کهکشان راه شیری چگونه 9 تریلیون کیلوگرم پاد ماده در هر ثانیه تولید می کند؟

«پاد ماده» (Antimatter) نسبتاً کمیاب است، اما از آنجایی که در جهانی پهناور زندگی می کنیم، حتی مقادیر ناچیز آن نیز می توانند به سرعت گرد هم آیند. تنها در کهکشان خودمان، حجم عظیمی از تابش های کیهانی وجود دارد که نشان می دهند پوزیترون ها (ضد ذره الکترون) با سرعت به سمت الکترون ها هجوم برده و آنها را نابود می سازند.

دانشمندان هنوز به درستی منشأ پاد ماده جهان هستی را نمی دانند

این فرایند در ابعاد کهکشان ما، بدین معناست که با مقادیر بسیار زیادی پوزیترون روبرو هستیم. برآوردها نشان می دهند در هر ثانیه در حدود 9.1 تریلیون کیلوگرم پاد ماده نابود می شوند، اما منشأ آنها کجاست؟ پاسخ به این سؤال را هنوز نمی دانیم، اما دانشمندان به ذرات ماده تاریک و سیاهچاله های کلان جرم مشکوک هستند. حال مقاله ای جدید منتشر شده که منبع تازه ای را برای این ذرات معرفی می کند: دسته ای خاص از ابرنواختر ها که حجم زیادی تیتانیوم رادیواکتیو تولید کرده و واپاشی آنها به آزادسازی پوزیترون می انجامد.

معما

در کره خاکی، پوزیترون ها بر اثر فعالیت رادیواکتیو تولید می شوند، اما سریعاً به الکترون های عادی برخورد کرده و این تصادم، هردوی آنها را نابود می کند. در این فرایند، انرژی به صورت فوتون آزاد می گردد. با این حال ترکیبات بین ستاره ای در فضا آنقدر پراکنده هستند که احتمال می رود پوزیترون قبل از برخورد به چیزی، تا یکصد هزار سال نوری مسافت را طی کند. به همین دلیل نمی توان منبع اصلی پوزیترون را شناسایی کرد. بنابراین حتی اگر اجرامی در فضا وجود داشته باشند که پوزیترون تولید کنند، به سختی قادر به شناسایی آنها خواهیم بود.

در مرکز کهکشان راه شیری حجم عظیمی از پوزیترون دیده می شود

در نزدیکی مرکز کهکشان راه شیری، توده عظیمی از پوزیترون ها حضور دارند. از آنجا که در این قسمت ستاره های کمتری در مقایسه با صفحه کهکشانی (دیسک) داریم، بنابراین تصور می شد ستاره ها نقش چندانی در تولید آنها نداشته اند. با این حال محققین در مقاله جدید خود می گویند پوزیترون های زیادی از منبع صفحه کهکشانی به وجود می آیند و بخش اعظم این ذرات در سیاهچاله مرکزی تولید می شوند. به نظر می رسد تولید پوزیترون ها توسط صفحه و مرکز کهکشان تقریباً با تعداد ستاره های این قسمت متناسب باشد، و به همین دلیل دوباره فرضیه منبع ستاره ای برای پوزیترون ها مطرح شده است.

پاسخ معما

چطور ستاره ای که پر از ماده است، می تواند پاد ماده تولید کند؟ انفجار، پاسخ این سؤال است. ابرنواختر ها ذرات سنگین زیادی را به وجود می آورند که برخی از آنها رادیواکتیو هستند، و بخش خاصی از این عناصر بر اثر واپاشی، پوزیترون آزاد می کنند. در واقع دانشمندان سه عنصر را شناخته اند که چنین کاری از آنها بر می آید: (56)Ni و (44)Ti و (26)Al.

ایزوتوپ نیکل (56) کوتاه ترین نیمه عمر را در بین سه مورد فوق دارد و تنها طی شش روز واپاشیده می شود. به خاطر واپاشی سریع، بیشتر پوزیترون ها در زمانی آزاد می شوند که ابرنواختر هنوز به شدت چگال است. به همین دلیل، این پوزیترون ها درون خود ابرنواختر از بین می روند و پدیده ای به شدت نورانی را به وجود می آورند. بنابراین نیکل (56) از فهرست خط می خورد.

در مقابل، ایزوتوپ آلومینیوم (26) نیمه عمری بیش از 10 هزار سال دارد و به راحتی می تواند از دام ابرنواختر بگریزد. از آنجا که این ایزوتوپ به دور از دیگر منابع تابش واپاشی می شود، می توانیم فوتون های حاصل از مرگ آنها را شناسایی کنیم و تعداد پوزیترون های تولید شده را اندازه بگیریم. محاسبات نشان می دهند آلومینیوم (26) تنها 10 درصد نرخ نابودی پوزیترون دارد و بنابراین نمی تواند عامل تشکیل 90 درصد دیگر پوزیترون های موجود در کهکشان باشد.

نیمه عمر ایزوتوپ تیتانیوم (44) حدود 60 سال است که برای فرار از ابرنواختر قبل از تشکیل پوزیترون ها کافی به نظر می رسد

نهایتاً به ایزوتوپ تیتانیوم (44) می رسیم، که نیمه عمری برابر 60 سال دارد. این رقم به اندازه کافی بزرگ است تا ذرات را پیش از تولید پوزیترون از آوار ابرنواختر نجات دهد، و می توانیم واپاشی آن را پس از فروپاشی ستاره ها مشاهده کنیم. دنبال کردن فرایند واپاشی با استفاده از فوتون های آزاد شده، نشان می دهد به اندازه کافی تیتانیوم در بقایای ابرنواختر وجود ندارد که حجم عظیم پوزیترون های کهکشان را توجیه کند، و به نظر می رسد این گزینه هم باید حذف گردد.

با این حال دانشمندان به کشف جدیدی نائل آمدند. دسته بسیار نادری از ابرنواختر ها به نام SN-1991bg می توانند مقادیر بسیار زیادی تیتانیوم تولید کنند. این ابرنواختر ها زمانی حاصل می شوند که دو ستاره با اندازه متوسط به یکدیگر نزدیک شده و پوششی مشترک را تشکیل دهند. یکی از این دو به کوتوله سفیدی از جنس کربن-اکسیژن بدل می شود، و دیگری به گویی از هلیوم تقریباً خالص تبدیل می گردد. نهایتاً پس از برخورد این دو ستاره، انفجار حاصل به تولید حجم عظیمی از اتم های سنگین تر از جمله کلسیم، کروم و تیتانیوم می انجامد.

توسعه مدل ویژه و شبیه سازی کامپیوتری می تواند این فرضیه محتمل را به اثبات برساند

اخترشناسان توانسته اند واپاشی تیتانیوم را پس از وقوع این انفجارهای سهمگین دنبال کنند و به این نتیجه رسیدند که نرخ این انفجار به اندازه کافی زیاد است تا جریانی پیوسته و مداوم از تیتانیوم رادیواکتیو را تولید نماید. سؤال کلیدی این است که آیا این واقعه می تواند 90 درصد پوزیترون های کهکشان که از آلومینیوم تولید نشده اند را به وجود آورد؟ بر اساس مدل ساده شده واکنش های همجوشی زنجیره ای، چنین چیزی ممکن است. حال محققین از دیگر دانشمندان و مراکز پژوهشی کمک می خواهند تا بتوانند مدل های پیچیده ابرنواختر را شبیه سازی کرده و به نتیجه دقیق برسند.

این تحقیق پاسخ نهایی و قطعی برای پاد ماده در کهکشان ما محسوب نمی شود، اما می توان آن را توضیحی منطقی برای آزمایشات بعدی در نظر گرفت. مشاهدات عینی و مدل سازی کامپیوتری، صحت این موضوع را مشخص خواهند کرد.