منشاء عناصر سنگین در زمین چیست؟ با توجه به سن عالم، زمین باید از چندمین نسل ستاره‌ها پدید آمده باشد؟

پاسخ اختصاصی به کانوت:

دکتر نجوم و اخترفیزیک، پژوهشگر در زمینه‌ی تولد ستاره‌ها و قرص‌های برافزایشی

molecule13301s

چه بسیار انسان‌هایی که آمدند و رفتند در رویایی برای تبدیل مس به طلا و چه بسیار کسانی که در این راه گام نهادند و هیچ عایدشان نشد. آرزوهای بر باد رفته‌ای که امروزه کم‌تر فرد آگاهی است که آن را جد‌‌‌ی بگیرد. شیمی به زبان خیلی خودمانی؛ علمِ چیدمانِ اتم‌ها و مولکول‌ها در کنار یکدیگر است، بدون آن که ماهیت هسته‌های تشکیل دهنده‌ی آن‌ها تغییر کند. آن چه تغییر می‌کند فقط نحوه‌ی به اشتراک گذاشتن الکترون‌ها در مدارهای مختلف؛ بین اتم‌های تشکیل دهنده است. برای چنین «دستکاری» در این نحوه‌ی اشتراک‌گذاری الکترون‌ها -که آن را پیوند می‌نامیم، پیوندی بین اتم‌ها- به انرژی زیادی لازم نیست. در آزمایشگاه‌های زمینی می‌توان چنین انرژی را به‌راحتی تامین کرد. اما اگر بخواهیم ماهیت هسته‌های اتم‌های تشکیل‌دهنده را تغییر دهیم، وضع کاملاً عوض می‌شود: اجزا تشکیل دهنده‌ی هسته، یعنی همان نوترون و پروتون، آن چنان تنگِ یکدیگر گرفتارند که برای جدایی آن‌ها از یک زندگی مشترک در هسته‌ای فرضی، باید انرژی زیادی صرف کرد. این دقیقاً همان کاری است که فرایندهای شیمیایی قادر به انجام آن نیستند. اما در اعماق ستاره‌ها، همین اتفاق در مقیاسی بس وسیع و باورنکردنی رُخ می‌دهد. از همین رو است که می‌بینیم چگونه پیشینیان در تبدیل مس به طلا؛ فقط آب در هاون می‌کوبیدند!

بنابراین، کلیه‌ی عناصر سنگینی که امروزه در زمین می‌بینیم و حتی بدن ما از آن تشکیل شده است، باید به نوعی طی همین فرایندهای «دست بردن» در ساختار هسته‌ها شکل گرفته باشند؛ فرایندهایی که از این پس آن را سنتز هسته‌ای می‌نامیم. کم‌تر از یک قرن می‌گذرد از زمانی که بشر فهمید خاستگاه انرژی شگرف خورشید، به عنوان نزدیک‌ترین ستاره، همین فرایند‌های هسته‌ای است. بخش اعظم جرم خورشید هیدروژن است. اما در قسمت‌های مرکزی‌اش با دمای نزدیک به ۱۵ میلیون درجه و چگالی بسیار بالا، این هسته‌های سبک هیدروژن هستند که به یکدیگر می‌پیوندند و هسته‌های سنگین‌تر هلیوم را تولید می‌کنند و البته مقدار عظیم انرژی تولید می‌شود. دما و چگالی بسیار زیاد بستر مناسب یعنی انرژی لازم برای سنتز هسته‌ای را فراهم می‌آورد، فرایندی که آن را گداخت هسته‌ای می‌نامیم.

خورشید فقط ستاره‌ای است معمولی. ستاره‌های بسیار بزرگ‌تر و یا کوچک‌تر هم وجود دارند که در آن‌ها هم همین فرایند گداخت هسته‌ای، خاستگاه اصلی تولید انرژی است. زمانی فرا می‌رسد که هیدروژنiStock_000010805453Medium-450x300 مرکزی به پایان می‌رسد و فقط هلیوم وجود دارد. در این زمان فرایند هلیوم‌سوزی آغاز می‌شود و اگر هلیوم‌ها تمام شوند، کربن‌سوزی و بعد اکسیژن سوزی و خلاصه این سنتز هسته‌ای ادامه می‌یابد تا به عنصر آهن برسیم. چون آهن با توجه به شرایط موجود در مرکز ستاره نمی‌تواند در فرایند گداخت هسته‌ای مشارکت کند، ستاره عملاً می‌میرد چون دیگر انرژی برای تولید ندارد. بنابراین تا عناصر سبک‌تر از آهن طی همین فرایندهای سنتز هسته‌ای می‌توانند شکل گیرند. اما برای عناصر سنگین‌تر از آهن چطور؟ این عناصر در مراحل پایانی خشونت بار ستاره‌ها که البته کم‌تر هم شناخته شده‌اند، شکل می‌گیرند. آهنگ شکل‌گیری این عناصر بسیار کم‌تر است و دقیقاً به همین دلیل هم هست که فراوانی عناصر سنگین کم‌تر هم هست.

حال زمانی که چنین ستاره‌ای می‌میرد و لایه‌های خارجی‌اش را به دنبال انفجارهایی عظیم در محیط اطراف می‌پراکند، همین عناصر تولید شده در فضا پراکنده می‌شوند و محیط را از این عناصر سنگین‌تر از هیدروژن «غنی» می‌کنند. بنابراین نسل بعدی ستاره‌ها که از همین عناصر شکل گیرند؛ قطعاً مقداری از این عناصر را به همراه خواهند داشت یعنی همان ستاره‌های نسل دو. بنابراین بی‌راه نیست اگر بگوییم آهنی که الان در بدن ما وجود دارد زمانی بسیار دور در اعماق ستاره‌ای تولیده شده که اکنون دیگر نیست و یا اگر هم هست جرم ستاره‌ای مرده‌ای است، هر چند تصور و تجسم چنین وضعیتی آسان نیست.

  • شقايق

    ممنون از آقای دکتر شادمهری که اینقدر برای جواب دادن به سوال‌ها وقت می‌گذارند. راستی ایشان الان ایران هستند یا خارج از کشور؟

    • محمد

      دکتر شادمهری چند سالی است که به ایران بازگشته اند و در دانشگاه گلستان در حال تدریس پژوهش می باشند. ایشان بدون شک مرد اول نجوم نظری کشور اند. و چه خوب است که برای جواب دادن به سوالات وقت می گذارند. اگر میخواهید می توانید به مقالات ایشان نگاهی بیاندازید:

      http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-abs_connect?return_req=no_params&author=Shadmehri,%20Mohsen

    • محمد

      البته منظورم از نجوم نظری، نجوم ستاره ای است و طبیعتا حیطه تخصصی ایشان نباید با نجوم مشاهداتی، کیهانشناسی، کیهانشناسی مشاهداتی و گرانش و سایر شاخه ها اشتباه گرفته شود، چون هر کدام تعریف مخصوص خود را دارند. شایان ذکر است که در هرکدام از این شاخه ها نیز افراد قدرتمندی از کشورمان داریم.

  • بهمن

    با تشکر فراوان از کارشناسان محترم کانوت و جناب دکتر شادمهری بخاطر صرف وقت و پاسخگویی. فقط نکته ای که همچنان مبهم است ، همانطور که دکتر شادمهری فرمودند در واکنش همجوشی هسته ای در پرجرم ترین ستاره ها هم تا مرحله تولید آهن بیشتر پیش نمی روند ، حال آنکه در زمین عناصر چگال تر از آهن مانند طلا و عناصر رادیواکتیو وجود دارد. آیا انفجارهای ابرنواختری باعث تولید چنین عناصری شده اند یا عوامل دیگری دخیل هستند ؟

  • مهدی

    گفتار آقای دکتر بسار شیوا بود اما توضیح ندادند چطور عناصر سنگین تر از آهن ادر انفجار های ابر نواختری با توجه به اینکه هسته آهن گداخت پذیر نیست چگونه بوجود می ایند.

    • محمد

      درست است که دیگر در هسته گداخت نخواهیم داشت، ولی قدرت انفجار ابرنواختری می تواند آنقدر وحشتناک و خارج از تصور باشد که در حین انفجار و برخودهای پرانرژی عناصر، احتمال شکل گیری عناصر سنگین تر می رود.

تمام حقوق این سایت برای © 2018 پرسش و پاسخ محفوظ است. خدمتی از کانون نگارش و ترجمه کانوت
قدرت گرفته از وردپرس فارسی