علم نجوم (اخترشناسی) به دانشِ بررسی موقعیت، تغییرات، حرکت و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی «پدیده‌های آسمانی» ازجمله ستاره‌ها، سیاره‌ها، دنباله‌دارها، کهکشان‌ها و پدیده‌هایی مانند شفق قطبی و تابش زمینهٔ کیهانی گفته می‌شود که منشأ آنها در خارج از جوّ زمین است. در ادامه با علم نجوم بیشتر آشنا می شوید.
تاریخچه علم نجوم
قبل از اختراع تلسکوپ، در نزدیکی قرن هفدهم ، نجوم بر مبنای مشاهده با چشم غیر مسلح پایه گذاری شده بود. در ابتدا مردم از محل ستاره‌ها و سیارات در آسمان نقشه تهیه می‌کردند.
متمدن ترینها برای نقشه برداری آسمان نظام داشتند و می‌دانیم که امروزه نجوم از نظریات یونانیان باستان سرچشمه می‌گیرد. در سال ۱۵۰ میلادی یک منجم و ریاضیدان یونانی به نام کلودیوس بطلمیوس یک رساله درباره علم نجوم نوشت. او در آن ۴۸ گروه ستاره‌ای که صورت فلکی نامیده می‌شدند را فهرست کرد ، مانند جبار ، برساووش و … که بیشتر از اسامی اساطیر گرفته شده‌اند.
همانطور که ما هنگام نگاه کردن به ابرها ، آنها را به اشکالی از اجسام آشنا تصور می‌کنیم، همانگونه بطلمیوس در گروهبندی ستارگان اشکال آشنا را مشاهده کرد.
همچنین بطلمیوس متوجه شد که به نظر ستارگان در سرتاسر آسمان حرکت می‌کنند، او گفت که تمام اجرام آسمانی به دور زمین که مرکز جهان بی‌حرکت ایستاده حرکت می‌کنند. این نظریه علمی برای قرنها پذیرفته شده بود. تئوری بطلمیوس راجع به جهان طرح زمین مرکز نامیده شد، زیرا در آن زمین در مرکز عالم قرار دارد.
قبول این واقعیت (که زمین دور خورشید می چرخد) مدتها طول کشید. در سال ۱۵۴۳ میلادی یک منجم لهستانی به نام نیکلاس کوپرنیک De Revolutionibus را منتشر کرد که مشخص می‌کرد سیارات به دور خورشید گردش می‌کنند، اما نظریه او با تعلیمات کلیسای کاتولیک مغایرت داشت و کلیسا قدرتمندترین سازمان اجتماعی و سیاسی آن زمان بود. عقیده‌هایی مانند طرح خورشید مرکزی که در جهان تفکر بدیع بودند سزاوار کیفر مرگ بودند.
بنابراین اگر هم تعدادی دیگر از منجمان طرح کپرنیک را می‌پذیرفتند از تصدیق کردن آن هراس داشتند. در سال ۱۶۳۲ گالیلئو گالیله ، یکی از برجسته‌ترین منجمان در طول تاریخ ، سرانجام یک کتاب در حمایت از نظریه کپرنیک منتشر کرد.
کلیسای کاتولیک روم گالیله را برای محاکمه بخاطر بدعت گذارن احضار کرد و این منجم برای برگشتن از حرفش یا مرگ حق انتخاب داشت. گالیله دست از عقیده خود کشید اما کلیسا از پذیرفته شدن طرح خورشید در عرف نمی‌توانست جلوگیری کند (در سال ۱۹۹۲کلیسای کاتولیک روم رسما با گالیله و کپرنیک موافقت کرد).
شاخه‌های علم نجوم (اخترشناسی)
? اخترشناسی خورشیدی
خورشید ستاره‌ای است که بیشترین تحقیقات علمی بر روی آن تمرکز یافته‌است. خورشید یک ستارهٔ کوتولهٔ رشته اصلی از ردهٔ G است و حدود ۶/۴ میلیارد سال عمر دارد. خورشید ستاره‌ای متغیر نیست اما در فعالیت آن تغییرات متناوبی صورت می‌گیرد که به چرخهٔ لکه‌های خورشیدی معروف است.
در این چرخه، در هر ۱۱ سال در تعداد لکه‌های خورشیدی نوساناتی رخ می‌دهد. لکه‌های خورشیدی نواحی هستند که دمای آنها کمتر از دمای میانگین خورشید است و فعالیت‌های مغناطیسی شدیدی در این مکان‌ها رخ می‌دهد.
از زمانی که خورشید وارد مرحلهٔ رشته اصلی شده تاکنون، ۴۰ درصد به درخشندگی آن افزوده شده‌است. درخشندگی خورشید تغییراتی دوره‌ای نیز دارد که می‌تواند تأثیر قابل ملاحظه‌ای روی کره زمین داشته باشد. به عنوان نمونه، تصور می‌شود کمینه ماندر باعث ایجاد پدیده عصر یخبندان کوچک در قرون وسطی شده‌است.
سطح خارجی و قابل رویت خورشید را نورسپهر گویند. بالای این لایه، منطقهٔ باریکی به نام فام‌سپهر قرار دارد. این قسمت هم توسط یک منطقهٔ گذرا که دمای آن به سرعت افزایش می‌یابد احاطه شده و در نهایت تاج خورشیدی که بسیار داغ است قرار دارد.
در مرکز خورشید، هستهٔ آن قرار دارد که در آن دما و فشار کافی برای وقوع پدیده همجوشی هسته‌ای وجود دارد. بالای هسته، ناحیه تابشی قرار دارد. در این ناحیه پلاسما انرژی را به صورت تابش از خود عبور داده و منتقل می‌کند. بالای این قسمت، ناحیه همرفتی قرار دارد.
در این بخش ماده به صورت گازی است و انرژی بیشتر از طریق همرفت (جابجایی فیزیکی گاز) منتقل می‌شود. دانشمندان اعتقاد دارند جابه‌جایی جرم در ناحیه همرفتی عامل ایجاد فعالیت‌های مغناطیسی است که باعث تولید لکه‌های خورشیدی می‌شوند.
? سیاره‌شناسی
در این شاخه از اخترشناسی، سیاره‌ها، قمرها، سیاره‌های کوتوله، دنباله‌دارها، سیارک‌ها و دیگر اجرام سماوی که به دور خورشید می‌چرخند و همچنین سیاره‌های فراخورشیدی مطالعه می‌شوند.
منظومهٔ شمسی با استفاده از تلسکوپ‌ها و در مرتبهٔ بعد از طریق فضاپیماها تقریباً به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته‌است. هرچند اطلاعات به دست آمده درک کلی خوبی از نحوهٔ پیدایش و تکامل این سیستم سیاره‌ای به ما داده‌است، اما هنوز اکتشافات زیادی در حال انجام هستند.
نقطه سیاه رنگی که در بالای تصویر دیده می‌شود یک گردباد است که در حال بالا رفتن از دیوارهٔ یک دهانه در سطح مریخ است. این ستون متحرک و چرخان در جو مریخ (که می‌توان آن را با گردبادهای زمینی مقایسه کرد) نوار طولانی و تیره‌رنگی را به وجود آورده‌است.
منظومه شمسی از سیارات داخلی، کمربند سیارک‌ها و سیارات خارجی تشکیل شده‌است. سیارات داخلی زمین‌مانند هستند و عبارتند از: تیر، زهره، زمین و مریخ. سیارات خارجی غول‌های گازی هستند و عبارتند از: مشتری، زحل، اورانوس و نپتون. فراتر از نپتون، کمربند کویپر قرار دارد و در نهایت ابر اورت قرار گرفته که ممکن است تا یک سال نوری امتداد داشته باشد.
سیارات ۴٫۶ میلیارد سال پیش، در قرص پیش–سیاره‌ای که خورشید اولیه را احاطه کرده بود، تشکیل شدند. بر اثر وجود جاذبه گرانشی، تصادم یا برخورد مواد و پدیدهٔ برافزایش، توده‌هایی از ماده در این قرص شکل گرفتند که با گذر زمان به پیش سیاره‌ها تبدیل شدند.
سپس فشار تشعشعات بادهای خورشیدی بیشتر مواد باقی‌مانده را عقب راند و تنها سیاراتی که از جرم و در نتیجه گرانش کافی برخوردار بودند توانستند جو خود را که به صورت گازی بود در اطراف خود نگه دارند.
سیارات طی دوره‌ای زمانی که در آن بمباران‌های شدیدی صورت می‌گرفت، (و از شواهد آن دهانه‌های برخوردی فراوانی است که در سطح کرهٔ ماه وجود دارند) مواد موجود در اطراف خود را جذب یا آنها را دور ساختند. در این دوران احتمالاً برخی از پیش سیاره‌ها با یکدیگر برخورد کردند و ممکن است یکی از همین برخوردها باعث تشکیل کرهٔ ماه شده باشد.
وقتی سیاره به جرم کافی دست پیدا می‌کند، در پدیدهٔ تفکیک سیاره‌ای مواد با چگالی مختلف در داخل سیاره از هم جدا می‌شوند. این فرایند می‌تواند باعث ایجاد یک هستهٔ سنگی یا فلزی شود که توسط گوشته و یک پوستهٔ خارجی احاطه شده‌است.
هسته می‌تواند شامل نواحی جامد و مایع باشد. برخی از هسته‌های سیارات میدان مغناطیسی خاص خود را تولید می‌کنند که می‌تواند مانع از دست رفتن جو آنها به وسیلهٔ بادهای خورشیدی شود.
حرارت داخلی یک سیاره یا قمر، دو منشأ دارد: یا از برخوردهایی که آن جرم را تشکیل داده‌اند و در اثر فروپاشی مواد رادیواکتیو (مانند اورانیوم و توریم و۲۶Al) ایجاد می‌شود یا از نوع گرمایش جزر و مدی است که نیروهای کشندی بین سیاره و قمر آن را ایجاد می‌کنند.
در برخی از سیارات و اقمار آنها گرمای کافی برای فعالیت‌های آتشفشان‌خیزی و زمین ساختی وجود دارد. سطح آن دسته از سیاراتی که دارای جو هستند ممکن است به وسیلهٔ باد یا آب دچار فرسایش شود.
اجرام کوچک‌تر که از گرمای ناشی از نیروهای کشندی بهره‌مند نیستند زودتر سرد می‌شوند و فعالیت‌های زمین‌شناسی آنها متوقف می‌شود. البته ایجاد دهانه‌های برخوردی همچنان ادامه دارد.
? ستاره‌شناسی
مطالعهٔ ستارگان و نحوهٔ تکامل آنها برای درک عالم ضروری است. ویژگی‌های فیزیکی ستارگان به وسیلهٔ مشاهدات رصدی، داده‌های نظری و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری تعیین می‌شود.
شکل‌گیری ستارگان در بخش‌هایی از ابرهای مولکولی غول پیکر که حاوی گاز و غبار متراکم است رخ می‌دهد. وقتی این نواحی ناپایدار می‌شوند، قطعات ابر می‌توانند تحت تأثیر گرانش به هم پیوسته و یک پیش ستاره را تشکیل دهند. در صورتی که هستهٔ پیش ستاره به اندازهٔ کافی داغ و چگال باشد، همجوشی هسته‌ای آغاز شده و به این ترتیب یک ستارهٔ رشتهٔ اصلی شکل می‌گیرد.
در فرایند همجوشی هسته‌ای در مرکز ستاره، هیدروژن به هلیوم تبدیل می‌شود. بین نیروی رو به خارج فشار گاز (ناشی از گرمای هسته) از یک سو و نیروی رو به داخل گرانش از سوی دیگر، تعادل هیدرواستاتیکی وجود دارد. همین تعادل موجب پایداری ستاره در این حالت می‌شود.
ویژگی‌های ستاره و سرنوشت آن به جرم اولیه ستاره بستگی دارد. هرچه جرم اولیه بیشتر بوده باشد، سرعت مصرف سوخت هیدروژن در هسته و درخشندگی آن بیشتر است.
با گذشت زمان، هیدروژن موجود در هسته کاملاً مصرف شده و به هلیوم تبدیل می‌شود. با توقف فرایند همجوشی، نیروی رو به خارج فشار گاز (ناشی از تابش هسته) از بین رفته و غلبه نیروی گرانش باعث در هم فشرده شدن هسته می‌شود.
ستاره در حالی که هسته آن متراکم تر می‌شود، لایه‌های خارجی خود را به بیرون می‌راند. با گسترش لایه‌های خارجی، ستاره به صورت غول قرمز درمی آید. اگر دمای موجود در هسته به اندازهٔ کافی بالا باشد، فرایند همجوشی هلیوم آغاز می‌شود. ستاره‌های بسیار پرجرم می‌توانند با گداخت عناصر سنگین تر از هلیوم مراحل تکاملی بعدی را هم طی کنند.
سرنوشت ستاره به جرم آن بستگی دارد و ستارگانی که جرم آنها بیش از ۸ برابر جرم خورشید است به ابرنواختر تبدیل می‌شوند درحالیکه ستارگان کوچک‌تر به سحابی‌های سیاره‌ای و در نهایت به کوتوله‌های سفید تبدیل می‌شوند.
جسم باقی‌مانده از ابرنواختر یک ستاره نوترونی چگال است واگر جرم ستاره بیش از سه برابر جرم خورشید باشد ابرنواختر به یک سیاه چاله تبدیل می‌شود.
? اخترشناسی کهکشانی
منظومه شمسی درون کهکشان راه شیری در حال چرخش است که کهکشانی مارپیچی و بسته‌است که یکی از اعضای اصلی کهکشان‌های Local Group محسوب می‌شود.
منظومه شمسی مجموعه‌ای از گاز، غبار، ستارگان و دیگر اجرام است که نیروی جاذبه آنها را در کنار هم قرار داده‌است. از آنجا که زمین در بازوی خارجی پرگرد وغبار کهکشان راه شیری قرار دارد بخش عظیمی از این کهکشان از دیده‌مان پنهان است.
درمرکز کهکشان راه شیری یک برآمدگی میله مانند قرار دارد که گمان می‌رود یک سیاه چاله بسیار بزرگ باشد در اطراف هسته چهار بازوی مارپیچ قرار دارند. در این ناحیه بسیاری از ستارگان شکل می‌گیرند و مملو از ستارگان جوان و ستارگان نسل دوم است.
دراطراف دیسک، یک شبه کره کهکشانی مسن تر که ستارگان نسل اول محسوب می‌شوند و همچنین مجموعه‌ای از خوشه‌های کروی نسبتاً چگال قرار دارد.
درمیان ستارگان یک واسط بین ستاره‌ای قرار دارد که ناحیه‌ای است حاوی مواد پراکنده. در چگال‌ترین قسمت، ابرهای مولکولی از جنس هیدروژن و دیگر عناصر نواحی تشکیل ستاره را تشکیل می‌دهند. سحابی‌های تیره نامنظم (که در محدوده‌ای که توسط طول جینز مشخص می‌شود تمرکز یافته‌اند) ستارگان نوزاد فشرده را تشکیل می‌دهند.
با تشکیل ستارگان با جرم زیادتر ابر تبدیل به ناحیه HII می‌شود که در آن گازهای درخشنده و پلاسما قراردارند. طوفان‌های ستاره‌ای و انفجار ابرنواخترها باعث پراکنده شدن ابر می‌شوند و در نهایت یک یا چند خوشه باز از ستارگان تشکیل می‌شوند.
این خوشه‌ها در کنار هم کهکشان راه شیری را تشکیل داده‌اند. مطالعات سینماتیک ماده در کهکشان راه شیری و دیگر کهکشان‌ها نشان می‌دهد که جرم نامرئی درآنها بیش از جرم مرئی است بیشتر جرم کهکشان را هاله‌های سیاه تشکیل می‌دهند طبیعت این ماده سیاه رنگ هنوز برای دانشمندان نامشخص است.
? اخترشناسی فراکهکشانی
در این شکل چندین جرم حلقه مانند آبی رنگ را مشاهده می‌کنید که تصاویر همان کهکشان هستند که با استفاده از اثر عدسی‌های گرانشی از خوشه کهکشان زرد رنگ در وسط عکس کپی‌برداری شده‌اند. این عدسی‌ها با استفاده از میزان گرانش خوشه نور را خم کرده و تصویر اجرام دورتر را بزرگنمایی نموده و درآنها اعوجاج ایجاد می‌کند.
مطالعه اجرامی که درخارج از کهکشان راه شیری قرار دارند به یک علم جدید تبدیل شده که شاخه‌ای از اخترشناسی محسوب می‌شود. در این علم نحوه پیدایش و تکامل کهکشان‌ها، ساختار و طبقه‌بندی آنها، کهکشان‌های فعال وگروه‌ها و خوشه‌های کهکشانی مورد بررسی قرار می‌گیرند. بررسی گروه‌ها و خوشه‌های کهکشانی در درک بهتر از ساختار کلی کیهان نقش مهمی ایفا می‌کند.
اغلب کهکشان‌ها دارای شکل منحصر به فردی هستند که طبقه‌بندی آنها را آسان می‌کند. به‌طورکلی کهکشان‌ها به انواع مارپیچ، بیضوی، و نامنظم تقسیم‌بندی می‌شوند.
همانطورکه از نام کهکشان بیضوی پیداست سطح مقطع این کهکشان بیضی شکل است. ستارگان در مدارهای تصادفی به دور کهکشان می‌چرخند. در این کهکشان‌ها غبار میان ستاره‌ای وجود ندارد یا به ندرت یافت می‌شود و نقاط تولید ستاره در این نوع کهکشان بسیار کم هستند.
ستارگان این کهکشان عموماً مسن هستند کهکشان بیضوی عموماً درمرکز خوشه‌های کهکشانی یافت می‌شوند و ممکن است در اثر ترکیب کهکشان بزرگ به‌وجود آیند.
کهکشان مارپیچ معمولاً از یک صفحه دوار مسطح تشکیل شده که یک برآمدگی میله مانند در مرکز آن قرار دارد و بازوهای نورانی مارپیچی از آن خارج می‌شوند.
این بازوها نواحی پر گرد و غباری هستند که درناحیه تولید ستاره قرار دارند و این مناطق ستاره‌های جوان بسیار بزرگ رنگ آبی را در برابر دیدگان‌مان قرار می‌دهند؛ کهکشان‌های مارپیچ با هاله‌ای از ستاره‌های پیر احاطه شده‌اند؛ کهکشان‌های راه شیری و آندرومدا کهکشان‌های مارپیچ هستند.
شکل ظاهری کهکشان‌های نامنظم درهم پیچیده‌است و این نوع از کهکشان در دسته‌بندی بیضوی و مارپیچ جای نمی‌گیرند. حدود یک چهارم کهکشان‌ها نامنظم هستند و شکل نامنظم آنها ناشی از تعامل گرانشی با محیط اطراف است.
کهکشان فعال کهکشان‌هایی هستند که عمده انرژی که از آنها ساطع می‌شود از منبعی به جز ستارگان و گرد و غبار تأمین می‌شود. درمرکز این کهکشان‌ها هسته‌ای فشرده قرار دارد که گفته می‌شود یک سیاه چاله بسیار عظیم است که به علت جذب اجرام انرژی زیادی را تولید می‌کند.
کهکشان رادیویی نوعی کهکشان فعال است که در بخش رادیویی طیف بسیار درخشان بوده و زبانه‌های پرانرژی گاز را متصاعد می‌کند. از میان کهکشان‌های فعالی که تشعشعات پرانرژی ساطع می‌کنند می‌توان به کهکشان‌های سیفرت، اخترنماها و بلازارها اشاره کرد. گفته می‌شود که اختر نماها درخشنده‌ترین اشیاء عالم هستند.
ساختار عظیم کیهان بر اساس گروه‌ها و خوشه‌های کهکشانی شکل گرفته‌است. در این ساختار بزرگ‌ترین واحد کیهانی ابرخوشه‌ها هستند. مجموعه مواد به فیلامان‌ها و دیواره‌های کهکشانی تبدیل می‌شوند و در میان آنها فضاهای خالی باقی می‌ماند.
? کیهان‌شناسی
مشاهده ساختار عظیم عالم در علم کیهان‌شناسی فیزیکی مطرح می‌شود و گام مؤثری در درک بهتر پیدایش و تکامل کیهان محسوب می‌شود. در کیهان‌شناسی مدرن نظریه انفجار بزرگ مورد پذیرش قرار گرفته و اعلام شده که در برهه‌ای از زمان انفجار بزرگ رخ داده با انبساط فضا در طول ۷/۱۳ گیگا سال جهان به شکل فعلی آن مبدل شده‌است. مفهوم انفجار بزرگ با کشف تشعشعات مایکروویو پس زمینه کیهان در سال ۱۹۶۵ مطرح شد.
در طول مدت تکامل جهان چندین مرحله تکاملی را تجربه کرد. در ابتدا جهان به سرعت انبساطی کیهانی را تجربه کرد که شرایط اولیه را همگن کرد. سپس با تشکیل هسته انفجار بزرگ عناصر اولیه جهان آغازین تولید شدند.
هنگامی که اولین اتم‌های تشکیل دهنده فضا شفاف شدند توانستند امواجی را از خود ساطع کنند امواجی که امروزه به صورت تشعشعات مایکروویو پس زمینه کیهان مشهور هستند سپس جهان در حال انبساط به علت عدم وجود منابع انرژی کیهانی وارد عصر تیره و تار خود شد.
با وقوع تغییرات اندک در چگالی اجرام، ساختار سلسله مراتبی ماده شکل گرفت. موادی که در نواحی چگال جمع شده بودند ابرهای گاز و ستارگان اولیه را تشکیل دادند. این ستاره‌های عظیم باعث ایجاد مجدد فرایند یونیزاسیون شده و بسیاری از عناصر سنگین جهان آغازین را به وجود آوردند.
توده‌های گرانشی به فیلامان تبدیل شده و فضایی بین این فیلامان‌ها به صورت خالی باقی ماند. به تدریج گرد وغبار با یکدیگر ترکیب شده و اولین کهکشان‌ها به وجود آمدند. باگذشت زمان این کهکشان‌ها مواد بیشتری را به درون خود کشیدند و گروه‌ها و خوشه‌های کهکشانی و در نهایت ابرخوشه‌های عظیم شکل گرفتند.
یکی از مفاهیم اصلی در ساختار عالم، ماده تاریک یا انرژی تاریک است. ماده تاریک عنصر اصلی تشکیل دهنده دنیاست و ۹۶درصد چگالی جهان را تشکیل می‌دهد. امروزه تلاش زیادی برای درک فیزیک این ماده و اجزا تشکیل دهنده آن صورت می‌گیرد.
مطالعات میان‌رشته‌ای
اخترشناسی با بسیاری از رشته‌های علمی مهم ارتباط تنگاتنگ دارد. برخی از این علوم عبارت‌اند از:
◊ فیزیک کیهانی: مطالعه فیزیک جهان پیرامون شامل ویژگی‌های فیزیکی (درخشندگی، چگالی، دما و ترکیب شیمیایی) اجرام آسمانی.
◊ بیولوژی کیهانی: مطالعه پیدایش و تکامل سیستم‌های بیولوژیکی در دنیا.
◊ اخترشناسی باستانی: مطالعه اخترشناسی قدیم در بافت فرهنگی آن با استفاده از مشاهدات باستان‌شناسی و مردم‌شناسی.
◊ شیمی کیهانی: مطالعه مواد شیمیایی موجود در فضا به خصوص ابرهای گازی مولکولی و نحوه تشکیل، تعامل و مرگ آنها؛ بنابراین این رشته با رشته‌های شیمی و اخترشناسی مباحث مشترکی دارد.
فایده علم نجوم (اخترشناسی)
با استفاده از یافته‌های علم نجوم (اخترشناسی) می‌توان نظریه‌های بنیادین فیزیک مانند نظریه نسبیت عام را آزمایش کرد. در طول تاریخ، اخترشناسان آماتور در بسیاری از کشف‌های مهم اخترشناسی نقش داشته‌اند و اخترشناسی یکی از محدود رشته‌هایی است که در آن افراد آماتور نقشی بسیار فعال دارند و مخصوصاً در کشف و مشاهده پدیده‌های گذرا و محلی امیدوارکننده، ظاهر شده‌اند.
علم اخترشناسی مدرن را نباید با علم احکام نجوم (طالع‌بینی یا اخترگویی) مقایسه کنیم چراکه در طالع‌بینی یا اخترگویی اعتقاد بر آن است که امور انسان‌ها با موقعیت اجرام سماوی در ارتباط است.
اگرچه اخترشناسی و طالع‌بینی یا اخترگویی دو رشته‌ای هستند که منشأ یکسانی داشته‌اند اما بیشترِ اندیشمندان بر این باورند که این دو رشته از هم جدا شده‌اند و تفاوت‌های بسیاری بین آنها وجود دارد.
