Real Time Web Analytics طلا چگونه خلق شده؟ به دنبال منبع تولید طلا در مکان‌های عجیب کیهان (+اینفوگرافیک) | دیپ لوک

طلا چگونه خلق شده؟ به دنبال منبع تولید طلا در مکان‌های عجیب کیهان (+اینفوگرافیک)

0

طلا یکی از باارزش‌ترین عناصری است که می‌شناسیم. این عنصر ارزشمند با عدد اتمی ۷۹، یکی از رازهای سربه‌مُهری است که در حوزه اخترفیزیک هم ارزش زیادی دارد. دانشمندان با ارائه نظریه‌های مختلف در جستجوی منبع تولید طلا هستند. در دهه‌های اخیر، آنها بر این باور بوده‌اند که انفجار ابرنواخترها باعث شکل‌گیری عناصر سنگینی همچون طلا در کیهان می‌شود اما دلایل زیادی برای تردید درباره صحت این ادعا مطرح شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

در طول تاریخ و در فرهنگ عامیانه، همیشه این سوال وجود داشت که عنصر طلا از کجا بر روی زمین آمده است؟ جواب این سوال به پژوهش‌های فوق‌العاده‌ای انجامید که شاید بتوان ادعا کرد نقش مهمی در پیشرفت اخترشناسی نوین داشته است. برای بدست آوردن نگرش کاملی درباره این موضوع، باید به گذشته برگردیم و ببینیم چه جوابی برای منبع تولید طلا داده‌اند. یکی از این جواب‌های قدیمی، وجود طلا را از خدای خورشید و عرق خورشید می‌دانست. ارسطو طلا را آب سختی توصیف می‌کرد که به واسطه نفوذ پرتوهای خورشیدی به اعماق زمین تشکیل می‌شود. همچنین اسحاق نیوتن دستوری برای تولید طلا از روی سنگی جادویی نوشت.

واضح است که این جواب‌ها برای انسان‌های قرن بیست‌ویکم، به هیچ وجه، معقول به‌نظر نمی‌رسند، بنابراین اجازه دهید به سراغ اخترشناسان و جواب‌های آنها را برویم.
اخترشناسان جوابی روشن دارند: در حدود ۴ میلیارد سال قبل در دوره‌ای به‌نام late veneer، شهاب سنگی که در آن، مواد ارزشمندی همچون طلا وجود داشته با سطح زمین برخورد کرده و به همین دلیل، اکنون طلا روی زمین وجود دارد. اما حتی این جواب هم قانع‌کننده نیست و هنوز هم سوالات اساسی در مورد وجود طلا در کیهان بی‌پاسخ مانده است. سال‌های زیادی، این عقیده وجود داشت که انفجار ابرنواخترها باعث تشکیل ده‌ها تن از عناصر سنگین جدول مندلیف و طلا می‌شود، اما مدل‌سازی‌های رایانه‌ای در مورد ابرنواخترها نشان داد که در بسیاری ار انفجارها به اندازه‌ای که کیمیاگران در طول تاریخ توانسته اند طلا بسازند از این عنصر تشکیل می‌شود یعنی عملا طلایی تشکیل نمی‌شود! پس باید به فکر نظریه‌ی دیگری بود.
در سال های اخیر بحث درباره دلیل وجود طلا بر روی زمین بسیار داغ شده و توجه بسیاری از اخترشناسان را به‌خود جلب کرده است. بسیاری از اخترشناسان بر این باورند که فروپاشی دو ستاره نوترونی، دلیل شکل‌گیری عناصر سنگین است و دیگر حرفی از ابرنواخترها در میان نیست. فیزیکدانان برای مقبول جلوه دادن این نظریه، در سراسر کیهان، به دنبال سرنخ هستند: از شبیه سازی های رایانه‌ای گرفته تا تلسکوپ های اشعه گاما و بررسی منگنز اعماق اقیانوس‌ها.

منبع تولید طلا و سایر عناصر سنگینعصر ابر نو اخترها

در سال ۱۹۵۷ فیزیکدانانی به‌نام‌های مارگارت و جفری بریج، ویلیام فاولر و فرد هویل، ساختاری کلی برای تولد، زندگی و مرگ ستارگان ارائه کردند. این ساختار نشان داد که انسان یا حداقل عناصر موجود در بدن انسان به طور ضمنی ساختار مشابهی با ستارگان دارند. اگرچه دستاورد آنها توانست به بسیاری از سوالات پاسخ دهد اما به گفته آنا فریبل (اخترشناس موسسه تکنولوژی ماساچوست)، مشکل اصلی در مورد طلا، همچنان پاربرجاست: طلا از کجا آمده است؟
پس از بیگ بنگ، عناصر سبکی همچون هیدروژن، هلیوم و لیتیم تشکیل شدند و پس از آن به تدریج عناصر سنگین شکل گرفتند تا اینکه نوبت شکل‌گیری عنصر آهن رسید که پایدارترین عنصر در میان عناصر است، اما این روند شکل‌گیری متوقف شد و دلیلش آن بود که هسته‌های بزرگتر از آهن، بار مثبت زیادی در خود دارند و گرد هم آوردن این بارهای مثبت به دلیل نیروی دافعه، کار دشواری است. اما کیهان از تلاش خود دست برنداشت و برای شکل‌گیری عناصر سنگین، بمباران نوترونی هسته آهن را انتخاب کرد. اضافه شدن این نوترون‌ها باعث شد هسته ناپایدار شده و شروع به فروپاشی و همچنین تابش پروتون کند. این پروتون‌های اضافی منجر به تشکیل عناصر سنگین شدند.
در فرآیند بمباران آهسته نوترون، وقتی نوترون‌ها آرامتر از سرعت واپاشی هسته بر آن سقوط می‌کنند، باعث واپاشی آهسته هسته شده و عناصر سبکی همچون استرانسیم، باریم وسرب شکل می‌گیرند، اما وقتی سرعت سقوط نوترون ها از سرعت واپاشی هسته بیشتر باشد، فرآیند بمباران سریع نوترون (فرآیند r) اتفاق می‌افتد که باعث شکل گیری عناصر سنگینی همچون اورانیوم و طلا می‌شود.
برای بررسی دقیق و علمی و به رسمیت شناختن فرایند r، دانشمندان، سه شرط را لازم می‌دانند: اول، یک منبع نسبتا خالص از تونرون در اختیار باشد. دوم، هسته های سنگینی همچون آهن، موجود باشد تا فرآیند بمباران نوترون اتفاق بیفتد. سوم، یک محیط چگال، موجود باشد. حالا همه چیز برای یک انفجار بزرگ، مهیاست که محصولات حاصل از آن در سراسر فضا بخش می‌شود. به نظر اخترشناسان تمامی این شرایط در ابرنواخترها فراهم است.
یک ابرنواختر زمانی شروع به انفجار می‌کند که ستاره‌ای با جرم عظیم در داخل هسته که سوخت آن تمام شده، شروع به مرگ کرده و به داخل آن سقوط می‌کند مثل اتفاقی که داخل خورشید می افتد و پرتوهای حاصل از آن به زمین می‌رسد، پس زمانی که هسته چگال می‌شود ابرنواختر آماده انفجار است. چنین به‌نظر می‌رسد که ابرنواختر یک جعبه‌ی عنصرساز است. در خلال تصادم یک ستاره، پروتون و نوترون داخل هسته بر یکدیگر نیرو وارد کرده و باعث شکل گیری نوترون می‌شوند و یک ستاره نوترونی خلق می‌شود. آهن درون ستاره‌های نوترونی، فراوان بوده و دمای زیادی دارد که این امر باعث تشعشع شده و هسته های آهن و نوترون در سراسر فضا گسترده می‌شود.
در سال ۱۹۹۰، یک تصویر ویژه از طریق مدل های محاسباتی بدست آمد: نیم ثانیه بعد از آنکه هسته‌ی سنگین ستاره، شروع به فروریزش می‌کند، گروهی از نوترون ها از آن خارج می‌شوند. به دلیل وجود طوفان های کیهانی، هسته های آهن موجود در فضا با تعداد زیادی از این نوترون ها برخورد می‌کنند. به این ترتیب، امید به صحت نظریه شکل گیری طلا از انفجار ابرنواخترها، جان تازه‌ای گرفت. توماس جانک از موسسه ماکس پلانک در این باره می‌گوید:

بسیار هیجان‌انگیز بود که بعد از بیست سال، تاییدی برای وقوع فرایند r بدست آمد و طرفداران این نظریه را امیدوار کرد. هر کتاب نجومی را باز کنید خواهید دید که در اثر انفجار ابرنواخترها، فرایند r رخ می‌دهد

اما مدل ابرنواختر نتوانست خیلی دوام بیاورد و در وضعیت پیچیده‌ای قرار گرفت. دمای باد نوترونی به اندازه کافی بالا نیست که شرایط وقوع انفجار را فراهم کند. سرعت این باد آنقدر کم هست که نمی‌تواند هسته‌ها را به نوترون‌ها برساند. از طرفی وجود نوترینو باغث تبدیل نوترون به پروتون می‌شود، به این ترتیب ساخت عناصر سنگین منتفی است. این همان نقطه ضعفی بود که مخالفان روی آن دست گذاشتند و اصرار داشتند که ابرنواخترها باعث شکل گیری ستاره نوترونی می‌شود. استفان روسگ از دانشگاه استکلهم معتقد است ستاره‌های نوترونی، نوع فوق‌العاده‌ای از سنتز هسته ای هستند. او می‌گوید:

شما با منبع بسیار بزرگی از نوترون ها روبرو هستید که در هیچ جای هستی نمی‌توانید نظیر آن را پیدا کنید. اما باید در نظر داشت که ستارهای نوترونی یک میدان گرانشی قوی دارند. چگونه امکان دارد که این میدان اجازه خروج چیزی را بدهد؟

یکی از راههای خروج ذرات، انفجار ستاره نوترونی است که البته امکان وقوع آن بسیار پایین است، پس اجازه دهید کمی به عقب بازگشته و جزییات را بررسی کنیم.

داستان ستاره نوترونی

در سال ۱۹۷۴، اخترشناسان اولین ستاره دوتایی نوترونی را پیدا کردند که با هر بار چرخش، انرژی از دست می‌داد. با این اوصاف، بالاخره روزی آنها باهم برخورد می‌کردند. در همان سال، ستاره شناسانی به‌نام‌های جیمز لاتیمر و دیوید شرام، الگوی چنین سیستمی را البته نه بطور دقیق توضیح دادند، چرا که محاسبات بسیار دشوار بود و آنها یک سیستم دوتایی ستاره نوترونی و سیاه چاله را در نظر گرفتند. در حالی که می‌توان اثرات انفجار ابرنواختر که کهکشان میزبان را تحت الشعاع قرار می‌دهد، مشاهده کرد؛ در مورد ستارهای نوترونی چنین امکانی وجود ندارد. سحابی خرچنگ که از انفجار یک ابرنواختر شکل گرفته است در سال ۱۰۵۴ به راحتی مشاهده شد، اما تشخیص یک ستاره نوترونی تا سال ۱۹۶۸ میسر نگردید. اکنون نیز مشاهده ادغام دو ستاره نوترونی و محاسبات مربوط به آن مشکل است. با وجود اینکه هنوز شواهد مستحکمی برای صحت مدل ستاره نوترونی، بدست نیامده، اما همچنان فرآیند ‌r را به آن، نسبت می‌دهند.
در سیستم دوتایی ستاره نوترونی، در چند مدار آخر اطراف هر ستاره، نشانه هایی از برخورد آنها دیده می‌شود؛ یعنی این دو، بر یکدیگر نیرو وارد کرده و دارای گرانش هستند. آنها می‌توانند مقدار عظیمی از مواد را به بیرون پرتاپ کنند. برای درک موضوع، یک خمیر لوله خمیر دندان را درنظر بگیرید که با فشار دست شما، ماده‌ی داخل آن بیرون آمده و آزاد می‌شود، در ستاره نوترونی دوتایی هم چنین اتفاقی می‌افتد. شاید به ازای هر پروتون، ۱۰ نوترون وجود داشته باشد که درجه حرارتی بسیار بالایی دارند. هسته های سنگین در عرض یک ثانیه تشکیل می‌شوند، از طرفی چون تعداد زیادی نوترون وجود دارد که باعث ناپایداری هسته ها می‌شوند و خاصیت رادیواکتیو به هسته ها می‌دهند و شاید همین دلیل شکل گیری عنصر طلا باشد. در اینفوگرافیک زیر، می‌توانید مطالب گفته شده در بالا را به صورت گرافیکی مشاهده کنید:

اینفوگرافیک منبع تولید طلا در جهان
اینفوگرافیک منبع تولید طلا در جهان

این نوشتار برگرفته از مقاله منتشرشده در سایت quantamagazine است. مقاله ژورنالی مرتبط را در زیر مشاهده کنید:

Download (PDF, Unknown)

متولد آخرین روز بهار عاشق فیزیک فلسفه و ادبیات در حال حاضر دانشجوی فیزیک گرایش محاسبات و اطلاعات کوانتومی

ارسال نظر

*