هر اتمی که در زمین، بدن انسان و محیط اطرافمان میبینیم، داستانی بسیار قدیمی دارد؛ بخش قابلتوجهی از این عناصر در دل ستارگان ساخته شدهاند و سپس در جریان رویدادهای عظیم کیهانی در فضا پخش شدهاند. با وجود دههها مطالعه، هنوز جزئیات بسیاری از فرایندهایی که هنگام مرگ ستارگان رخ میدهد برای دانشمندان ناشناخته باقی مانده است.
دو مطالعه جدید اکنون بخشی از این معما را روشنتر کردهاند. پژوهشگران با تمرکز بر واکنشهای هستهای و محصولات بهجامانده از انفجارهای ستارهای، توانستهاند اطلاعات تازهای درباره نحوه تولید عناصر و مسیر انتشار آنها در کیهان به دست آورند.
تیتانیوم رادیواکتیو، ردپای انفجارهای ستارهای
یکی از این تحقیقات سراغ تیتانیوم-۴۴ رفته است؛ ایزوتوپی رادیواکتیو که در جریان انفجار ابرنواخترها تولید میشود و برخلاف بسیاری از محصولات دیگر انفجار، برای مدت طولانی پس از پایان رویداد قابل ردیابی باقی میماند.
پژوهشگران با تکیه بر دادههای آزمایشگاهی و شواهد تجربی توانستند میزان تولید این ایزوتوپ را در یک ابرنواختر تخمین بزنند. نتیجه، نکتهای قابلتوجه داشت: میزان تیتانیوم-۴۴ تولیدشده حدود ۳۵ درصد بیشتر از مقداری بود که مدلهای پیشین پیشبینی میکردند.
این اختلاف اهمیت زیادی دارد؛ زیرا مقدار عناصر تولیدشده در یک انفجار، یکی از معیارهای مهم برای سنجش درستی مدلهای رایانهای مربوط به ابرنواخترها است. با در اختیار داشتن دادههای دقیقتر، دانشمندان میتوانند شبیهسازیهای خود را اصلاح کنند و آنها را با دادههایی که از ستارگان و بقایای انفجارهای کیهانی به دست میآید، مقایسه کنند.
کریستوفر کازینز، پژوهشگر پسادکتری گروه فیزیک هستهای دانشگاه سری، میگوید پیشرفت فناوری باعث شده اندازهگیریهایی که چند دهه قبل غیرممکن به نظر میرسیدند، اکنون امکانپذیر شوند. به گفته او، چنین دستاوردهایی میتوانند چشمانداز تازهای درباره یکی از پرسشهای اساسی اخترفیزیک ایجاد کنند: ستارگان هنگام مرگ دقیقاً چگونه مواد خود را به کیهان بازمیگردانند؟
پردهبرداری از یک واکنش هستهای در فورانهای پرتو ایکس
مطالعه دوم به نوع متفاوتی از انفجارهای ستارهای پرداخت؛ انفجارهایی که در سیستمهای دوتایی و در حضور یک ستاره نوترونی رخ میدهند.
ستاره نوترونی بقایای فوقالعاده فشرده یک ستاره است. چنین جرمی میتواند جرمی معادل یک تا دو برابر خورشید داشته باشد، اما همه این جرم در ساختاری با قطر تقریبی ۲۰ کیلومتر جای گرفته است. همین فشردگی عظیم، میدان گرانشی بسیار قدرتمندی ایجاد میکند.
اگر ستاره نوترونی در کنار یک ستاره همدم قرار داشته باشد، میتواند مواد آن را به سمت خود جذب کند. این مواد روی سطح ستاره نوترونی انباشته میشوند و تحت شرایط شدید دما و فشار، واکنشهای هستهای زنجیرهای ایجاد میکنند. حاصل این فرایند میتواند انفجاری گرماهستهای باشد که انرژی بسیار زیادی آزاد میکند و بخشی از آن به شکل فورانهای پرتو ایکس به فضا میگریزد.
پژوهشگران مرکز پرتوهای ایزوتوپی نادر (FRIB) در میشیگان، یکی از واکنشهای هستهای دخیل در این فرایند را با دقت بیشتری بررسی کردند. تمرکز اصلی آنها روی چرخهای موسوم به «نیکل-مس» بود؛ فرایندی که میتواند برخی مواد هستهای را برای مدتی در جریان انفجار درگیر خود کند.
پیش از این مشخص نبود که آیا چنین چرخهای واقعاً در فورانهای پرتو ایکس فعال میشود یا نه. نتایج جدید نشان میدهد که پاسخ مثبت است، اگرچه تنها درصد محدودی از ماده وارد این چرخه میشود.
همین جزئیات ظاهراً کوچک میتواند برای مدلسازی انفجارهای ستارهای اهمیت زیادی داشته باشد، زیرا واکنشهای هستهای تعیین میکنند چه عناصری در جریان این رویدادها ساخته شوند و مواد تولیدشده در نهایت چگونه در محیط اطراف پراکنده شوند.
یک قدم نزدیکتر به حل معمای منشأ عناصر
گوین لوتای از دانشگاه سری معتقد است واکنشهای هستهای پشت برخی از شدیدترین انفجارهای کیهانی، با وجود چندین دهه تحقیق، هنوز بهطور کامل شناخته نشدهاند.
اهمیت دو پژوهش جدید تنها به شناسایی یک ایزوتوپ یا یک واکنش هستهای محدود نمیشود. یافتههای آنها به دانشمندان کمک میکند مدلهای نظری مربوط به مرگ ستارگان را با دادههای واقعی حاصل از رصدهای نجومی تطبیق دهند.
در نهایت، هدف این تحقیقات پاسخ به پرسشی بنیادی است: عناصر شیمیایی جهان دقیقاً کجا و چگونه ساخته شدند و چه مسیری را طی کردند تا در سراسر کیهان پراکنده شوند؟
پاسخ این سؤال در واقع بخشی از داستان پیدایش خود ما نیز محسوب میشود؛ زیرا بسیاری از اتمهایی که بدن انسان و جهان اطرافش را تشکیل میدهند، زمانی در محیطهای بسیار خشن و پرانرژی درون ستارگان یا هنگام انفجار آنها شکل گرفتهاند.
