و پیش بینی هایی درست تر از توان بالقوه انسانها تدارک می‌نماید. یک عیب عمده AI هزینه سنگین ایجاد الگوریتم های آن برای پردازش حجم عظیم داده است. هم چنین نیروی کار زبده در بخش AI هنوز به فراوانی وجود ندارد.

چهار نوع اصلی هوش مصنوعی

آرند هینتز (Arend Hintze) استادیار علوم و مهندسی کامپیوتر در دانشگاه ایالتی میشیگان در مقاله ای به سال 2016 هوش مصنوعی را به چهار نوع رده بندی کرد که از سیستم های هوشمند وظیفه محور که امروزه بطور وسیع از آنها استفاده می شود آغاز شده و به سیستم های دارای احساس و ادراک ختم می شود که هنوز ابداع نشده اند. این رده بندی به شرح زیر است:

نوع 1: ماشین های واکنشی (Reactive machines). این سیستم های هوشمند دارای حافظه نیستند و وظیفه محور می باشند. یک مثال از این نوع Deep Blue است، برنامه شطرنج IBM که گری کاسپارف قهرمان دنیا را در دهه 1990 شکست داد. این برنامه کامپیوتری آرایش فعلی صفحه شطرنج را شناسایی کرده و حرکات بعدی را پیش بینی می کرد، اما دارای حافظه نبود و نمی توانست از تجارب قبلی برای حرکات بعدی خود استفاده نماید.

نوع 2: حافظه محدود. این سیستم های AI دارای حافظه هستند و در نتیجه می توانند از تجارب قبلی برای تصمیمات آگاهانه در آینده استفاده کنند. برخی کارکردهای تصمیم سازی در خودروهای بدون راننده به این روش طراحی شده اند.

نوع 3. نظریه ذهن. نظریه ذهن یک اصطلاح روانشناسی است. وقتی در حوزه AI بکار می رود، به این معنا است که که سیستم دارای هوش اجتماعی برای درک احساسات است. این نوع AI قادر خواهد بود مقاصد انسان را استنتاج کرده و رفتار آنها را پیش بینی کند. این امر مهارتی ضروری برای سیستم های AI در جهت تبدیل شدن به اعضای پیوسته ای از گروه های انسانی است.

نوع 4: خودآگاهی. در این رده سیستم های AI از وجود خود آگاه هستند که به آنها قابلیت هوشیاری می‌دهد. ماشین های دارای خودآگاهی وضعیت جاری خود را درک می کنند. این نوع AI هنوز ابداع نشده است.

مثالهایی از فناوری AI امروزین

·        خودکارسازی. وقتی خودکارسازی با هوش مصنوعی ترکیب شود، خواهد توانست حجم و نوع کارهیا قابل انجام را گسترش دهد. یک مثال در این رابطه خودکارسازی روباتیک فرایند است، نوعی نرم افزار که کارهای پردازش داده تکراری و قاعده محور را بطور خودکار در می آورد. این فناوری در ترکیب با یادگیری ماشینی و ابزارهای نوظهور هوش مصنوعی می تواند کارهای پیچیده تری در یک شرکت را بطور خودکار درآورده و به تغییرات فرایندی پاسخ دهد.

·        یادگیری ماشینی. یادگیری ماشینی، دانشی است که به کمک آن کامپیوتر می تواند بدون برنامه نویسی عمل کند. یادگیری ژرف زیرمجموعه ای از یادگیری ماشینی است که به بیان ساده خودکارسازی تحلیل مبتنی بر پیش بینی است.

·        دید ماشینی. این فناوری به ماشین توانایی دیدن می دهد. دید ماشینی اطلاعات بصری را با استفاده از یک دوربین کسب و تحلیل کرده و تبئیل آنالوگ به دیجیتال و پردازش سیگنل دیجیتال را انجام می‌دهد. این فناوری اغلب با چشم انسانی مقایسه می شود اما دید ماشینی به زیست شناسی محدود نمی شود و می تواند برای مثال جهت دیدن از درون یک دیوار برنامه ریزی شود. برای مثال در کاربردهایی مانند شناسایی امضا یا تحلیل تصاویر پزشکی بکار می رود.

·        پردازش زبان طبیعی. این فناوری عبارت از پردازش زبان انسانی با یک برنامه کامپیوتری است. یکی از قدیمی ترین نمونه های این فناوری شناسایی هرزنامه ها (spam) است که به خط موضوع و متن ایمیل نگریسته و در مورد هرزنامه بودن آن تصمیم گیری می کند. جدیدترین رویکردهای این فناوری مبتنی بر یادگیری ماشینی است. وظایف این فناوری عبارت است از ترجمه متن، تحلیل احساسی و تشخیص گفتار.

·        روباتیک. این حوزه مهندسی بر طراحی و ساخت روباتها تمرکز دارد. از روباتها اغلب برای کارهایی استفاده می شود که انجام آنها برای انسانها دشوار است. برای مثال روباتها در خطوط مونتاژ برای تولید خودرو یا توسط ناسا برای جابجا ساختن اشای بزرگ در فضا استفاده می شود.

·        خودروهای بدون راننده. خودروهای خودران از ترکیبی از دید کامپیوتری، تشخیص تصویر و یادگیری ژرف بای ایجاد مهارت خودکار در راندن یک وسیله نقلیه بر سطح جاده جهت ماندن آن در باند حرکتی و اجتناب از موانع استفاده می کنند.

منبع:

https://www.techtarget.com/searchenterpriseai/definition/AI-Artificial-Intelligence

کوتوله‌های سفید، ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها

فرایند شکل گیری یک ستاره

یک ستاره از ابر چرخانی از غبار و گاز تشکیل می شود. نیروی گرانش بین ذرات این ابر چرخان، کم کم آن را به صورت یک کره متراکم می کند و افزایش فشار باعث بالا رفتن دمای هسته آن می شود. وقتی دمای درونه این پیش ستاره به میلیونها درجه سانتی گراد رسید، همجوشی هسته ای میان هسته های هیدروژن آغاز می شود. در طی این فرایند هر چهار هسته هیدروژن به هم می پیوندند تا یک هسته هلیوم بسازند و با ناپدید شدن مقداری جرم، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. گرمای تولید شده باعث نیروی انبساط بیرون گرایی می شود که با گرانش درون گرا به تعادل رسیده و ستاره در قسمت اصلی عمر خود در یک تعادل هیدروستاتیکی بسر می‌برد.

این تعادل تا زمانی که ذخیره سوخت هیدروژن هسته کافی است، ادامه دارد. در این دوره از عمر ستاره اصطلاحا گفته می شود که ستاره درون رشته اصلی بسر می برد. عمر یک ستاره در رشته اصلی به جرم آن بستگی دارد. هرچه جرم ستاره‌ای بیشتر باشد، گرانش آن بزرگتر و فشار و دما در هسته آن بیشتر است. در نتیجه سرعت واکنش های هسته ای در مرکز آن بیشتر است و ذخیره سوخت هسته خود را زودتر به انتها می رساند. در حالی که عمر ستاره ای به اندازه خورشید حدود 10 میلیارد سال است، ستاره ای با جرم ده برابر خورشید تنها چند میلیون سال عمر خواهد کرد.

سرنوشت یک ستاره پس از به پایان رسیدن ذخیره سوخت هیدروژن هسته آن به جرم اولیه ستاره بستگی دارد. بدین ترتیب ستاره می تواند سه شرنوشت متفاوت پیدا کند.

کوتوله های سفید

ستاره ای که جرمی کمتر از 1.4 برابر خورشید داشته باشد، پس از اتمام سوخت هیدروژن هسته خود برای مقاومت در برابر گرانش بی امان، هلیوم را به عناصر سنگین تر مانند کربن تبدیل خواهد کرد. اما گرمای لازم از این واکنش های هسته ای جدید برای مقاومت در برابر فروریزش گرانشی کافی نیست و هسته ستاره شروع به چروک خوردن می کند. این فرایند دمای هسته را تا صدها میلیون درجه سانتی گراد بالا می برد و در نتیجه لایه های بیرونی ستاره منبسط می شوند. ستاره به غولی سرخ تبدیل می شود که دمای سطحی آن حدود هزار درجه سانتی گراد است و لایه های بیرونی بسیار رقیق دارد. خورشید ما پس از پنج میلیارد سال دیگر به یک غول سرخ تبدیل شده و سیارات تیر و زهره را در خود خواهد بلعید.

پس از میلیونها سال دیگر لایه های بیرونی این غول قرمز سرد شده و تنها یک هسته بسیار چگال بر جای می‌ماند. این جسم چگال بجای مانده به علت سطح کوچک خود سفید رنگ است و کوتوله سفید نامیده می‌شود. در حالی که اندازه یک کوتوله سفید تقریبا برابر سیاره زمین است، جرم آن می تواند تا 200 هزار برابر جرم زمین باشد. چگالی این جسم به قدری زیاد است که هر سانتی متر مکعب آن چندین تن وزن خواهد داشت.

یک کوتوله سفید تا میلیاردها سال به نورافشانی بسیار رقیق ادامه داده و سپس با سرد شدن بیشتر به یک کوتوله سیاه تبدیل می شود که دیگر قابل رویت با نور معمولی نیست.

ماده درون کوتوله سفید از نوع ماده تبهگن الکترونی است. با فروریزش اتمها لایه های الکترونی شکسته شده و ماده به نوعی سوپ متشکل از هسته های نزدیک به هم در دریایی از الکترونها تبدیل می شود. هیچ همجوشی هسته ای در مرکز کوتوله سفید صورت نگرفته و دمای آن از باقیمانده دمای زمان حیات ستاره ناشی می شود. نزدیکترین کوتوله سفید به ما Sirius B است که حدود 8.6 سال نوری از ما فاصله دارد و همراه با ستاره آبی و بسیار درخشنده Sirius A یک زوج دوتایی را تشکیل می دهند.

تصویر واقعی از زوج دوتایی Sirius A و Sirius B - ستاره بزرگ و درخشان Sirius A است و همراه کوچک آن کوتوله سفید Sirius B است.

ستاره نوترونی

اگر ستاره ای تا حدود هشت برابر خورشید جرم داشته باشد پس از اتمام سوخت هسته ای با توان سهمگین تری فرو خواهد ریخت. در این وضعیت دمای ناشی از فروریزش هسته ستاره آنقدر زیاد است که انفجاری عظیم در لایه های خارجی را موجب می شود و یک ابرنوستاره (سوپر نوا) شکل می گیرد. زمانی که درخشندگی یک ستاره آنقدر زیاد می شود که ستارگان نزدیک به خود را تحت الشعاع قرار می دهد یک انفجار ابرنوستاره ای روی داده است. برخی از این ابرنوستاره ها حتی در وسط روز روشن نیز قابل مشاهده هستند. مقادیر عظیمی از جرم ستاره به صورت حلقه هایی سحابی مانند به اطراف پرتاب می شود و جرمی کمتر از 3.2 برابر جرم خورشید به صورت هسته ای متراکم بر جای می ماند. فروریزش هسته تا جایی انجام می شود که الکترونها با پروتونهای هسته برخورد کرده و به نوترون تبدیل می شوند. بنابراین هسته چنین ستاره متراکمی عمدتا از نوترون ساخته شده است. یک ستاره نوترونی قطری حدود چند ده کیلومتر و چگالی عظیمی در حد چندین میلیون کیلوگرم بر متر مکعب دارد. هر قاشق چایخوری از ماده این ستاره می تواند یک میلیارد تن وزن داشته باشد.

ستارگان نوترونی اغلب در مرکز سحابی های عظیم قرار دارند

ستاره نوترونی به واسطه چگالی عظیم خود بسرعت به دور محور خود می گردد و پرتابه هایی از الکترونها را در هر کسرثانیه از قطب های خود گسیل می کند. بدین ترتیب دارای نوعی ضربان منظم است و اغلب آنها به پولسار (Pulsar) مخفف ستاره ضربان کننده موسوم هستند. این ضربانها در رادیوتلسکوپهای عظیم زمینی قابل آشکارسازی هستند. همچنین محل ستاره های نوترونی را می توان از اثر گرانشی آنان بر ستاره مجاور در یک زوج دوتایی آشکار سازی کرد.

اتمسفر بسیار نازک ستاره نوترونی از هیدروژن، هلیوم و کربن تشکیل شده است. پوسته خارجی آن شامل یونها و الکترونها است و گوشته داخلی آن از یونها و نوتروهایی به شکل یک ابرسیال ساخته شده است. هسته خارجی از پروتونهای ابررسانا ساخته شده و ماهیت هسته داخلی هنوز بر دانشمندان معلوم نیست.

طبق نظریه نسبیت عام اینشتاین که توسط فرمولهای میدان گرانشی او و نیز آزمایشات و تجارب کیهانی متعدد به اثبات رسیده، فضا-زمان در مجاورت ماده خم می شود. چگالی ستاره نوترونی به قدری زیاد است که انحنای زیادی در فضا – زمان را موجب می شود بطوری که پرتوهای نور عبور کننده از کنار آن خم می شوند. به این پدیده لنز گرانشی گفته می شود که آثار بسیار شگفتی دارد و باعث بزرگنمایی ستارگان دور دست واقع در پشت ستاره نوترونی می شود.

پدیده لنز گرانشی باعث می شود تصویر ستارگان پشت سر یک مانع عظیم کیهانی را ببینیم

سیاهچاله ها

اگر ستاره ای در ابتدای پیدایش خود جرمی بیش از 20 برابر خورشید داشته باشد، پایانی بسیار فاجعه بار خواهد داشت. در پایان سوخت هیدروژن هسته، گرانش بی امان جرم عظیم این ستاره فروریزش مهیب هسته آن را موجب می شود اما این بار ماده پس از برخورد الکترونها به پروتونها و تشکیل نوترونهای تبهگن باز به تراکم ادامه  می دهد و چگالی هسته به بی نهایت می رسد. خمش فضا زمان در اثر این تراکم بی نهایت ماده به قدری است که مانع فرار حتی نور می شود. به عبارتی حتی پرتوهای نور نمی توانند از میدان گرانشی این جرم جدید که سیاهچاله نام دارد بگریزند. یک سیاهچاله توسط نور یا هرگونه پرتو الکترومغناطیسی دیگر قابل مشاهده نیست. لیکن همچنانکه گرانش با مجذور فاصله کاهش می یابد، فضای مدوری اطراف سیاهچاله وجود دارد که گرانش سیاهچاله در آن فاصله به قدری ضعیف می شود که ماده می تواند از سیاهچاله فرار کند. به این فاصله از سیاهچاله افق رویداد گفته می شود.

تصویر واقعی از یک سیاهچاله و افق رویداد  آن

یک سیاهچاله می تواند ماده یک ستاره نزدیک تر به خود را ببلعد و باعث از هم گسیختن آن ستاره شود. ناده در هنگام سقوط به مرکز سیاهچاله به سرعتهایی نزدیک نور دست می یابد و انرژی جنبشی این سقوط به صورت تشعشع پرتو ایکس به اطراف پراکنده می شود. در مرکز هر کهکشان یک ابرسیاهچاله با جرمی حدود میلیونها برابر جرم خورشید وجود دارد که منبعی بسیار قوی از تشعشع ایکس است.

تالیف: اصغر ناصری

آیا می توان از پیشرانه مبتنی بر ضد ماده برای رفتن به سیارات دیگر استفاده کرد؟

 

تقریبا هر روز ستاره شناسان موفق به کشف سیارات بیگانه جدیدی می شوند اما به علت فاصله باورنکردنی بین دستگاه های ستاره‌ای، اکتشاف فضایی به درون دستگاه خورشیدی خودمان محدود شده است. برای مثال تخمین زده شده که فضاپیمای وویاجر 1 که هم اکنون با سرعت 17.3 کیلومتر بر ثانیه در حال دور شده از ماست، 73 هزار سال بعد به پروکسیمای بی یعنی نزدیکترین سیاره تایید شده بیگانه برسد.

برای حل مساله بغرنج فیزیکی پیمودن فواصل بسیار بزرگ، دانشمندان به سیستم های پیشرانه روی آورده اند که بسیار پیشرفته تر از راکت های با سوخت شیمیایی فعلی هستند. یک چنین سیستم پیشنهاد شده ای پیشرانه بر اساس ضد ماده است که همچنانکه از نام آن پیدا است، استفاده از ضد ماده برای پیش راندن یک فضاپما با سرعت هایی در حد چند صدم سرعت نور است.

ضد ماده چیز جدیدی در فیزیک نیست. وجود آن نخستین بار توسط کارل آندرسن در 1932 ثابت شد. او ذره پوزیترون را کشف کرد که معادل الکترونهایی با بار مثبت هستند. به دنبال آن وجود ضد ماده بارها به اثبات رسید، از جمله در بی واترون برکلی در سال 1955 یک ضد پروتون و در پژوهشگاه فیزیک ذره ای اروپا CERN ضد اتمها کشف شدند.

برخورد یک پروتون و یک ضد پروتون به انفجاری خواهد انجامید که تشعشع خالص با سرعت سیر نور تولید خواهد کرد. برپایه معادله اینشتاین انرژی تولید شده معادل جرم هر دو ذره ضربدر مجذور سرعت نور است و هر دو ذره بطور کامل تباه خواهند شد. به عبارتی یک گرم از ضد ماده قادر است انرژی معادل دوازده مخزن خارجی شاتل فضاپیما تولید کند. بنابراین ضد ماده ها می توانند منبعی ایده آل برای تامین انرژی مسافرت های فضایی باشند.

هم اکنون ظرفیت تولید و ذخیره ضدماده توسط دانشمندان، حدود چند نانوگرم در سال است که برای تامین سوخت کافی یک فضاپیما با نیروی محرکه ضدماده کافی نیست. بنابراین پیشرانهایی مبتنی بر ترکیب ضد ماده و واکنش هسته ای پیشنهاد شده اند که در آنها از ضد ماده تنها برای آغاز واکنش هسته ای استفاده می شود. ضدپروتونها با برخورد با ماده هسته ای متشکل از اورانیوم 238 تباه شده و انرژی کافی برای آغاز واکنش شکافت هسته ای فراهم می کنند. سپس واکنش شکافت هسته ای منجر به تحریک هسته دوتریم-تریتیوم شده و واکنش همجوشی هسته ای در مرکز رآکتور صورت می پذیرد. پلاسمای بسیار داغ تولید شده در اثر این واکنش همجوشی پیشرانه لازم برای فضاپیما را فراهم خواهد ساخت.

پیش بینی می شود یک فضا پیما مبتنی بر پیشران ضدماده بتواند با سرعت 115 میلیون کیلومتر بر ساعت حرکت کند. بنابراین سفر به مریخ توسط این فضاپیما حدود یک ساعت و نیم به طول خواهد انجامید در حالی که هم اکنون این سفر با راکت های سوخت هیدروژنی موجود نه ماه بطول خواهد انجامید. بنابراین استفاده از پیشرانه مبتنی بر ضد ماده امکان کشف فضاهای ناشناخته را برای بشر فراهم خواهد ساخت.

منابع:

https://news.yahoo.com/could-antimatter-based-propulsion-visit-130051552.html

http://www2.ee.ic.ac.uk/derek.low08/yr2proj/antimatter.htm

https://medium.com/techtalkers/antimatter-spacecraft-the-future-of-interstellar-travel-4f06b7491bc3