اندازه گیری فاصله ستاره ها و کهکشان ها از زمین Measuring the distance of stars and galaxies from Earth Mäter avståndet mellan stjärnor och galaxer från jorden

برای خیلی از شما این سوال پیش اومده که فاصله‌ی ستاره‌ها و سیارات و

کهکشان‌ها از زمین چطور اندازه‌گیری میشه.

اتفاقا خیلی سوال خوبیه چون اینکه ما تونستیم

از روی زمین این فاصله‌های عظیم رو اندازه‌گیری کنیم،

برای بعضی‌ها که از روش انجام این کار اطلاعی ندارن غیرقابل‌باوره.

همین ندونستن دلیل یه موضوع باعث میشه که نسبت بهش شک داشته باشن،

فکر کنن دروغه، یا مثلا یه سازمان‌هایی خواستن اطلاعات اشتباه به مردم بدن!

توی این ویدیو چند تا از رایج‌ترین روش‌های اندازه‌گیری فاصله‌ی ستاره‌ها و

کهکشان‌ها رو در حد دانشمون با هم بررسی می‌کنیم، پس تا آخر ویدیو با من باشید.

این چراغ‌های چشمک‌زن آسمون، از همون زمانی که شروع به تفکر درباره‌ی

محیط اطرافمون کردیم، حسابی ذهن ما رو به خودشون مشغول کردن.

اولش که خیلی کم ازشون می‌دونستیم، بعضیاشون رو به عنوان خدا انتخاب کردیم،

اتفاقی که زیاد افتاده تو طول تاریخ زندگی ما انسان‌ها.

کلی هم از حیوونای بی‌گناه، یا حتی آدمای دیگه رو

برای راضی نگه داشتن این ستاره‌ها از بین بردیم.

الان خیلی احمقانه به نظر می‌رسه، اما اون موقع اینطور نبوده!

شاید آدمای آینده هم در مورد ما همینطور فکر کنن.

بهرحال کم‌کم طرز فکرمون یه مقداری کامل‌تر شد و

به عنوان اجزایی از محیط اطرافمون در نظر گرفتیمشون.

تا یه مدت طولانی فکر می‌کردیم ستاره‌ها همه‌شون روی یه کره‌ای به مرکز زمین

قرار گرفتن، در نتیجه فاصله‌ی همه‌شون از زمین یکسانه.

اما بعد از سال‌ها رصد کردن فضا و نقشه‌برداری از ستاره‌ها،

الان دیگه دانشمون خیلی بیشتر شده.

انواع ستاره‌ها رو می‌شناسیم، می‌دونیم چطوری

به وجود میان، چطوری میمیرن، چقدر از ما دورن.

قبل از اینکه در مورد این فاصله‌ها صحبت کنیم،

باید واحدهای اندازه‌گیری این فاصله‌ها رو بشناسیم.

رو زمین واحدهایی که برای مسافت استفاده می‌کنیم،

متر و کیلومتر و مایل و‌ فوت و این چیزاس.

اما در مورد اجرام فضایی، این واحدها خیلی خیلی کوچیکن.

می‌تونیم ازشون استفاده کنیم، ولی چون رقمشون

خیلی بزرگ میشه، کار کردن باهاشون سخت میشه.

برای همین از واحدهای بزرگتر استفاده می‌کنیم.

اولیش واحد نجومی (Astronomical Unit = AU) هست

که به اندازه‌ی فاصله‌ی زمین تا خورشیده.

پس هر واحد نجومی یا AU تقریبا میشه 150 میلیون کیلومتر.

واحد نجومی بیشتر برای مسافتایی تو حد و اندازه‌ی منظومه‌ی شمسی خودمون

استفاده میشه، مثلا فاصله‌ی خورشید تا نپتون میشه 30 واحد نجومی،

یعنی نپتون نسبت به زمین 30 برابر از خورشید دورتره.

اما در مورد مسافت‌های خیلی بیشتر مثل فاصله‌ی ما تا ستاره‌ها و

کهکشان‌های دیگه، از دو تا واحد بزرگتر استفاده میشه، یکیش سال نوریه، یکیش پارسِک.

سال نوری مسافتیه که نور تو مدت یک سال طی می‌کنه

یعنی تقریبا 9.5 هزار میلیارد کیلومتر

پس به جای اینکه از اعداد خیلی بزرگی به شکل کیلومتر

استفاده کنیم، از سال نوری استفاده می‌کنیم.

هرچند فاصله‌ها اینقدر زیاده که در مورد سال نوری هم

مجبور میشیم از هزار سال نوری و میلیون و میلیارد استفاده کنیم.

سومی و آخرین واحدی هم که معرفی می‌کنیم،

پارسک (Parsec) هست که بین ستاره‌شناسا خیلی معروفه.

هر یه پارسک میشه 3.26 سال نوری، پس پارسک از سال نوری واحد بزرگ‌تریه.

هر هزار پارسک رو میگن یه کیلو پارسک، هر یک میلیون پارسک هم میگن یک مگاپارسک.

خب این از واحدهای اندازه‌گیری مسافت‌های عظیم فضایی،

حالا بریم سراغ روش‌های اندازه‌گیری این مسافت‌ها.

یکی از قدیمی‌ترین روش‌هایی که برای اندازه‌گیری فاصله‌ی یه ستاره از زمین وجود داره،

استفاده از اختلاف منظر یا Parallax هست. اما اختلاف منظر دقیقا یعنی چی؟

جلوی یه دیوار وایسید، جوری که چند قدم با دیوار فاصله داشته باشید.

حالا انگشت‌تونو جلوی بینیتون بگیرید، یکی از چشماتونو Now put your finger in front of your nose, one of your eyes

ببندید با اون یکی به انگشتتون نگاه کنید. حالا این یکی رو ببندید با اون یکی چشمتون نگاه کنید.

با اینکه انگشت شما کاملا ثابته، ولی وقتی که چند بار اینکارو انجام می‌دید

متوجه میشید که انگشتتون نسبت به دیوار پشت سرش یه مقداری جابجا میشه.

دلیلش خیلی ساده‌ست، به خاطر فاصله‌ی بین چشمای شماست.

برای همین بهش گفته میشه اختلاف منظر یا اختلاف دیدگاه.

یعنی چشم راست شما، انگشتتون رو از یه زاویه‌ی دیگه‌ای می‌بینه نسبت به چشم چپ شما.

اما دیوار رو با هر دو تا چشمتون یه جور می‌بینید چون اینقدر از شما دوره

که فاصله‌ی بین دو تا چشم شما، در مقایسه با فاصله‌ی شما تا دیوار، تقریبا ناچیزه.

حتما زمانی که از داخل ماشین یا قطار در حال حرکت منظره‌ی بیرون رو تماشا کردید،

متوجه این قضیه شدید که چیزایی که به شما نزدیک‌ترن سریع‌تر

حرکت می‌کنن اما هرچی فاصله‌شون بیشتر میشه حرکتشون کندتره.

مثلا کوه‌هایی که خیلی دورن یا ابرهای توی آسمون

تقریبا ثابت به نظر میرسن از بس که دورن.

از همین قضیه می‌تونیم برای اندازه‌گیری فاصله‌ی

بعضی از ستاره‌ها که نزدیکترن استفاده کنیم.

به این صورت که میاییم توی یه زمان مشخصی از سال، این ستاره رو رصد می‌کنیم

تا ببینیم نسبت به ستاره‌های پشت سرش که خیلی خیلی از ما دورن، کجا قرار گرفته.

بعد از شیش ماه، دوباره رصدش می‌کنیم تا ببینیم

این‌بار نسبت به ستاره‌های پشت سرش چه موقعیتی داره.

دلیل اینکه گذاشتیم شیش ماه بگذره، اینه که زمین نیم‌دور دور خورشید

چرخیده باشه و دقیقا تو نقطه‌ی مقابل قرار گرفته باشه.

این باعث میشه همون اختلاف منظر اتفاق بیفته، یعنی ما از دو تا منظر مختلف

به اون ستاره نگاه کردیم، که فاصله‌ی بین این دو تا

منظر هم دو برابر فاصله‌ی زمین تا خورشیده.

اون ستاره‌های خیلی دور هم نقش اون دیوار رو بازی می‌کنن،

یعنی ازشون استفاده می‌کنیم برای سنجیدن مقدار جابجایی

این ستاره‌ای که می‌خواهیم فاصله‌شو اندازه‌گیری کنیم.

خود این ستاره‌های دوردست هم با گذشت زمان جابجا میشن

اما مقدار جابجاییشون خیلی ناچیزه مثل همون ابرهای توی آسمون که

از بس دورن ثابت دیده میشن، اما ساختمونا که نزدیک‌ترن حرکت می‌کنن.

خب پس با مقایسه‌ی موقعیت‌های یه ستاره با فاصله‌ی شیش ماه،

می‌تونیم زاویه‌ی جابجایی این ستاره رو به دست بیاریم.

نصف این زاویه رو بهش میگن زاویه‌ی اختلاف‌منظر یا زاویه‌ی پارالاکس.

وقتی که این زاویه مشخص شد، کافیه از مفاهیم ساده‌ی مثلثات استفاده کنیم

تا فاصله‌ی این ستاره تا زمین رو حساب کنیم.

تانژانت زاویه‌ی پارالاکس میشه ضلع مقابل تقسیم بر ضلع مجاور.

اما چون فاصله‌ی ستاره از ما خیلی زیاده، ضلع مجاور این مثلث تقریبا اندازه‌ی وترش هست.

تو این شرایط، به‌جای تانژانت می‌تونیم از سینوس هم استفاده کنیم.

وتر این مثلث همون فاصله‌ی زمین تا ستاره‌ست که می‌خواهیم مقدارشو به دست بیاریم،

ضلع مقابلش هم که فاصله‌ی زمین تا خورشیده یعنی 150 میلیون کیلومتر.

حالا اگه زاویه‌ی پارالاکس رو به عنوان مثال 0.5 درجه

به دست آورده باشیم، مقدار فاصله تقریبا میشه 17 میلیارد کیلومتر.

پس با این روش می‌تونیم فاصله‌ی ستاره‌های نزدیکتر رو با یه دقت خوبی حساب کنیم.

البته جزییات بیشتری هم داره، مثلا اینکه وقتی صحبت از ستاره‌ها و

فاصله‌های زیادشون میشه، «درجه» خیلی واحد بزرگیه،

برای همین یک درجه رو به شصت تا قسمت مساوی تقسیم می‌کنیم

که اسم هر قسمت میشه یک دقیقه‌ی قوسی (arcMinute)،

حتی باز یک دقیقه‌ی قوسی رو به شصت تا قسمت دیگه تقسیم می‌کنیم

که به هر قسمت میگن یک ثانیه‌ی قوسی (arcSecond).

چون مقدار جابجایی این ستاره‌ها بعد از گذشت شیش ماه،

اینقدر کمه که باید به جای درجه، از یه کسر خیلی کوچیکی از درجه استفاده بشه.

اصلا واحد پارسک که اول ویدیو معرفی کردم از همینجا اومده.

Par ش مال Parallax هست و sec ش هم مال arcSecond هست.

یعنی هر ستاره‌ای که تو فاصله‌ای از زمین قرار گرفته باشه که زاویه‌ی پارالاکسش برابر یک

ثانیه‌ی قوسی باشه، فاصله‌ش از زمین میشه یک پارسک.

همین روش اختلاف منظر رو میشه برای اندازه‌گیری

فاصله‌ی سیارات منظومه‌ی شمسی تا زمین هم استفاده کرد.

حدود 350 سال پیش کاسینی ستاره‌شناس معروف

با یه روش مشابه تونست فاصله‌ی زمین تا مریخ رو حساب کنه.

الان برای سیارات نزدیک به زمین، از روش بازتاب

امواج رادیویی یا پرتوهای لیزر هم استفاده میشه.

یعنی این امواج رو به سمت اون سیاره می‌فرستن، وقتی که به سطح سیاره

برخورد می‌کنن بازتاب میشن و بعدم روی زمین با یه تلسکوپ رادیویی دریافتشون می‌کنن.

حالا مدت زمانی که طول کشیده تا این پرتوها برن و برگردن داریم،

سرعتشون هم می‌دونیم چقدره، به اندازه‌ی سرعت نوره،

برای همین خیلی راحت می‌تونیم فاصله‌ی اون سیاره از زمین رو حساب کنیم.

هر چند این فاصله‌ها همونطور که می‌دونید ثابت نیستن

چون هم زمین در حال چرخش دور خورشیده هم اون سیاره‌ها.

اما مشکل روش اختلاف منظر اینه که باهاش میشه

فاصله‌ی ستاره‌های نزدیک رو اندازه گرفت.

چون وقتی ستاره خیلی دور باشه، اندازه‌ی این زاویه‌ی پارالاکس

بیش از حد کوچیک میشه، برای همین نمیشه فاصله‌ش رو درست حساب کرد.

پس فاصله‌ی ستاره‌های دورتری که توی کهکشان خودمون هستن رو چطوری حساب می‌کنیم؟

برای این کار یه روش دیگه وجود داره که از نور ستاره برای اندازه‌گیری فاصله‌ش از زمین

استفاده میشه، به نام روش اختلاف‌منظر طیفی (Spectroscopic Parallax).

تو این روش از دو تا از ویژگی‌های مهم ستاره‌ها استفاده میشه یعنی

قدر ظاهری (Apparent Magnitude) و قدر مطلق(Absolute Magnitude).

قدر ظاهری، یه معیار برای اندازه‌گیری مقدار روشنایی ستاره‌ از دید یه ناظر زمینیه.

هرچی فاصله‌ی ستاره از ما بیشتر باشه روشنایی ظاهریش کمتره،

از طرفی هم هرچی ستاره فعال‌تر باشه، نور بیشتری تولید می‌کنه، روشناییش بیشتره.

قدر مطلق شبیه همین قدر ظاهریه، اما اثر فاصله رو ازش حذف کردن.

یعنی قدر مطلق، اون روشنایی ذاتی ستاره‌ست.

خیلی از ستاره‌ها هستن که از روی زمین کم‌نورتر از بقیه‌ی ستاره‌ها دیده میشن

اما در واقع از اونا پرنورترن، فقط به خاطر فاصله‌ی خیلی زیادشون کم‌نور دیده میشن.

ستاره‌شناسا با استفاده از طیف یه ستاره، یعنی با استفاده از اون الگویی که از

تجزیه‌ی نور ستاره به دست میاد، قدر مطلق اون ستاره رو پیدا می‌کنن.

قدر ظاهریش هم که از روی زمین به راحتی قابل اندازه‌گیریه،

حالا با استفاده از این فرمول میشه فاصله‌ی اون ستاره رو به دست آورد.

این روش نسبت به روش قبلی می‌تونه فاصله‌های بیشتری رو اندازه‌گیری کنه،

اما اگه ستاره خیلی کم‌نور باشه یا مثلا توی یه کهکشان‌ دیگه

قرار گرفته باشه و خیلی دور باشه، دقتش خیلی پایین میاد.

برای همین از روش سوم استفاده می‌کنیم یعنی ستاره‌های متغیر (Variable Star).

این ستاره‌ها به خاطر ویژگی‌هایی که دارن، یه روش قابل اطمینان

برای اندازه‌گیری فاصله‌ی ستاره‌ها و کهکشان‌ها حساب میشن برای همین معروفن به

شمع‌های استاندارد (Standard Candle)، یعنی ما از این

شمع‌های کیهانی استفاده می‌کنیم برای اندازه‌گیری فاصله‌ها.

ستاره‌های متغیر به دو تا دسته‌ی کلی تقسیم میشن.

بعضیاشون ذاتا متغیر نیستن، مثل ستاره‌های دوتایی که دور هم می‌چرخن.

ما به خاطر فاصله‌ی خیلی زیادی که این ستاره‌های جفت از ما دارن،

هردوشونو باهم به صورت یه ستاره‌ی تکی می‌بینیم،

اما وقتی که از جلوی همدیگه رد میشن، نورشون یه کم تغییر می‌کنه.

ولی بعضیای دیگه‌شون ذاتا متغیرن، یعنی مثلا به خاطر اینکه

دائما اندازه‌شون کوچیک و بزرگ میشه، نورشون تغییر می‌کنه.

البته این تغییر نور، با اون چشمکی که از روی زمین با نگاه کردن به ستاره‌ها می‌بینیم

فرق می‌کنه، اون چشمک یا سوسو زدن ستاره‌ها معمولا

به خاطر اینه که نورشون داره از اتمسفر زمین عبور می‌کنه.