سیاهچاله‌­ها ناخواسته طلا می­‌سازند!

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.

Culture blackhole

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.»

Concept Black Hole Animation

«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.

فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

دیدگاهتان را بنویسید