رقص الکترون‌ها در نور ستاره‌های نوترونی انفجاری

مشاهده دما در ذرات بنیادی در پی برخورد ستاره‌های نوترونی

دماهای ذرات بنیادی در درخشش رادیواکتیو ناشی از برخورد دو ستاره نوترونی و تولد یک سیاه‌چاله مشاهده شده‌اند. این امر برای اولین بار امکان اندازه‌گیری ویژگی‌های میکروسکوپی و فیزیکی در این رویدادهای کیهانی را فراهم کرده است. به طور همزمان، این کشف نشان می‌دهد که چگونه مشاهدات آنی می‌توانند نمایانگر شیئی باشند که در طول زمان کشیده شده است. این کشف توسط اخترفیزیکدانان مؤسسه نیلز بور در دانشگاه کپنهاگ انجام شده و در نشریه علمی بین‌المللی «نجوم و اخترفیزیک» منتشر شده است.

روش جدید مشاهده و ایجاد عناصر سنگین

برخورد دو ستاره نوترونی، کوچک‌ترین سیاه‌چاله‌ای را که تاکنون مشاهده شده، ایجاد کرده است. این برخورد کیهانی در کنار تولد یک سیاه‌چاله، منجر به ایجاد یک توپ آتشین شد که با سرعتی نزدیک به سرعت نور در حال گسترش است. در روزهای بعد، این شیء با درخششی معادل با صدها میلیون خورشید درخشان بود. این شیء درخشان که به آن کیلونوا گفته می‌شود، به دلیل انتشار مقادیر زیادی از تابش ناشی از تجزیه عناصر سنگین و رادیواکتیو ایجاد شده در انفجار، این‌قدر روشن است.

با ترکیب اندازه‌گیری‌های نور کیلونوا که با تلسکوپ‌های مختلف در سراسر جهان انجام شده است، یک تیم بین‌المللی از محققان به رهبری مرکز «طلوع کیهانی» در مؤسسه نیلز بور به درک بهتری از ماهیت مرموز این انفجار دست یافته و به پاسخ یک سوال قدیمی اخترفیزیکی نزدیک‌تر شده‌اند: عناصر سنگین‌تر از آهن از کجا می‌آیند؟

نقش رصدخانه‌ها در مشاهدات جهانی

رصدخانه‌های مختلف در سراسر جهان در این مشاهدات شرکت کردند. «این انفجار اخترفیزیکی به طور دراماتیکی ساعت به ساعت توسعه می‌یابد، بنابراین هیچ تلسکوپ واحدی نمی‌تواند تمام داستان آن را دنبال کند. زاویه دید تلسکوپ‌های مختلف به این رویداد به دلیل چرخش زمین مسدود می‌شود. اما با ترکیب اندازه‌گیری‌های موجود از استرالیا، آفریقای جنوبی و تلسکوپ فضایی هابل، می‌توانیم توسعه آن را با جزئیات فراوان دنبال کنیم. ما نشان می‌دهیم که کل، بیشتر از مجموع داده‌های فردی است»، این را آلبرت اسنپن، دانشجوی دکترا در مؤسسه نیلز بور و رهبر این مطالعه جدید بیان می‌کند.

انفجار شبیه به جهان پس از بیگ بنگ

بلافاصله پس از برخورد، دمای مواد ستاره‌ای خرد شده به میلیاردها درجه می‌رسد.

دماهای فوق‌العاده و تشکیل عناصر سنگین

این دماها هزار بار داغ‌تر از مرکز خورشید هستند و قابل مقایسه با دمای جهان تنها یک ثانیه پس از بیگ بنگ می‌باشند. چنین دماهای شدیدی باعث می‌شود که الکترون‌ها به هسته‌های اتمی متصل نشوند و در عوض، در یک پلاسما به اصطلاح یونیزه شناور باقی بمانند. الکترون‌ها در این فضا به نوعی “رقص” می‌کنند. اما در دقایق، ساعت‌ها و روزهای بعد، ماده ستاره‌ای سرد می‌شود، درست مانند کل جهان پس از بیگ بنگ.

اثر انگشت استرانسیوم شواهدی از تشکیل عناصر سنگین در حدود ۳۷۰,۰۰۰ سال پس از بیگ بنگ است. در این زمان، جهان به اندازه کافی سرد شده بود تا الکترون‌ها بتوانند به هسته‌های اتمی متصل شده و نخستین اتم‌ها را بسازند. نور اکنون می‌توانست به راحتی در جهان حرکت کند، زیرا دیگر توسط الکترون‌های آزاد مسدود نمی‌شد. این بدان معناست که نخستین نوری که می‌توانیم در تاریخ جهان ببینیم، به اصطلاح “تابش زمینه‌ای کیهانی” است – نوری که پس‌زمینه دوردست آسمان شب را تشکیل می‌دهد.

فرایندهای مشابه در انفجار ستاره‌ای

فرایند مشابهی، که شامل اتحاد الکترون‌ها با هسته‌های اتمی است، اکنون در ماده ستاره‌ای انفجار قابل مشاهده است. یکی از نتایج ملموس این فرایند، مشاهده عناصر سنگینی مانند استرانسیوم و ایترم است. این عناصر به راحتی شناسایی می‌شوند، اما احتمالاً بسیاری از عناصر سنگین دیگر که ما از منبع آن‌ها مطمئن نبودیم نیز در این انفجار ایجاد شده‌اند.

رسموس دامگارد، دانشجوی دکترا در مرکز Cosmic DAWN و یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: “ما اکنون می‌توانیم لحظه‌ای را ببینیم که هسته‌های اتمی و الکترون‌ها در درخشش پس از انفجار به هم می‌پیوندند. برای اولین بار، شاهد تشکیل اتم‌ها هستیم و می‌توانیم دمای ماده را اندازه‌گیری کنیم و فیزیک میکروسکوپی این انفجار دوردست را ببینیم. این مانند تحسین سه تابش زمینه‌ای کیهانی است که از همه طرف ما را احاطه کرده؛ اما در اینجا، ما می‌توانیم همه چیز را از بیرون ببینیم. ما پیش از تولد اتم‌ها، در حین و پس از آن لحظه را مشاهده می‌کنیم.”

کاسپر هاینتز، نویسنده همکار و استادیار در موسسه نیلز بور ادامه می‌دهد: “ماده به قدری سریع گسترش می‌یابد و به سرعت اندازه می‌گیرد که نور برای عبور از انفجار ساعت‌ها زمان می‌برد. به همین دلیل، تنها با مشاهده انتهای دوردست توپ آتش می‌توانیم به تاریخ انفجار نگاه کنیم. نزدیک‌تر به ما، الکترون‌ها به هسته‌های اتمی متصل شده‌اند، اما در طرف دیگر، در سمت دوردست سیاه‌چاله تازه متولد شده، حال هنوز فقط آینده است.”