منجمان با رصد برخورد دو ستاره نوترونی، خلق اتم‌های سنگین را برای اولین‌بار ردیابی کردند

منجمان موفق به ثبت برخورد عظیم دو ستاره نوترونی شدند که منجر به تولد کوچک‌ترین سیاهچاله‌های مشاهده‌شده تابه‌امروز و خلق فلزات گران‌بهایی مانند 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 پس از برخورد شدند. این دستاورد برای نخستین‌بار امکان اندازه‌گیری ویژگی‌های میکروفیزیکی در این رویدادهای کیهانی را فراهم کرده است و درعین‌حال نشان می‌دهد که چگونه یک مشاهده لحظه‌ای می‌تواند تصویری از یک شیء را که در طول زمان گسترش‌یافته است، ارائه دهد.

اسنپ‌شاتی که تیم از این برخورد شدید و قدرتمند ثبت کرده، به کمک 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 گذشته، حال و آینده ادغام این ستارگان مرده ترسیم کند. همچنین این مشاهده می‌تواند منشأ عناصر سنگین‌تر از آهن را که حتی در پرجرم‌ترین ستاره‌ها هم ساخته نمی‌شوند، آشکار کند.

برخورد و ادغام ستارگان نوترونی منجر به انفجار قدرتمندی از نور به نام «کیلونوا» می‌شود. همان‌طور که بقایای این رویداد با سرعتی نزدیک به‌سرعت 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 پاسخ یک پرسش قدیمی اخترفیزیکی نزدیک‌تر شدند: عناصر سنگین‌تر از آهن از کجا می‌آیند؟

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

او ادامه داد: «این شبیه به تابش پس‌زمینه کیهانی است که از هر سو ما را احاطه کرده، ولی در اینجا، می‌توانیم همه چیز را از بیرون مشاهده کنیم. ما لحظات قبل، هنگام، و پس از تولد اتم‌ها را می‌بینیم.»

خلق عناصر سنگین پس از برخورد عظیم دو ستاره نوترونی

ستارگان نوترونی زمانی متولد می‌شوند که ستاره‌ای با جرم حداقل ۸ برابر خورشید سوخت خود برای همجوشی هسته‌ای را تمام می‌کند و به همین علت نیروی گرانش بر نیروی تابشی غالب می‌شود. لایه‌های بیرونی این ستارگان در انفجارهای ابرنواختری منفجر و بقایای ستاره‌ای با جرمی معادل بین ۱ تا ۲ جرم خورشید در قطر حدود ۲۰ کیلومتر فشرده می‌شوند.

فروپاشی هسته، الکترون‌ها و پروتون‌ها را به یکدیگر فشرده می‌کند و دریایی از ذرات به نام نوترون‌ها را ایجاد 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! بنابراین، جای تعجب نیست که ماده‌ای چنین عجیب‌وغریب نقشی کلیدی در ایجاد 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 حضور 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 ایجاد کرده، به بیرون پرتاب نشود.

نتیجه، سیستمی با دو ستاره نوترونی است که به‌دور یکدیگر می‌چرخند. این اجرام به‌قدری چگال هستند که با چرخش به‌دور هم امواجی در فضا-زمان به نام امواج گرانشی ایجاد می‌کنند. ستاره‌ها در اثر چرخش به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند. این وضعیت زمانی به پایان می‌رسد که ستاره‌های نوترونی به حدی به هم نزدیک شوند که گرانش عظیم آن‌ها بر سیستم غالب شود و این اجرام بسیار 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 هستند که مشابه دمای موجود در کیهان تنها یک ثانیه پس از بیگ‌بنگ محسوب می‌شوند.

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

اتم‌های موجود در این ابر درحال سردشدن، با سرعت زیاد نوترون‌های آزاد را از طریق فرایندی به نام «فرایند سریع جذب نوترون» جذب می‌کنند و الکترون‌های آزاد را نیز به دام می‌اندازند. این امر باعث شکل‌گیری ذراتی بسیار سنگین اما ناپایدار می‌شود که به‌سرعت دچار واپاشی می‌شوند. این واپاشی نوری منتشر می‌کند که ستاره‌شناسان به آن «کیلونوا» می‌گویند و همچنین عناصری سبک‌تر ولی سنگین‌تر از آهن، مانند طلا، نقره و اورانیوم را تولید می‌کند. یکی از نتایج ملموس این مشاهده، شناسایی عناصر سنگینی مانند استرانسیوم و ایتریوم است. این عناصر به‌راحتی قابل‌شناسایی هستند، اما به‌احتمال زیاد عناصر سنگین دیگری نیز که منشأ آن‌ها مشخص نبوده، در این انفجار به وجود آمده‌اند.

«آلبرت اسنپن»، سرپرست تیم و پژوهشگر مؤسسه نیلز بور، دراین‌خصوص می‌گوید: «این انفجار اخترفیزیکی به شکلی چشمگیر و ساعت‌به‌ساعت درحال گسترش است، به‌طوری‌که هیچ تلسکوپ منفردی نمی‌تواند کل داستان آن را دنبال کند. زاویه دید تلسکوپ‌ها نسبت به این رویداد به‌دلیل چرخش زمین مسدود می‌شود.» وی افزود: «اما با ترکیب اندازه‌گیری‌های موجود از استرالیا، آفریقای جنوبی و تلسکوپ فضایی هابل، می‌توانیم سیر تحول آن را با جزئیات فراوان دنبال کنیم.»