منشأ طلا در جهان کجا است؟ پاسخ شاید در دل ستارگان نوترونی فوق‌مغناطیسی نهفته باشد

طلا فراتر از آنکه فلزی درخشان و دوست‌داشتنی برای تماشا باشد، برای دانشمندان معمایی جذاب به شمار می‌آید. اکنون مطالعه‌ای جدید که به بررسی داده‌های چند دهه‌ قبل از ناسا و آژانس فضایی اروپا (ESA) پرداخته، ممکن است پاسخ‌هایی برای معمای دیرینه درباره‌ی محل پیدایش عناصر سنگین‌تر در جهان داشته باشد.

در طول سال‌ها تحقیق، دانشمندان درک نسبتاً خوبی از نحوه‌ی شکل‌گیری بسیاری از عناصر جهان به دست آورده‌اند. عناصر سبک‌تری چون هیدروژن، هلیوم، و مقدار اندکی لیتیوم و بریلیم در نخستین دوران کیهان و پس از آنکه جهان به‌اندازه‌ای سرد شد که هسته‌های اتمی توانستند الکترون جذب کنند (حدود ۳۸۰ هزار سال پس از بیگ بنگ)، شکل گرفتند.

عناصر سنگین تا عنصر آهن، می‌توانند در دل ستارگان و تحت دما و فشار شدید از طریق همجوشی هسته‌ای تولید شوند. اما عناصر سنگین‌تری که دارای پروتون‌ها و نوترون‌های بیشتری هستند، به‌ویژه در میزان فراوانی‌ای که در جهان دیده می‌شوند، توضیح‌پذیری دشوارتری دارند.

«انیروود پاتل»، دانشجوی دکتری دانشگاه کلمبیا در نیویورک، در بیانیه‌ای از سوی ناسا گفت: «این یکی از پرسش‌های بنیادی درباره‌ی منشأ ماده‌ی پیچیده در کیهان است. معمایی جذاب که هنوز حل نشده است.»

تیم پژوهش در مقاله‌ی خود می‌نویسد: «تقریباً نیمی از عناصر سنگین‌تر از آهن در جهان از طریق فرآیند تند گیراندازی نوترون ساخته می‌شوند. با وجود شناخت این فرآیند، شناسایی محل‌های اخترفیزیکی که شرایط لازم برای این فرآیند را فراهم می‌کنند، همچنان دشوار باقی مانده است. از جمله منابع احتمالی می‌توان به ادغام ستارگان نوترونی، بادهای ناشی از ستاره‌های نوترونی اولیه در ابرنواخترهای رُمبش هسته‌ای و جریان‌های خروجی از قرص‌های برافزایشی سیاه‌چاله‌ها در رُمب‌اخترها اشاره کرد.»

با وجود آنکه این منابع نامزدهای خوبی برای تولید عناصر سنگین محسوب می‌شوند، هر یک با چالش‌هایی مواجه‌اند. برای مثال، تصور می‌شود که ادغام ستارگان نوترونی در دوره‌ای بسیار دیرهنگام از تاریخ کیهان رخ می‌دهد و بنابراین نمی‌تواند منشأ اولیه‌ی طلای کهکشانی باشد.

در پژوهش اخیر، تیم تحقیقاتی با بررسی داده‌های آرشیوی تلسکوپ‌های ناسا و آژانس فضایی اروپا به منبعی بالقوه دست یافتند که به باور آن‌ها می‌تواند منشأ حداقل ۱۰ درصد از عناصر سنگین‌تر از آهن در کهکشان باشد.

«اریک برنز»، اخترفیزیکدان و همکار نویسنده‌ی مطالعه، گفت: «ما با استفاده از داده‌های آرشیوی که تقریباً فراموش شده بودند، پاسخی برای یکی از پرسش‌های قرن یافته‌ایم.»

مطالعه‌ی جدید از این نظریه حمایت می‌کند که مگنتارها (نوعی ستاره نوترونی با میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی) می‌توانند منشأ یک تا ۱۰ درصد از عناصر سنگین کهکشان باشند. تیم پژوهشی پیش‌تر پیش‌بینی کرده بود که اگر مگنتارها منشأ این عناصر باشند، باید بتوان آثار آن را در نور مرئی و فرابنفش دید. مشکل، یافتن سیگنالی پرنور در طیف پرتو گاما بود.

«برایان متزگر»، استاد دانشگاه کلمبیا و پژوهشگر مؤسسه «فلت‌آیرون» در نیویورک، افزود: «در مقطعی گفتیم: خب، شاید بهتر باشد از رصدگران بپرسیم که آیا چیزی دیده‌اند؟»

تیم تحقیقاتی داده‌های آرشیوی مربوط به یک فوران عظیم در دسامبر ۲۰۰۴ را بررسی کردند و متوجه شدند که سیگنالی کوچک‌تر از یک مگنتار توسط «آزمایشگاه بین‌المللی اخترفیزیکی اشعه گاما» (انتگرال) ثبت شده بود. بررسی این سیگنال نشان داد که با سیگنال پیش‌بینی‌شده‌ی یک مگنتار در حال تولید و پخش عناصر سنگین در جریان فوران مغناطیسی، بسیار مطابقت دارد.

تیم پژوهشی در مطالعه‌ی خود نوشت: «این کشف که مگنتارها عناصر سنگین تولید می‌کنند، به‌عنوان دومین منبع تأییدشده‌ی فرآیند گیراندازی تند نوترون پس از ادغام ستارگان نوترونی، پیامدهایی برای تحول شیمیایی کهکشان دارد. به‌ویژه اینکه فوران‌های عظیم، منبعی تأییدشده و سریع‌الاثر در پیوند با شکل‌گیری ستاره‌ها هستند.»

یافته‌ی محققان سرنخی امیدوارکننده محسوب می‌شود؛ اما مشاهدات بیشتری برای تأیید آن لازم است. مأموریت آینده‌ی ناسا به نام COSI (طیف‌نگار و تصویربردار پرتوهای گامای کامپتون) که قرار است در سال ۲۰۲۷ پرتاب شود، به حل معما کمک خواهد کرد.

پاتل در پایان افزود: «فکر کردن به اینکه برخی از اجزای گوشی یا لپ‌تاپ من در چنین انفجار شدیدی در تاریخ کهکشان ما ساخته شده‌اند، واقعاً هیجان‌انگیز است.»

مطالعه در نشریه ژورنال اخترفیزیکی منتشر شده است.