اولین نشانه‌های شکافت هسته‌ای در کیهان

اخترشناسان برای اولین بار نشانه‌های شکافت هسته‌ای را در کیهان شناسایی کرده‌اند، چیزی که از دهه ۱۹۵۰ آن‌ها را گیج کرده بود.

به گزارش ایسنا، دانشمندان آزمایشگاه ملی لس آلاموس و دانشگاه ایالتی نورث کارولینا شواهد قانع‌کننده‌ای از شکافت هسته‌ای در کیهان، به ویژه در طول ادغام ستاره‌های نوترونی کشف کرده‌اند. این کشف باور‌های دیرینه را به چالش می‌کشد و فصل جدیدی را در درک ما از تشکیل عناصر سنگین در جهان باز می‌کند.

همجوشی هسته‌ای فرآیندی است که طی آن دو هسته اتم با هم ترکیب می‌شوند و هسته سنگین‌تری را تشکیل می‌دهند و مقادیر قابل توجهی انرژی آزاد می‌کنند. این فرآیند نقش مهمی در تولید انرژی ایفا می‌کند که درخشندگی ستاره را حفظ می‌کند.

تکرار همجوشی هسته‌ای در زمین شامل غلبه بر چالش‌هایی مانند ایجاد و حفظ دما و فشار شدید مورد نیاز برای واکنش‌های همجوشی، دستیابی به محصورسازی پایدار پلاسما و توسعه موادی است که بتوانند در شرایط سخت در یک رآکتور همجوشی مقاومت کنند.

در عوض، رآکتور‌های هسته‌ای روی زمین با شکافت هسته‌ای کار می‌کنند، جایی که اتم سنگین‌تر به اتم‌های کوچک‌تر تقسیم می‌شود و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند.

شکافت هسته‌ای یا فیژن (Nuclear fission) فرآیندی است که در آن یک اتم سنگین مانند اورانیوم به دو اتم سبک‌تر تبدیل می‌شود. وقتی هسته‌ای با عدد اتمی زیاد شکافته شود، بر پایه فرمول اینشتین، مقداری از جرم آن به انرژی تبدیل می‌شود. از این انرژی در تولید برق (در نیروگاه هسته‌ای) یا تخریب (سلاح‌های هسته‌ای) استفاده می‌شود.

همجوشی هسته‌ای، گداخت هسته‌ای یا فیوژن (Fusion) فرآیندی عکس عمل شکافت هسته‌ای است. در فرآیند همجوشی هسته‌ای هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید می‌شود. برای اینکه همجوشی امکان‌پذیر باشد، هسته‌هایی که در واکنش وارد می‌شوند باید دارای انرژی جنبشی کافی باشند تا بر میدان الکترواستاتیکی پیرامونشان فائق آیند؛ بنابراین دما‌های وابسته به واکنش‌های همجوشی فوق‌العاده بالا است.

دانشمندان مدت‌ها گمان می‌کردند که شکافت هسته‌ای در طول ادغام ستاره‌های نوترونی که یکی از آشفته‌ترین رویداد‌های کیهان است، رخ می‌دهد. آن‌ها آن‌قدر قوی هستند که امواجی را در سراسر بافت فضا-زمان روانه می‌کنند.

اکنون یک تیم تحقیقاتی به رهبری فیزیکدان نظری متیو مام‌پاور، طبق مدل‌ها و مشاهدات، اولین نشانه‌های شکافت هسته‌ای را در کیهان یافته‌اند.

مام‌پاور در بیانیه‌ای مطبوعاتی، گفت: مردم فکر می‌کردند شکافت در کیهان اتفاق می‌افتد، اما تا به امروز، هیچ‌کس نتوانسته بود آن را ثابت کند.

فرآیند جذب سریع نوترون

این مطالعه بر فرآیند جذب سریع نوترون (فرآیند r) متمرکز بود، پدیده‌ای که در محیط‌های غنی از نوترون مانند ادغام ستاره‌های نوترونی یا انواع خاصی از ابرنواختر‌ها رخ می‌دهد.

تصور می‌شود که «فرآیند r» مسئول ایجاد عناصر سنگین‌تر از آهن باشد. با این حال، جزئیات پیچیده آن مبهم باقی مانده، زیرا نمی‌توان آن را مستقیماً در یک محیط آزمایشگاهی مطالعه کرد.

این تیم تحقیقاتی، فراوانی عناصر را در ۴۲ ستاره غنی شده با مواد فرآیند r و توزیع عناصری مانند روتنیم، رودیوم، پالادیوم و نقره مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. هدف این تجزیه و تحلیل، شناسایی بیش از حد همبسته در توزیع عنصر بود که به طور اساسی فرآیند‌ها را در طول ادغام ستاره‌های نوترونی روشن می‌کند.

این فرآیند مشاهده شده در فراوانی عناصر خاص، بینش‌های ارزشمندی را در مورد مکانیسم‌ها و فعل و انفعالات خاص درگیر در ادغام ستاره‌های نوترونی ارائه می‌کند و پنجره‌ای منحصر به فرد را برای تشکیل عناصر سنگین در جهان ارائه می‌دهد.

همبستگی مشاهده شده بین فلزات سبک و هسته‌های خاکی کمیاب به عنوان یک سرنخ محوری عمل کرد. این الگوی همبستگی نه تنها پیش‌بینی‌های قبلی تیم را تأیید کرد، بلکه به دخالت شکافت هسته‌ای نیز اشاره کرد.

مقایسه دقیق همبستگی‌های پیش‌بینی شده و مشاهده شده در این مجموعه از ستارگان، شواهد قانع‌کننده‌ای ارائه کرد که نشان می‌دهد قطعات شکافت هسته‌های فرا-اورانیومی به فراوانی عنصر کمک می‌کنند و نشانه‌ای واضح را از فرآیند r نشان می‌دهد.

عنصر‌های فرا-اورانیومی (Transuranium element) عنصر‌های با عدد اتمی بالاتر از ۹۲ (عدد اتمی اورانیوم) هستند. این عنصر‌ها به طور طبیعی در زمین وجود ندارند و به صورت مصنوعی با واکنش‌های هسته‌ای ساخته می‌شوند. آن‌ها همگی پرتوزا و ناپایدار هستند و دچار واپاشی هسته‌ای شده و به عنصر‌های دیگر تبدیل می‌شوند.

مام‌پاور می‌گوید: تنها راه قابل قبولی که می‌تواند در میان ستارگان مختلف به وجود بیاید این است که فرآیندی ثابت در طول شکل‌گیری عناصر سنگین وجود داشته باشد.

پژوهشگران پس از بررسی سناریو‌های مختلف دریافتند که تنها شکافت هسته‌ای است که می‌تواند این روند مشاهده شده را به دقت تکرار کند.

عناصر فراتر از جدول تناوبی

هسته‌های اتمی، نوترون‌ها را در طول فرآیند جذب سریع نوترون (فرآیند r) می‌گیرند و عناصر سنگین‌تری ایجاد می‌کنند. برخی ممکن است بیش از حد سنگین شوند و خطر ناپایداری و تجزیه یا شکافت را در پی داشته باشند که منجر به ایجاد دو اتم از عناصر سبک‌تر و در عین حال قابل توجه می‌شود.

پژوهشگران همچنین از مدل‌های شکافت توسعه یافته در لس آلاموس برای مقایسه با داده‌های اندازه‌گیری شده استفاده کردند. آن‌ها سازش بسیار خوبی بین این دو پیدا کردند که به یافته‌های آن‌ها اعتبار بخشید.

این کشف نه تنها ظن‌های دیرینه را تأیید کرد، بلکه به وجود عناصر با جرم اتمی بیش از ۲۶۰ اشاره کرد.