اولین رصد خلق اتم‌های سنگین در برخورد ستاره‌های نوترونی_دانشجو

منجمان موفق به ثبت برخورد عظیم دو ستاره نوترونی شدند که تبدیل تولد کوچک‌ترین سیاهچاله‌های مشاهده‌شده تابه‌امروز و خلق فلزات گران‌بهایی همانند طلا، نقره و اورانیوم می‌شود.

اخترفیزیکدانان مؤسسه «نیلز بور» از دانشگاه «کپنهاگ» با رصد برخورد عظیم دو ستاره نوترونی موفق به اندازه‌گیری دمای ذرات بنیادی در درخشش رادیواکتیو بعد از برخورد شدند. این دستاورد برای نخستین‌بار امکان اندازه‌گیری ویژگی‌های میکروفیزیکی در این رویدادهای کیهانی را فراهم کرده است و درعین‌حال مشخص می کند که چطور یک مشاهده لحظه‌ای می‌تواند تصویری از یک شیء را که در طول زمان گسترش‌یافته است، اراعه دهد.

اسنپ‌شاتی که تیم از این برخورد شدید و قوی ثبت کرده، به پشتیبانی ابزارهای مختلفی ازجمله تلسکوپ فضایی هابل ساخته شده است. این برخورد در فاصله ۱۳۰ میلیون سال نوری از زمین و در کهکشان «NGC 4993» رخ داده است. امید می‌رود که این مشاهده، تصویری از قبل، حال و آینده ادغام این ستارگان مرده ترسیم کند. این چنین این مشاهده می‌تواند منشأ عناصر سنگین‌تر از آهن را که حتی در پرجرم‌ترین ستاره‌ها هم ساخته نمی‌شوند، آشکار کند.

برخورد و ادغام ستارگان نوترونی تبدیل انفجار قدرتمندی از نور به نام «کیلونوا» می‌شود. همان گونه که باقی مانده این اتفاقات با سرعتی نزدیک به‌شدت نور گسترش می‌یابد، کیلونوا محیط اطراف خود را با نوری به روشنایی صدها میلیون خورشید روشن می‌کند.

با ترکیب اندازه‌گیری‌های نور کیلونوا که با تلسکوپ‌هایی در سراسر کره زمین انجام شده است، یک تیم بین‌المللی از پژوهشگران در مرکز «Cosmic DAWN» در مؤسسه نیلز بور، ماهیت مرموز این انفجار را کشف و به جواب یک سوال قدیمی اخترفیزیکی نزدیک‌تر شدند: عناصر سنگین‌تر از آهن از کجا می‌آیند؟

«راسموس دامگارد»، یکی از پژوهشگران گروه در بیانیه‌ای او گفت: «اکنون می‌توانیم لحظه‌ای را ببینیم که هسته‌ی اتم‌ها و الکترون‌ها با هم متحد خواهد شد. برای اولین‌بار، ما تشکیل اتم‌ها را می‌بینیم، می‌توانیم دمای ماده را اندازه‌گیری کنیم، و می‌توانیم میکروفیزیک را در این انفجار از دوردست ببینیم.»

او در ادامه گفت: «این همانند به تابش بعد‌عرصه کیهانی است که از هر سو ما را احاطه کرده، ولی در اینجا، می‌توانیم همه چیز را از بیرون مشاهده کنیم. ما لحظات قبل، زمان، و بعد از تولد اتم‌ها را می‌بینیم.»

خلق عناصر سنگین بعد از برخورد عظیم دو ستاره نوترونی

ستارگان نوترونی وقتی متولد خواهد شد که ستاره‌ای با جرم حداقل ۸ برابر خورشید سوخت خود برای همجوشی هسته‌ای را همه می‌کند و به همین علت نیروی گرانش بر نیروی تابشی غالب می‌شود. لایه‌های بیرونی این ستارگان در انفجارهای ابرنواختری منفجر و باقی مانده ستاره‌ای با جرمی معادل بین ۱ تا ۲ جرم خورشید در قطر نزدیک به ۲۰ کیلومتر فشرده خواهد شد.

فروپاشی هسته، الکترون‌ها و پروتون‌ها را به یکدیگر فشرده می‌کند و دریایی از ذرات به نام نوترون‌ها را تشکیل می‌کند. این ماده چنان چگال است که اگر تنها به‌اندازه یک حبه قند از ماده ستاره نوترونی، به زمین آورده شود، وزنی برابر با یک میلیارد تن خواهد داشت. این تقریباً معادل جای‌دادن ۱۵۰ میلیون فیل در فضایی به‌اندازه یک حبه قند است! به این علت، جای شگفتی نیست که ماده‌ای این چنین شگفت‌وغریب نقشی کلیدی در تشکیل عناصر سنگین‌تر از آهن بازی می‌کند.

ستاره‌های نوترونی همیشه در انزوا زندگی نمی‌کنند. برخی از این ستاره‌ها در کنار یک ستاره دیگر در سامانه‌های دوتایی وجود دارند. در موارد نادری، این ستاره همراه نیز به‌قدری پرجرم است که می‌تواند به یک ستاره نوترونی تبدیل شود و حتی توسط انفجار ابرنواختری که ستاره نوترونی اول را تشکیل کرده، به بیرون پرتاب نشود.

نتیجه، سیستمی با دو ستاره نوترونی است که به‌دور یکدیگر می‌چرخند. این اجرام به‌قدری چگال می باشند که با چرخش به‌دور هم امواجی در فضا-زمان به نام امواج گرانشی تشکیل می‌کنند. ستاره‌ها در تاثییر چرخش به یکدیگر نزدیک‌تر خواهد شد. این حالت وقتی به آخر می‌رسد که ستاره‌های نوترونی به حدی به هم نزدیک شوند که گرانش عظیم آن‌ها بر سیستم غالب شود و این اجرام زیاد چگال را به سمت هم بکشاند تا برخورد کرده و با هم ادغام شوند.

این برخورد، ماده‌ای غنی از نوترون را با دمایی چند میلیارد درجه سانتی‌گراد – هزاران برابر داغ‌تر از خورشید – به بیرون پرتاب می‌کند. این دماها آن‌قدر بالا می باشند که شبیه دمای حاضر در کیهان تنها یک ثانیه بعد از بیگ‌بنگ محسوب خواهد شد.

ذراتی که به بیرون پرتاب خواهد شد، همانند الکترون‌ها و نوترون‌ها، به‌دور جرمی که از برخورد دو ستاره نوترونی متولد شده است، به رقص درمی‌آیند و به‌شدت در ابری از پلاسمای داغ فرومی‌ریزند تا یک سیاه‌چاله را شکل دهند. این پلاسما در طی چند روز خنک می‌شود.

اتم‌های حاضر در این ابر درحال سردشدن، با شدت زیاد نوترون‌های آزاد را از طریق فرایندی به نام «فرایند سریع جذب نوترون» جذب می‌کنند و الکترون‌های آزاد را نیز به دام می‌اندازند. این کار علتشکل‌گیری ذراتی زیاد سنگین اما ناپایدار می‌شود که به‌شدت دچار واپاشی خواهد شد. این واپاشی نوری انتشار می‌کند که ستاره‌شناسان به آن «کیلونوا» می‌گویند و این چنین عناصری سبک‌تر ولی سنگین‌تر از آهن، همانند طلا، نقره و اورانیوم را تشکیل می‌کند. یکی از نتایج ملموس این مشاهده، شناسایی عناصر سنگینی همانند استرانسیوم و ایتریوم است. این عناصر به‌راحتی قابل‌شناسایی می باشند، اما به‌گمان زیاد عناصر سنگین فرد دیگر نیز که منشأ آن‌ها اشکار نبوده، در این انفجار به وجود آمده‌اند.

«آلبرت اسنپن»، سرپرست تیم و پژوهشگر مؤسسه نیلز بور، دراین‌خصوص می‌گوید: «این انفجار اخترفیزیکی به شکلی دیدنی و ساعت‌به‌ساعت درحال گسترش است، به‌طوری‌که هیچ تلسکوپ منفردی نمی‌تواند کل داستان آن را جستوجو کند. زاویه دید تلسکوپ‌ها نسبت به این اتفاقات به‌علت چرخش زمین مسدود می‌شود.» او گفت: «اما با ترکیب اندازه‌گیری‌های حاضر از استرالیا، آفریقای جنوبی و تلسکوپ فضایی هابل، می‌توانیم سیر تحول آن را با جزئیات زیاد جستوجو کنیم.»