جهان هستی شاید از آنچه فکر می‌کنیم روش‌های بیشتری برای ساخت عناصر سنگین در اختیار دارد. ساخت فلزاتی مانند طلا، نقره، توریوم و اورانیوم نیازمند شرایط پرانرژی نظیر انفجار ابرنواختری یا برخورد بین ستارگان نوترونی است.
به گزارش بیگ بنگ، هرچند یک پژوهش جدید نشان می‌دهد که وقتی سیاهچالۀ فعالِ تازه متولدشده‌ای غبار و گاز فضای اطراف خود را می‌بلعد، قرص چرخان و آشوبناکی پیرامون آن را فرا می‌گیرد که میتواند خاستگاه تشکیل این عناصر باشد. در چنین شرایط عجیبی، نرخ بالای تابش نوترینوها میتواند تبدیل پروتون‌ها به نوترون‌ها را سرعت بخشد – فرآیندی که منجر به تولید نوترون اضافی می‌شود و برای فرآیند “تولید عناصر سنگین” ضروری است.
“الیور جاست”، اخترفیزیکدان مرکز تحقیقات یون سنگین GSI هلمهولتز در آلمان گفت: «ما در پژوهش خود موفق شدیم برای اولین‌بار و به طور هدفمند از طریق شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیچیده، نرخ تبدیل نوترون‌ها و پروتون‌ها را برای انواع قرص برافزایشی سیاهچاله محاسبه کنیم.
در ابتدای کیهان و پس از رویداد بیگ بنگ، هنوز عناصر زیادی تشکیل نشده بود. در واقع قبل از آنکه ستاره‌ها متولد شوند و هسته‌های اتمی را در مراکز خود به هم بکوبند، کیهان همچون سوپی بود که بیشتر از “هیدروژن” و “هلیوم” تشکیل شده بود. این گداخت هسته‌ای در ستارگان بود که کیهان را از “عناصر سنگین” سرشار کرد. این عناصر، از کربن گرفته تا آهن که در هستۀ سنگین‌ترین ستارگان ساخته می‌شود، با مرگ ستارگان در سرتاسر فضا پخش و پلا می‌شوند.
اما آهن عنصری است که فرآیند گداخت هسته‌ای را دچار مشکل می‌کند. حرارت و انرژی لازم برای تولید آهن به روش گداخت از انرژی تولید شدۀ حین فرآیند بیشتر است، بنابراین دمای هسته، افت می‌کند و به نوبۀ خود مرگ ستاره را با انفجاری تماشایی رقم می‌زند که به آن «ابرنواختر» می‌گویند.
همین انفجار تماشایی (و انفجار حاصل از برخورد ستارگان نوترونی) است که عناصر سنگین‌تر را گداخته می‌کند. این انفجارها به قدری پرانرژی هستند که اتم‌ها می‌توانند به شدت به هم برخورد کنند و نوترون‌های یکدیگر را جذب نمایند. این فرآیندها به «فرآیندهای سریع جذب نوترون» یا «فرآیند r» معروفند. جذب نوترون باید واقعاً سریع باشد تا پیش از آنکه تلاشی رادیواکتیو بتواند رخ دهد، نوترون‌های بیشتری به هسته اضافه شوند.
هنوز مشخص نیست که آیا «فرآیند r» میتواند طی سناریوهای دیگری هم روی دهد، اما سیاهچاله‌های تازه متولدشده گزینۀ مناسبی هستند. وقتی دو ستاره نوترونی با هم ادغام می‌شوند، ترکیب جرم آنها کافی است تا جرم تازه تشکیل شده را در فهرست سیاهچاله‌ها قرار دهد. “فروپاشی‌ها” نیز احتمال دیگری را شامل می‌شوند: «رُمبش گرانشی هسته ستارۀ سنگین به سیاهچاله‌ای با جرم ستاره‌ای.»
در هر دو مورد، به نظر می‌رسد سیاهچالۀ نوزاد با یک حلقه چگال و داغ از مواد احاطه شده که به طور مارپیچی دور آن می‌چرخد و مانند آبی که درون چاه تخلیه می‌شود “سیاهچاله” را تغذیه می‌کند. در چنین شرایطی، نوترینوها به مقدار فراوان گسیل می‌شوند و اخترشناسان مدت زیادی است که فرض می‌کنند هسته‌زایی به روش جذب سریع میتواند نتیجۀ این فرآیند باشد.
محققان یک شبیه‌سازی را اجرا کردند تا مشخص کنند که آیا واقعاً چنین فرآیندی رخ می‌دهد. آنها جرم و اسپین سیاهچاله و جرم مواد پیرامون آن را تغییر دادند و همچنین تأثیر پارامترهای مختلف را بر نوترینوها سنجیدند. سپس دریافتند که اگر شرایط مناسب باشد، هسته‌زایی به روش «فرآیند r» میتواند در چنین مناطقی رخ دهد.
“جاست” عنوان کرد: «در این فرآیند، عامل تعیین کننده جرم کل قرص است. هرچه جرم قرص بیشتر باشد، پروتون‌ها تحت تابش نوترینوها، الکترون جذب کرده و نوترون‌های بیشتری تولید می‌کنند که برای سنتز عناصر سنگین از طریق «فرآیند r» در دسترس خواهند بود.»
«با وجود این، اگر جرم قرص خیلی زیاد باشد، عکس این واکنش نقش تعیین کننده‌تری دارد، به طوری که نوترینوهای بیشتری پیش از آنکه قرص را ترک کنند دوباره جذب نوترون‌ها خواهند شد. سپس این نوترون‌ها دوباره به پروتون تبدیل می‌شوند و «فرآیند r» را مختل می‌کنند.
این محدودۀ مطلوب که در آن عناصر سنگین به مقدار فراوان تولید می‌شوند، قرصی به جرم ۱ تا ۱۰ درصد جرم خورشید است. به این معنی که ستارگان نوترونی ادغام شونده‌ای که جرم قرص آنها در این محدوده است می‌توانند کارخانه‌های تولید عناصر سنگین باشند. پژوهشگران می‌گویند، از آنجایی که هنوز مشخص نیست این نوع قرص‌های برافزایشی چقدر متداول باشند، هنوز نمی‌توان دربارۀ تأثیر آنها بر تولید عناصر سنگین قضاوت کرد.
قدم بعدی این خواهد بود که تعیین کنیم چگونه نور گسیل شده از برخورد ستاره نوترونی میتواند برای محاسبۀ جرم قرص برافزایشی آن به کار رود. “اندریاس بازواین”، اخترفیزیکدان مرکز تحقیقات یون سنگین GSI هلمهولتز عنوان کرد: «این داده‌ها هم اکنون کافی نیستند. اما با وجود نسل بعدی شتاب‌دهنده‌ها، نظیر مرکز تحقیقات پادپروتون و یون (FAIR) در دارمشتات آلمان ممکن است بتوانیم در آینده آنها را با دقت بی‌سابقه‌ای اندازه‌گیری کنیم.» جزئیات بیشتر این پژوهش در ماهنامه انجمن نجوم سلطنتی منتشر شده است.
منبع: سایت علمی بیگ بنگ