ستاره‌های نوترونی هنگام برخورد با یکدیگر، مثل بیگ بنگی کوچک منفجر می‌شوند

در اوت ۲۰۱۷، بشریت شاهد یک شگفتی بود. برای اولین بار ما شاهد برخورد دو ستاره‌ نوترونی بودیم؛ رویدادی که توسط تلسکوپ‌های سراسر جهان مشاهده شد و با آشوب گرانشی ناشی از ادغام دو جرم و تشکیل سیاه‌چاله، خبر آن به گوش ما رسید.

حتی همان موقع می‌دانستیم که آن رویداد که یک انفجار کیلونوا به نام AT2017gfo بود، داده‌های علمی کافی را برای سال‌های آینده به ما می‌دهد. حالا دانشمندان داده‌های تلسکوپ‌های مختلف را گردآوری کرده‌اند تا بتوانند روزهای پس از وقوع کیلونوا (گران‌نواختر) و توپ آتشین رو به گسترش آن را که باعث تولد انبوهی از عنصرهای سنگین شد، بازسازی کنند.

به‌گزارش ساینس‌آلرت، گروهی پژوهشی به رهبری آلبرت اسنپن، اخترفیزیکدان مؤسسه نیلز بور در دانشگاه کپنهاگ، می‌گوید کیلونوای یادشده با سوپ داغی از ذرات که سرد و به ماده تبدیل می‌شوند، بسیار شبیه به بیگ‌بنگ تکامل یافته است. اسنپن توضیح می‌دهد:

این انفجار اخترفیزیکی به شکل چشمگیری به صورت ساعت به ساعت گسترش می‌یابد بنابراین هیچ تلسکوپی نمی‌تواند به‌صورت مستقل داستان کامل آن را دنبال کند. زاویه‌ی دید هر تلسکوپ در این رویداد با چرخش زمین مسدود می‌شود؛ اما با ترکیب اندازه‌گیری‌های موجود از استرالیا، آفریقای جنوبی و تلسکوپ فضایی هابل می‌توانیم رشد آن را با دقتی بالا دنبال کنیم.

نکته شگفت‌انگیز در مشاهدات از AT2017gfo، شکل‌گیری عنصرهای سنگین بود. تعداد زیادی از عنصرها داخل ستاره‌ها شکل می‌گیرند؛ جایی که فرآیندهای همجوشی هسته‌ای باعث برخورد اتم‌ها با یکدیگر و درنهایت شکل‌گیری اتم‌های سنگین‌تر می‌شود؛ اما محدودیتی برای شکل‌گیری این عنصرها وجود دارد.

ستاره‌ها نمی‌توانند عنصرهای سنگین‌تر از آهن را بسازند؛ زیرا انرژی لازم برای انجام این فرآیند بسیار بیشتر از انرژی تولیدشده در فرآیند همجوشی است. شکل‌گیری عنصرهای سنگین‌تر از آهن مستلزم رویدادی بسیار پرانرژی‌تر مثل ابرنواختر است. AT2017gfo ثابت کرد کیلونواهای ستاره نوترونی هم می‌توانند کارخانه تولید عنصرهای سنگین باشند؛ به‌طوری‌که ستاره‌شناس‌ها در نور منتشرشده از انفجار، ردپایی از عنصر سنگین استرانسیم را کشف کردند.

اسنپن و همکارانش تحلیل خود را یک گام فراتر بردند. آن‌ها با بررسی دقیق مجموعه داده‌ها توانستند تکامل ساعتی کیلونوا و شکل‌گیری عنصرهای سنگین موسوم به عنصرهای فرآیند r را داخل آن مشاهده کنند.

وقتی دو ستاره‌ نوترونی با یکدیگر برخورد کنند، کیلونوای اولیه‌ی ستاره نوترونی منفجرشده بسیار داغ است و دمای آن می‌تواند به میلیاردها درجه برسد که با گرمای بیگ‌بنگ مقایسه‌پذیر است. در چنین محیط بسیار داغ و پلاسمایی، ذرات بنیادی مثل الکترون‌ها می‌توانند آزادانه و بدون محدودیت حرکت کنند.

با سردشدن و انبساط کیلونوا، ذرات یکدیگر را جذب می‌کنند و به اتم تبدیل می‌شوند. به گفته‌ی پژوهشگرها، این فرآیند به دوره‌ی آغازین تاریخ جهان موسوم به دوره بازترکیبی شبیه است.

تقریبا ۳۸۰ هزار سال پس از بیگ‌بنگ، جهان به اندازه‌ی کافی سرد شد؛ به گونه‌ای که ذرات موجود در سوپ پلاسمایی آغازین ترکیب شدند و اتم‌ها را تشکیل دادند. سوپ پلاسمایی امکان انتشار نور در جهان را نمی‌داد و این باز‌ترکیب به معنی حرکت آزادانه نور در جهان بود.

فرآیند ترکیب دیده‌شده در کیلونوای ستاره نوترونی شباهت زیادی به اتفاقات عصر بازترکیب دارد و نشان می‌دهد کیلونوا هم می‌تواند آزمایشگاهی قوی برای بررسی تکامل جهان آغازین در مقیاس کوچک باشد. پژوهشگرها همچنین توانستند وجود استرانسیم و ایتریم در کیلونوای در حال تکامل را تأیید کنند که نشان می‌دهد انفجارهای کیلونوا منبع عنصرهای سنگین در جهان هستند. راسموس دمگارد اخترفیزیکدان مؤسسه‌ی نیلز بور می‌گوید:

حالا می‌توانیم لحظه‌ای را ببینیم که در آن هسته‌های اتم و الکترون‌ها در زمان پس‌تابش به یکدیگر می‌پیوندند. برای اولین بار شاهد شکل‌گیری اتم‌ها هستیم، می‌توانیم دمای ماده را اندازه‌گیری کنیم و شاهد فیزیک مقیاس خرد در انفجاری دوردست باشیم. مانند تابش پس‌زمینه کیهانی است که ما را از هر طرف احاطه کرده؛ اما در اینجا می‌توانیم همه چیز را از بیرون ببینیم. ما شاهد قبل، بعد و لحظه‌ی تولد اتم‌ها هستیم.

یافته‌های پژوهش در مجله نجوم و اخترفیزیک منتشر شده است.