یک اتم و ستاره‌های نوترونی

[بچه کرد]

یک اتم و ستاره‌های نوترونی

---

اندازه‌گیری‌هایی که بر روی فرم‌ سنگینِ اتم روی انجام یافته٬ به اخترشناسان این امکان را می‌دهد تا پوسته‌ی ستاره‌های مرده را مدل‌سازی کنند.

اندازه‌گیری دقیقِ یک اتم نامتعارف در آزمایشگاه٬ درک دانشمندان از ستاره‌های نوترونی که از اشیای بی‌نهایت دور جهان هستند٬ را پالوده است. این مطالعه که در ۲۲ ژانویه در مجله‌ی فیزیکال ریویو لیترز انتشار یافته٬ می‌تواند به دانشمندان برای تعیین اینکه پوسته‌ی ستاره‌های نوترونی به عنوان منبع ده‌ها عنصر سنگین همانند روی٬ نقره و طلا باشد٬ کمک کند.
بگفته‌ی جیمز لاتیمر٬ اخترفیزیک‌دان از دانشگاه استونی بروک در نیویورک٬ که در این مطالعه دخیل نبوده ‌است: یکی از برجسته‌ترین اسرار جهان این است که عناصر سنگین از کجا سرچشمه می‌گیرند. این اندازه‌گیری‌های جرمی به ما کمک می‌کند تا معادلاتمان را چنان تنظیم کنیم که بتوانیم به سوی فرونشاندن این بحث حرکت کنیم.

نسخه‌ی تشکیل یک ستاره‌ی نوترونی
یک ستاره‌ی نوترونی تازه شکل یافته (نقطه‌ی سفید کوچک) در مرکز ابرنواختر باقی‌مانده‌ی کاسوپیای ٬A در فاصله‌ی حدود ۱۱۰۰۰ سال نوری در این عکس از رصدخانه‌ی اشعه‌ی ایکس چاندرای ناسا. اندازه‌گیری‌هایی که بر روی فلز روی که بر روی زمین قرار دارد٬ انجام گرفته٬ سرنخ‌های جدیدی برای ترکیبات ستاره‌های نوترونی٬ در اختیار محققان قرار می‌دهد.​

ستاره‌های نوترونی به هیچ وجه دقیقاً ستاره نیستند. پس از آن‌که یک ستاره‌ی پرجرم در یک ابرنواختر منفجر می‌شود٬ بقایای آن توپی گرم و چگال با پهنایی در حدود ۲۰ کیلومتر است که از پروتون‌ها٬ الکترون‌ها و تعداد بسیار زیادی از نوترون‌ها ساخته شده است. این کره‌ی تشکیل یافته٬ در جرمی بیشتر از جرمِ خورشید چگالیده می‌شود که سطح آن طبق چیزی که توسط یک مطالعه تخمین زده شده است٬ ۱۰ میلیارد برابر قوی‌تر از استیل است. تحت این شرایطِ شدید٬ هسته‌ی اتم‌ها٬ که به شکل طبیعی ناپایدار هستند٬ قادر خواهند بود در لایه‌های خارجی ستاره‌ی نوترونی به حیات خود ادامه دهند.
ستاره‌های نوترونی خیلی دورتر از آن هستند که بتوان ترکیبات آن‌ها را مورد مطالعه قرار داد٬ علاوه بر آن دانشمندان قادر به بازتولیدِ فشارهای بی‌نهایت زیاد در آزمایشگاه نیستند ولی می‌توانند ویژگی‌های اندازه‌گیری‌شده‌ی اتم‌های مختلف غنی از نوترون را در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری که ترکیبات ستاره‌های نوترونی را پیش‌بینی می‌کنند٬ وارد سازند. فیزیک‌دانان٬ روبرت ولف از دانشگاه گریفزوالد در آلمان و یک تیم بین‌المللی به شکل ویژه به تعیین جرم روی-۸۲ می‌پردازند که پیش‌بینی می‌شود برخی از مدل‌های آنان با آن‌چه در پوسته‌ی ستاره‌های نوترونی اتفاق می‌افتد٬ منطبق باشد. روی-۸۲ هسته‌ای دارد شامل ۳۰ پروتون و ۵۲ نوترون - بسیار زیادتر از ۳۴ نوترونی که در بسیاری از شکل‌های شناخته‌شده روی وجود دارد. چالش اصلی٬ ایزوله‌سازی و اندازه‌گیری ایزوتوپ نادر است که بسیاری از آن‌ها در کمتر از یک ثانیه واپاشی می‌کنند.
در موسسه‌ی سرن در شهر سویس٬ تیمِ ولف از تاسیساتِ جداسازِ ایزوتوپِ جرمیِ روی-خط (On-Line Isotope Mass Separator) استفاده کرده‌اند؛ متشکل از پرتوی پروتونی با انرژی بالا است که به بلوک نازکی از کاربید اورانیوم برخورد می‌کند. پروتون‌ها٬ هسته‌های هدف را خرد کرده و خیل کثیری از ایزوتوپ‌هایی را ایجاد می‌کنند که به سرعت به اتم‌های پایدارتری واپاشی می‌کند. پس از آن٬ محققان اتم‌ها را در معرض میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی قرار می‌دهند که آن‌ها را بواسطه‌ی جرمشان از همدیگر جدا می‌کند و در چند دهم ثانیه٬ جرمِ نمونه‌ی خالصِ روی-۸۲ را اندازه گیری می‌کنند.
محققان این جرم اندازه‌گیری‌شده را با پیش‌بینی‌های مدل‌های کامپیوتری مختلف مقایسه کرده‌ و تعیین کرده‌اند که روی-۸۲ احتمالاً در ستاره‌های نوترونی وجو ندارد؛ چیزی که همراستا با اکثر پیش‌بینی‌های با پشتیبانی خوب٬ در موردِ ترکیبات ستاره‌های نوترونی است. لاتیمر معتقد است این جنبه از مطالعه٬ بزرگترین کمک و سهم آن نیست؛ آزمایش‌های پیشین٬ قبلاً نشان داده‌اند که مدلِ پیشتاز دقیق‌تر از دیگرِ مدل‌ها بوده است. در عوض٬ وی عمدتاً تحت تاثیر این پتانسیل تکنیکی است تا بتواند ویژگی‌های هسته‌های نامتعارفِ دیگری که ممکن است در ستاره‌های نوترونی وجود داشته باشد٬ را تعیین کند.
دانشمندان درصدد هستند تا چنان پروفایل ترکیبی را ایجاد کنند٬ زیراکه ستاره‌های نوترونی ممکن است منبع بسیاری از عناصر سنگین جهان باشند. اندرکنش‌های هم‌جوشی در هسته‌های ستاره‌های عادی٬ کربن٬ اکسیژن٬ نیتروژن و دیگر عناصر بنیادینِ زندگی را تولید می‌کنند. اما سنگین‌ترین عنصری که هم‌جوشی قادر به ایجاد آن است٬ آهن است. اخترفیزیک‌دانان مدت زمان زیادی است در پی یافتن فرآیندهای نجومی دیگر با انرژی کافی٬ برای ساختِ عناصر سنگین‌تر متشکل از پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند.
یک توضیح این است که٬ این عناصر در میان حرارت و انرژیِ بی‌نهایت زیادِ ابرنواخترها تشکیل می‌شوند- که هیچ ستاره‌ی نوترونی نیاز نیست. اما شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که این انفجارها تعدادِ ناکافیِ نوترون‌ها را داشته‌اند. آن‌چه نوترون‌ها بدان نیازمندند به یک ایده‌ی رقابتی می‌انجامد: زمانی آن عناصر سنگین تشکیل می‌شوند که دو ستاره‌ی نوترونی برخورد کنند و برخی از مواد پوسته‌ای به داخل فضا فرار می‌کنند.
برای محاسبه‌ی این امکان٬ نظریه‌پردازان نیازمند بهبود بخشیدن به مدل‌های ترکیبات ستاره‌های نوترونی هستند. بر طبق آن‌چه ولف اظهار می‌کند: اندازه‌گیری‌های جرمیِ اتم‌های سنگین روی-۸۲ به آنان کمک خواهد کرد تا به هدف خود برسند. پس از آن٬ اخترفیزیک‌دانان می‌توانند فراوانی‌ عناصر سنگین در ستاره‌های مختلف را مورد بررسی قرار داده و آن‌ها را با پیش‌بینی آن‌چه در برخورد ستاره‌‌های نوترونی تولید می‌شود٬ مقایسه کنند.