خشم این ستاره، کوهی از طلا ساخت! اما چگونه؟!

شراره عظیم یک ستاره، منشأ غیرمنتظره‌ای را برای برخی از سنگین‌ترین عناصر جهان، از جمله طلا و پلاتین، آشکار کرده است. دانشمندان در یک کشف خیره‌کننده، یک سیگنال فضایی مرموز در سال 2004 را به شراره یک مگنتار مرتبط کردند که مقادیر عظیمی از این عناصر را به وجود آورده است که احتمالاً تا 10 درصد از وجود آن‌ها در کهکشان را توضیح می‌دهد. این منبع جدید، فرضیات دیرینه مبنی بر اینکه تنها برخورد ستارگان نوترونی چنین موادی را ایجاد کرده‌اند، به چالش می‌کشد و به کارخانه‌های ستاره‌ای کشف‌نشده دیگری که در کیهان کمین کرده‌اند، اشاره می‌کند.

یک کارخانه کیهانی نادر برای طلا و پلاتین!

اخترشناسان زادگاه ناشناخته‌ای از برخی از نادرترین عناصر جهان را شناسایی کرده‌اند: یک شراره غول‌پیکر از یک ستاره فوق‌مغناطیسی معروف به مگنتار. محاسبات آن‌ها نشان می‌دهد که این فوران‌های قدرتمند ستاره‌ای می‌تواند تا 10 درصد از عرضه عناصر سنگین کهکشان، از جمله طلا و پلاتین را تشکیل دهد.

این یافته همچنین یک معمای 20 ساله مرتبط با یک فلاش روشن نور و ذرات که توسط یک تلسکوپ فضایی در دسامبر 2004 شناسایی شد را حل می‌کند. منبع این انفجار یک مگنتار بود – یک ستاره نوترونی با میدان‌های مغناطیسی تریلیون‌ها بار قوی‌تر از زمین – که یک شراره کوتاه اما شدید را آزاد کرده بود. اگرچه این شراره تنها چند ثانیه طول کشید، اما انرژی بیشتری نسبت به آنچه خورشید در یک میلیون سال تولید می‌کند، آزاد کرد. در حالی‌که شراره اصلی به سرعت درک شد، یک سیگنال ضعیف‌تر دوم که حدود 10 دقیقه بعد شناسایی شد تاکنون بدون توضیح باقی مانده بود!

یک سرنخ تاریخی، تولد یک عنصر سنگین را آشکار می‌کند

محققان مرکز اخترفیزیک محاسباتی مؤسسه فلاتیرون در شهر نیویورک اخیراً تعیین کرده‌اند که این سیگنال دوم شواهدی از تشکیل عناصر سنگین، از جمله طلا و پلاتین بوده است. بر اساس تجزیه و تحلیل آن‌ها، شراره سال 2004 ممکن است جرمی از عناصر سنگین معادل تقریباً یک سوم جرم زمین تولید کرده باشد.

این کشف که در 29 آوریل در مجله Astrophysical Journal Letters منتشر شد، تنها دومین بار است که دانشمندان به‌طور مستقیم تشکیل چنین عناصری را مشاهده می‌کنند. اولین منبع تأییدشده، برخورد دو ستاره نوترونی بود که در سال 2017 مشاهده شد.

برایان متزگر، دانشمند ارشد تحقیقاتی در CCA و استاد دانشگاه کلمبیا، یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید:

این واقعاً فقط دومین باری است که ما مستقیماً شاهد اثبات محل تشکیل این عناصر هستیم، اولین مورد ادغام ستارگان نوترونی بود. این یک جهش اساسی در درک ما از تولید عناصر سنگین است.

منشأ عناصری که در اطراف ما هستند

بیشتر عناصری که امروزه می‌شناسیم و دوست داریم، همیشه وجود نداشتند! هیدروژن، هلیوم و مقدار کمی لیتیوم در بیگ بنگ تشکیل شدند، اما تقریباً همه چیزهای دیگر توسط ستارگان در طول عمرشان یا در طول مرگ‌های خشونت‌آمیزشان ساخته شده‌اند. در حالی‌که دانشمندان به‌طور کامل درک می‌کنند که عناصر سبک‌تر کجا و چگونه ساخته می‌شوند، مکان‌های تولید بسیاری از سنگین‌ترین عناصر غنی از نوترون – عناصری سنگین‌تر از آهن – هنوز ناقص باقی مانده است.

این عناصر، که شامل اورانیوم و استرانسیم می‌شوند، در مجموعه‌ای از واکنش‌های هسته‌ای معروف به فرآیند جذب نوترون سریع یا فرآیند r تولید می‌شوند. این فرآیند به مقدار زیادی نوترون آزاد نیاز دارد – چیزی که فقط در محیط‌های شدید یافت می‌شود. بنابراین، اخترشناسان انتظار داشتند که محیط‌های شدیدی که توسط ابرنواخترها یا ادغام ستارگان نوترونی ایجاد می‌شوند، امیدوارکننده‌ترین مکان‌های بالقوه برای فرآیند r باشند.

برخوردهای ستارگان نوترونی کافی نبودند

تا سال 2017 طول کشید تا اخترشناسان بتوانند یک مکان فرآیند r را تأیید کنند، زمانی‌که برخورد دو ستاره نوترونی را مشاهده کردند. این ستارگان بقایای فروپاشیده غول‌های ستاره‌ای سابق هستند و از سوپی از نوترون‌ها آنقدر متراکم ساخته شده‌اند که یک قاشق غذاخوری از آن‌ها بیش از 1 میلیارد تن وزن خواهد داشت. مشاهدات سال 2017 نشان داد که برخورد فاجعه‌بار دو عدد از این ستارگان، محیط غنی از نوترون مورد نیاز برای تشکیل عناصر فرآیند r را ایجاد می‌کند.

با این حال، اخترشناسان متوجه شدند که این برخوردهای نادر به تنهایی نمی‌توانند تمام عناصر تولید شده توسط فرآیند r که امروزه می‌بینیم را توضیح دهند. برخی گمان می‌کردند که مگنتارها، که ستارگان نوترونی بسیار مغناطیسی هستند، نیز می‌توانند یک منبع باشند.

چگونه شراره‌های مگنتار فلزات گرانبها را ایجاد می‌کنند؟

متزگر و همکارانش در سال 2024 محاسبه کردند که شراره‌های غول‌پیکر می‌توانند موادی را از پوسته یک مگنتار به فضا پرتاب کنند، جایی‌که عناصر فرآیند r می‌توانند تشکیل شوند.

آنیرود پاتل، دانشجوی دکترا در دانشگاه کلمبیا و نویسنده اصلی مطالعه جدید می‌گوید:

بسیار شگفت‌انگیز است که فکر کنیم برخی از عناصر سنگین اطراف ما، مانند فلزات گرانبها در تلفن‌ها و رایانه‌هایمان، در این محیط‌های فوق‌العاده شدید تولید می‌شوند!

محاسبات این گروه نشان می‌دهد که این شراره‌های غول‌پیکر هسته‌های رادیواکتیو سنگین و ناپایداری ایجاد می‌کنند که به عناصر پایدار مانند طلا تجزیه می‌شوند. با تجزیه عناصر رادیواکتیو، آن‌ها علاوه بر ساخت عناصر جدید، یک درخشش نور نیز ساطع می‌کنند.

یک سیگنال فراموش شده، تفسیر دوباره

این گروه همچنین در سال 2024 محاسبه کرد که درخشش ناشی از واپاشی رادیواکتیو به صورت انفجاری از اشعه گاما، شکلی از نور بسیار پرانرژی، قابل مشاهده خواهد بود. هنگامی‌که آن‌ها یافته‌های خود را با اخترشناسان رصدخانه اشعه گاما در میان گذاشتند، متوجه شدند که در واقع، چنین سیگنالی دهه‌ها قبل دیده شده است که هرگز توضیح داده نشده بود. از آنجایی‌که بین مطالعه فعالیت مگنتارها و علم سنتز عناصر سنگین همپوشانی کمی وجود دارد، هیچ‌کس قبلاً تولید عناصر را به عنوان علت این سیگنال پیشنهاد نکرده بود.

متزگر می‌گوید:

این رویداد در طول سال‌ها تا حدودی فراموش شده بود. اما ما خیلی سریع متوجه شدیم که مدل ما کاملاً با آن مطابقت دارد.

تولید عظیم عناصر از یک شراره

اخترشناسان در مقاله جدید، از مشاهدات رویداد سال 2004 برای تخمین این موضوع استفاده کردند که این شراره 2 میلیون میلیارد میلیارد کیلوگرم عناصر سنگین (تقریباً معادل جرم مریخ) تولید کرده است. از این رو، آن‌ها تخمین می‌زنند که یک تا 10 درصد از تمام عناصر فرآیند r موجود در کهکشان ما امروزه در این شراره‌های غول‌پیکر ایجاد شده‌اند. بقیه ممکن است ناشی از ادغام ستارگان نوترونی باشند، اما با تنها یک شراره غول‌پیکر مگنتار و یک ادغام که تاکنون مستند شده است، تعیین درصد دقیق – یا اینکه آیا این تمام ماجرا است یا خیر – دشوار است.

متزگر می‌گوید:

ما نمی‌توانیم این احتمال را رد کنیم که مکان‌های سوم یا چهارمی وجود داشته باشند که ما هنوز آن‌ها را ندیده‌ایم.

کهکشان‌های اولیه، قطعات گمشده

پاتل اضافه می‌کند:

نکته جالب در مورد این شراره‌های غول‌پیکر این است که آن‌ها می‌توانند واقعاً در اوایل تاریخ کهکشان رخ دهند. شراره‌های غول‌پیکر مگنتار می‌توانند راه حلی برای مشکلی باشند که ما با آن روبه‌رو بوده‌ایم، جایی‌که عناصر سنگین بیشتری در کهکشان‌های جوان دیده می‌شود که نمی‌تواند تنها از برخوردهای ستارگان نوترونی ایجاد شده باشد.

برای محدود کردن درصدها، شراره‌های غول‌پیکر مگنتار بیشتری باید مشاهده شود. تلسکوپ‌هایی مانند مأموریت Compton Spectrometer and Imager ناسا که قرار است در سال 2027 پرتاب شود، به ثبت بهتر این سیگنال‌ها کمک خواهند کرد. به نظر می‌رسد شراره‌های بزرگ مگنتار هر چند دهه یک بار در کهکشان راه شیری و حدود یک بار در سال در سراسر جهان قابل مشاهده رخ می‌دهند – اما نکته مهم این است که به موقع آن‌ها را شکار کنیم.

متزگر می‌گوید:

به محض اینکه یک انفجار اشعه گاما شناسایی می‌شود، باید یک تلسکوپ فرابنفش را ظرف 10 تا 15 دقیقه به سمت منبع نشانه بگیرید تا اوج سیگنال را ببینید و تأیید کنید که عناصر فرآیند r در آنجا ساخته شده‌اند. این یک تعقیب و گریز سرگرم‌کننده خواهد بود.

منبع: Scitechdaily