سرانجام راز شکل‌گیری عناصر سنگین جهان آشکار شد
برای نخستین‌بار دانشمندان موفق شدند عنصر سنگین جدیدی در بقایای ادغام دو ستاره‌ی نوترونی کشف کنند. یافته‌های بررسی جدید کلید درک شکل‌گیری عناصر سنگین جهان و تکمیل‌کننده‌ی پازل شکل‌گیری عناصر شیمیایی هستند. داراخ واتسون، مؤلف ارشد بررسی و اخترفیزیک‌دان مؤسسه‌ی نیلزبور کپنهاگ، درباره‌ی این موضوع می‌گوید:
نتایج بر وجود نوترون در ستارههای نوترونی تأکید می‌کنند. به‌نظر مبهم می‌رسید؛ اما این نتیجه بی‌سابقه و نشان‌دهنده‌ی عناصری است که در حضور مقادیر زیادی از نوترون شکل گرفته‌اند.
پژوهشگران آثاری از استرونتیوم را در بقایای ادغام دو ستاره‌ی نوترونی کشف کردند.
جهان آغازین
سه عنصر سبک‌تر جهان، یعنی هیدروژن و هلیوم و لیتیوم، در اولین لحظات کیهان و درست پس از بیگ‌بنگ تشکیل شدند. طبق جدول تناوبی، عناصر سنگین‌تر از لیتیوم تا آهن میلیاردها سال بعد در هسته‌ی ستاره‌ها شکل گرفتند؛ اما دلیل قدمت طولانی‌تر عناصر سنگین‌تر از آهن، مثل طلا و اورانیوم، هنوز مشخص نیست. در پژوهش‌های قبلی می‌توان به سرنخی مهم رسید: اتم‌ها برای رشد به جذب نوترون نیاز دارند و جذب سریع نوترون که به‌اختصار r-process (فرایند r) نامیده می‌شود، تنها در محیط‌های خشن رخ می‌دهد که اتم‌ها با مقادیر زیادی نوترون بمباران می‌شوند.
پژوهش‌های گذشته نشان می‌دهند منبع احتمالی عناصر فرایند r، بقایای ادغام دو ستاره‌ی نوترونی است. ستارههای نوترونی هسته‌ی متراکم ستاره‌ها هستند که پس از پایان عمر آنها، از انفجاری به‌نام سوپرنوا باقی می‌مانند. نام ستاره‌ی نوترونی برگرفته از قدرت کشش گرانشی شدید است که برای برخورد پروتون‌ها و الکترون‌ها و تشکیل نوترون کافی است.
تماشای انفجار نوترونی
ستاره‌شناسان در سال ۲۰۱۷، اولین‌بار موفق شدند ادغام دو ستاره‌ی نوترونی را مشاهده کنند. آنها با کشف امواج گرانشی یا نوسان‌های موجود در بافت فضازمان که براثر برخورد در فاصله‌ی تقریبی ۱۳۰ میلیون سال نوری از زمین پخش شده بودند، به این موفقیت رسیدند و پس از کشف این ادغام که GW170817 نامیده می‌شود، به رصدهای تلسکوپی از زمین ادامه دادند. واتسون می‌گوید:
این انفجار با ۳۰ درصد سرعت نور در فضا حرکت می‌کرد؛ بنابراین اندازه‌ی آن در یک روز از ۱۰۰ کیلومتر به‌اندازه‌ی منظومه‌ی شمسی رسیده است.
به‌عقیده‌ی واتسون و همکاران، اگر عناصر سنگین‌تری در طول GW170817 شکل گرفته باشند، آثار آن را می‌توان در بقایای انفجار کیلونوا (نام دیگر برای ادغام دو ستاره‌ی نوترونی) پیدا کرد. پژوهشگران روی طول موج‌های نور یا خطوطی طیفی متمرکز هستند که به عناصر مشخصی ربط دارند. طبق پژوهش‌های گذشته، عناصر سنگین در کیلونوا وجود دارند؛ اما تاکنون ستاره‌شناسان موفق نشده‌اند عناصر مستقل را در بقایای انفجار تشخیص دهند. واتسون درباره‌ی این موضوع می‌افزاید:
دلیل این موضوع عناصر سنگینی است که می‌توانند ترکیبی از صدهامیلیون خط طیفی را تولید کنند؛ به‌همین‌دلیل، تشخیص عناصر مستقل کار از یکدیگر ناممکن می‌شود.
با‌این‌حال، واتسون و همکارانش با تحلیل مجدد داده‌های انفجار سال ۲۰۱۷ آثاری از عنصر سنگین استرونتیوم را شناسایی کردند. استرونتیوم روی زمین به‌صورت طبیعی در خاک پیدا می‌شود و در موادمعدنی مشخصی وجود دارد. ناگفته نماند از ترکیب‌های استرونتیوم برای ایجاد رنگ قرمز در آتش‌بازی هم استفاده می‌شود.
کلید استرونتیوم
کلید موفقیت این تیم پژوهشی ساختار اتمی استرونیتوم بود که برای چنین عنصر سنگینی نسبتا ساده است؛ چراکه به‌دلیل چنین ساختاری، نسخه‌ی باردار الکتریکی استرونتیوم دو خط طیفی قدرتمند آبی و مادون قرمز تولید می‌کند. واتسون می‌گوید:
این حقیقت بسیار شگفت‌انگیز است که می‌توانیم هر عنصری را در انفجار رادیواکتیوی کشف کنیم.
کشف عناصر سنگین می‌تواند سرنخی برای ذرات روح‌مانند نوترینو باشد
با اینکه استرونتیوم عنصر سنگینی است، یکی از سبک‌ترین عناصر فرایند r است. در پژوهش قبلی، دانشمندان انتظار داشتند عناصر سنگین‌تر یا حداقل عناصر سنگین‌تر فرایند r را پیدا کنند. این کشف شگفت‌انگیز ممکن است با ذرات روح‌مانند معروف به نوترینو در ارتباط باشد که از ماده‌ی معمولی عبور می‌کنند؛ ولی گاهی ممکن است به پروتون‌ها و نوترون‌ها برخورد کنند. واتسون بیان می‌کند:
به‌منظور تولید عنصر نسبتا سبکی مثل استرونتیوم، باید در درجه‌ی اول بخشی از نوترون‌ها را نابود کنیم. برای این کار باید آنها را با نوترینو به‌اندازه‌ای بمباران کنیم که سریع به پروتون و الکترون تجزیه شوند. بدین‌ترتیب اطلاعات بیشتری از اتفاقاتی به‌دست خواهیم آورد که در ستارههای نوترونی و انفجار بین آنها رخ می‌دهد.
مسئله‌ی بعدی دانشمندان کشف دیگر عناصر سنگین در ادغام ستارههای نوترونی است؛ زیرا با‌توجه‌به ماهیت پیچیده‌ی این ستاره‌ها، داده‌های کیفی اندکی درزمینه‌ی ساختارهای اتمی عناصر وجود دارد. باوجوداین، واتسون و همکاران او امیدوارند در سال‌های آینده با جمع‌آوری داده‌های بیشتر موفق شوند عناصر سنگین دیگری را در انفجارهای کیلونوا کشف کنند.
نظرات