اخترفیزیک نوین جلد دوم
شناسنامه کتاب
ترجمه: فرهاد ذکاوت، کامبیز خالقی
انتشارات رمز
مقدمهی نویسندگان
از زمانی که نخستین چاپ از کتاب «مقدمهای بر اخترفیزیک نوین» و همتای خلاصهتر آن کتاب «مقدمهای بر اخترفیزیک ستارهای» در سال 1996 میلادی روانهی بازار شد، انفجاری باورنکردنی در دانش ما از آسمان بالای سرمان روی داده است. حدود 2 ماه قبل از چاپ اول این کتاب بود که میشل مایر (Michel Mayer) و دیدیه کولوز (Didier Queloz) خبر کشف جدیدشان را منتشر کردند: یک سیارهی فراخورشیدی و گردش آن به دور ستارهی 51–فرس اعظم. و این نخستین سیارهای بود که در گردش به دور یک ستارهی رشته اصلی کشف شده بود. این قبیل کشفها نه تنها نور تازهای به نحوهی شکلگیری ستارگان و منظومههای سیارهای تاباندند، بلکه چگونگی تشکیل و تحول سیارات منظومه شمسی خودمان را هم برای ما آشکار کردند.
علاوه بر این، طی یک دههی گذشته شاهد اکتشافات مهمی در منظومهی شمسی خودمان و ورای مدار پلوتون بودهایم، که هماندازهی این سیارهی کوچک هستند. در حقیقت یکی از اجرام تازه کشف شده در کمربندکوییپر، که اتحادیه بینالمللی نجوم نام 313UB2003 را برای آن برگزیده و کمی بزرگتر از پلوتون است، تعریف ما از سیاره و اینکه منظومه شمسی میزبان چه تعداد سیاره است، به چالش کشید.
اکتشافات فضاپیماهای روباتیک و کاوشگرانی که بهسوی اجسام منظومه شمسی رهسپار شده بودند اطلاعات فوقالعاده ارزشمندی از همسایههای آسمانیمان در اختیار ما قراردادهاند. ناوگان مریخنوردهایی که سیارهی سرخ را هدف قرار داده بودند مثل روح (Spirit) و فرصت (Opportunity) تأیید کردند که روزگاری در گذشتهی مریخ، بر سطح این سیاره آب مایع در جریان بوده است. بهعلاوه ما تعداد زیادی کاوشگر رهسپار مشتری و زحل کردهایم، سطح قمر تیتان را لمس کردهایم، از میان غبارهای گیسوی دنبالهدارها گذشتهایم و حتی بهسوی قلب یخی آنها نیز برخورد کردهایم.
مأموریتهایی مثل سوئیفت (Swift) به ما کمک کردند تا به پاسخ معمای منشأ پرتوهای گامای کیهانی نزدیک شویم. امروزه میدانیم که احتمالاً دو دسته از پرتوهای گاما وجود دارد که یکی از انفجارهای هستهی ابرنواختری سرچشمه میگیرد و دیگری احتمالاً در فرآیند جذب و مخلوط شدن دو ستارهی نوترونی یا یک ستارهی نوترونی و یک سیاهچاله در قالب یک منظومهی دوتایی به وجود میآیند.
بعد از انتشار ویرایش اول این کتاب و بررسیهای دقیق رصدهایی که بر مطالعهی مرکز کهکشان راهشیری خودمان متمرکز بودهاند، فهمیدیم که احتمالاً بسیاری از کهکشانهایی که میشناسیم مارپیچی یا بیضوی هستند. این مطالعات همچنین نشان دادند که احتمالاً بسیاری از این کهکشانها مثل راهشیری خودمان در هستهی خود یک سیاهچاله پنهان کردهاند و دائماً خوراک لازم برای بزرگتر شدن این سیاهچالهها را تأمین میکنند: بنابراین امروزه چنین به نظر میرسد که بیشتر سیاهچالههای اَبَر پُرجرمی که در مرکز این کهکشانها قرار دارند، مسئول تابشهای پُرانرژی و گامایی هستند که مبدأشان با کهکشانهای رادیویی، کهکشانهای سیفرت، بلِیزرها و کوازارها گره خوردهاند.
همچنین در یک دههی گذشته فهمیدهایم که نهتنها انبساط عالم رو به کُند شدن نیست، بلکه در حال شتاب گرفتن نیز هست! همین رصدها به ما نشان دادهاند که ما امروزه در عالمی زندگی میکنیم که در حجم انبوهی از انرژی تاریک غوطهور است که در آن ثابت کیهانشناسی آلبرت آینشتاین (خود او آن را بزرگترین اشتباهش نامیده بود) نقش مهمی در فهم ما از عالم بازی میکند. در زمان چاپ ویرایش اول این کتاب حتی احتمال وجود انرژی تاریک هم عاقلانه به نظر نمیرسید.
در واقع بعد از چاپ ویرایش اول این کتاب، کیهانشناسی وارد حیطهی جدید اندازهگیریهای دقیق شده است. بعد از استخراج اطلاعات حاصل از بررسیهای تداخلسنج میکرو موج زمینهی ویلکینسون (WMAP) سن عالم با دقتی بیشتر در حدود %2 کاهش پیدا کرد و به چیزی در حدود رسید. علاوه بر این مطالعات دقیقتر در حوزهی تحولات ستارهای هم نشان داد که این سن جدید اندازهگیری شده از ستارههای پیر مسنترین خوشههای ستارهای مطابقت کامل دارد.
ما در مقدمهی ویرایش اول نوشته بودیم: «هیچ زمانی تا بدین اندازه اخترفیزیک نوین را بررسی نکرده بودیم». این جمله عطف به بررسیهای پیشرفتهی عظیمی نوشته شده بود که در دههی قبل از آن به انجام رسیده بود. بدیهی است که این مقدمه پیش از پیشرفتهای آینده نوشته شده. پیوستن تلسکوپ فضایی هابل و تصویربرداریهای باکیفیت بالای آن، رصدخانهی پرتو X چاندرا و تلسکوپ فروسرخ اسپیترز از همراهان اصلی ما در این مسیر بودهاند. از روی زمین هم، تلسکوپهای غولپیکری به بزرگی 8 متر یا حتی بزرگتر به جمع کاوشگران کیهان پیوستند. پروژههای جاهطلبانهای که روزگاری شاید در مخیلهی اخترشناسان نیز نمیگنجید، توانستند دادههای آماری بسیاری استخراج کنند. پویش دیجیتالی آسمان (Sloan)، بررسی انتقال به سرخ دومیکرونی به نام ، تصاویر فوق عمیق هابل و بسیاری ابزارهای دیگر ما را در رسیدن به اکتشافات جدید و مطالعات دقیقترمان همراهی کردهاند. همچنین در این مدت از رصدها و رصدخانههایی در ارتفاعات بالا (5000 متر)، آرایههای ریز میلیمتری آتاکاما و اخترسنجهای دقیقی مثل تلسکوپ فضایی Gaia یا جستجوگر سیارهای SIM نیز استفاده کردهایم. البته همچنان به اکتشافات درون منظومهی خودمان هم مشغولیم؛ تنها یک روز پیش از نوشتن این مقدمه، مدارگر کاوشگر مریخ (Mars Reconnaissance) وارد مدار سیارهی سرخ شد.
از سوی دیگر در طی یک دههی گذشته ما یک انقلاب اطلاعاتی را همپشت سر گذاشتهایم. آن روزهایی که ویرایش اول کتاب به چاپ رسید اینترنت بسیار محدودتر بود. در آن روزها شاید کسی تصور نمیکرد که به این سرعت شبکهای به وجود بیاید که با استفاده از یک موتور جستجو و چند کلیک ماوس، حجم انبوهی از اطلاعات، آرشیو آخرین مقالات پیش چاپ ژورنالها و دادههای عظیمی که به سرعت روند انقلابی طی میکنند، در دسترس باشند.
بعد از نسخهی اول این کتاب ویرایش دوم آن روانهی بازار شد که بیشتر دانشجویان آن را با نام «کتاب بزرگ نارنجی» به یاد میآورند. این ویرایش از کتاب بر اخترفیزیک ستارهای متمرکز شده بود و انتشار آن تقریباً همزمان بود با چاپ کتاب An introduction to Modern Galactic Astrophysics and Cosmology. از آنجا که این نسخه هم خیلی زود با استقبال دانشجویان روبرو شد، بهسرعت و چندین بار در کلاسهای درس مورد ارزیابی قرار گرفت و بارها و بارها نکاتی از سوی اساتید و دانشجویان به ما یادآوری میشد که نکاتی از کتاب از قلم افتاده است.
از سوی دیگر در نسخهی دوم کتاب تمامی واحدها را از سیستم cgs به سیستم متداولتر SI تغییر دادیم. یا مثلاً در نسخههای قبلی از واحد ۱-erg s برای تعریف درخشندگی استفاده میکردیم چرا که به نظرمان واحد معقولتری بود. اما خیلی زود دیدیم که دانشجویان مثل ما فکر نمیکنند و ترجیح میدهند واحدها برحسب وات باشند. نمیخواهیم دانشجویان در برخورد اول با مفاهیم اخترفیزیک نوین، با سیستم واحدها در طول مطالعه سردرگم شوند. ولی واحدهای طبیعی پارسک و خورشیدی را نگه داشتیم چراکه در مقادیر عددی میتوانیم از مقایسه استفاده کنیم. پیوستی برای تبدیل واحدها برای آنانکه نگاهی به مقالات حرفهای و کشف دنیای آنگسترومی، اِرگ و واحد بار الکتریکی دارند، در نظر گرفته شده.
هدف ما از نوشتن این کتاب باز کردن دریچهی اخترفیزیک نوین برای شما با ابزارهای [ریاضیاتی] بسیار ساده است؛ و در این کار از درک پیچیدگی عالم از طریق اصول بنیادی فیزیکیاش قانع کنندهتر نیافتیم. مزیتهای رهیافت ریاضیاتی برای درک این عالم جذاب برای افلاطون هم روشن بود؛ همانطور که در رسالهی معرفت خود نوشته:
«باور ندارید که یک ستارهشناس واقعی باید فردی با دانایی بسیار باشد؟ من این حرف را به چند دلیل بیان میکنم. نخست و مهمترین دلیل آنکه چنین فردی باید با اعداد عجیب زیاد کار بکند. در مسیر مطالعاتش باید از روشهای هندسی، دستگاههای مختلف عددی و بسیاری تحلیلهایی استفاده کند که بهمانند یک نمایشنامه با دقت در کنار هم چیده شدهاند و هیچیک بهتنهایی معنایی ندارند. به عقیدهی من، درک این نمایش امکانپذیر نخواهد بود، مگر با آنچه پیشتر شرحش آمد [روشهای ریاضیات]، و از این رو میتوانند به خود غَره باشند که به سادگی بر آن فائق آمدند».
حال 24 قرن از آن زمان گذشته و حتی کمی کاربرد فیزیک و ریاضیات منجر به دیدگاهی عمیقتر میشود. این کتابها زادهی دورانی هستند که ما دورههای اخترفیزیک سال سوم دانشگاه را تدریس میکردیم، و خودمان از برخی منابع محروم بودیم. متون موجود در آن زمان، اکثرا توصیفی بودند و کمتر محاسبات ریاضی داشتند. دانشجویانی که در کلاسهای دیگر معادلهی شرودینگر، توابع پارش و بسطهای چندگانه را یاد میگرفتند، احساس ناامیدی میکردند زیرا در کتابهای درسیشان از آموختههای فیزیکی بهرهای نمیبردند و این باعث سرافکندگی دوچندان ما میشد؛ زیرا اخترفیزیک فرصت منحصر بهفردی را در اختیار افراد میگذارد تا با بهکارگیری عملی دانش فیزیکی خود بسیاری از پدیدههای هیجانانگیز نجومی را درک کنند. علاوه بر این، اخترفیزیک به عنوان یک رشته، واقعا تمامی جنبههای فیزیک را به تصویر میکشاند. به همین دلیل به دانشجویان این فرصت را میدهد تا دانش خود را مرور کرده و بیشتر بیاموزند.
هر کس که یک دورهی مقدماتی فیزیک محاسباتی را گذرانده باشد تقریباً میتواند تمامی مفاهیم اصلی اخترفیزیک نوین را درک کند. سطح فیزیک استفاده شده در بخشهای مختلف این کتاب، به میزان قابل توجهی متفاوت است. همانطور که در ادامه خواهید دید در یک فصل از کتاب به معرفی نظریه نسبیت خاص پرداختهایم و در فصل دیگری فیزیک کوانتومی را آوردهایم تا پیشزمینههای فیزیکی لازم برای بحثهای جدیتر را فراهم کنند. سایر مطالب به صورت خودآموز بوده و با مراجعه به بخشهای دیگر همین کتاب قابل فهم میشوند و خللی در زنجیرهی استدلالها و درک خواننده از مفاهیم و ایدههای نجومی ایجاد نمیکنند.
اگرچه در این کتاب تلاش کردهایم به نسبت دقیق باشیم، با این حال تمایل داشتیم تا محاسبات مربوطه را آنقدر ساده و دمِدستی کنیم تا با استفاده از مدلهای ساده به مطالعهی سیستمهای مورد نظر بپردازیم. نسبت نتیجه به تلاش در این حالت بسیار زیاد است به طوری که 80 درصد از یادگیری با 20 درصد تلاش به دست میآید و این نوع محاسبات سریع باید بخشی از ابزار هر اخترفیزیکدانی باشد. در واقع، زمانی که این کتاب را مینوشتیم دائم از تعداد پدیدههایی که با این روش قابل توصیف میشدند شگفتزده میشدیم. با وجود همه اینها تلاش ما خدمت صادقانه به شما بوده است و هر جا به مفاهیم مهمی که نیاز به درک بیشتری داشتند رسیدیم (مانند درون ستارگان، جوّهای ستارهای، نسبیت عام و کیهانشناسی)، سعی کردیم تا دست از سادهسازی مسأله برداریم و به جای توصیف سطحیِ محض، به تشریح عمیق و مفهومی آنها بپردازیم.
امروزه اخترفیزیک محاسباتی (با کمک رایانه) نقشی اساسی در پیشرفت درک ما از نجوم داشته است و از این روست که توانستهایم تعداد بیشمار از مسائل رایانهای را با کُدنویسی تحلیل کرده و نتایج را در قالب مواد درسی در کتابهای اخترشناسی بیاوریم. اکنون شما میتوانید مدارهای سیارهای و نیز ویژگیهای رصدی سیستمهای ستارهای دوتایی را محاسبه کنید، همچنین علاوه بر مدلسازی سیستمهای ستارهای دلخواهتان میتوانید برهمکنشهای گرانشی بین کهکشانها را هم بازسازی کنید. این کدها باعث سادهتر شدن پیچیدگیهای آموزشی میشوند و شما بهراحتی میتوانید کدهایی که ما در اختیارتان گذاشتهایم را گسترش دهید. اخترفیزیکدانان از گذشته در تصویرسازی و محاسبهی بزرگ مقیاس پیشقدم بودهاند، اکنون نیز ما تلاش میکنیم شما را با این آمیزهی علم و هنر آشنا کنیم.
اساتید محترم میتوانند متون این کتاب را به فراخور نیازهای ویژهی خود انتخاب کرده و با رویکرد اخترفیزیکی، میز مناسبی از غذاهای اخترفیزیکی را برای دانشجویان خود آمادهی سرو کنند. ما خودمان با انتخاب صحیح مباحث مربوطه از بین 18 فصل اول، از این کتاب برای تدریس یک دورهی یک ترمی اخترفیزیک ستارهای استفاده کردهایم. سپس دانشجویان علاقهمند را به گذراندن یک دورهی تکمیلی کیهانشناسی سوق دادیم. از سوی دیگر، استفاده از کُل مطالب کتاب، بهخوبی یک دورهی یک ساله را پُر میکند و تمامی مباحث اخترفیزیک نوین را پوشش میدهد. برای کمک به تشخیص و انتخاب مباحث مهم بخشهای کتاب، عناوین و سرفصلهای فرعی را به ویرایش دوم کتاب اضافه کردهایم.
وب سایتی با آدرس http://www.cambridge.org/astrophysics به مطالب این کتاب اختصاص یافته و شامل نسخههای قابل دانلودی از کدهای کامپیوتری به زبانهای برنامهنویسی مختلف مانند فورترن، C++ و در برخی موارد جاوا است. همچنین به برخی از مهمترین سایتهای نجومی و نیز برخی تصاویر مرتبط با کتاب لینک داده شده است. ضمنا اساتید میتوانند کتابچهی پاسخهای تشریحی را بهطور مستقیم از ناشر دریافت کنند. [1]
بردلی و. کارول
دیل ا. اُستلی
دانشگاه ایالتی وِبِر
اودگِن، یوتا
modastro@weber.edu
[1] فهرست بلندبالایی از اسامی برای قدردانی نویسندگان از کسانی که سهمی در کتاب داشتند آمده بود که حذف شد. در صورت علاقه میتوانید به صفحهی اختصاصی کتاب مراجعه کرده این بخش را مرور کنید.
