تشکیل تیتانیوم در انفجار ابرنواختری برای نخستین بار رصد شد
برای نخستین بار دانشمندان به کمک رصدخانه‌ی پرتو ایکس چاندرا، تیتانیوم پایدار را که به طور روزانه در قطعات الکترونیکی و جواهرات استفاده می‌شود، در یک انفجار ابرنواختری شناسایی کردند. میزان تیتانیوم تولید شده در این انفجار حتی بیش از جرم کره‌ی زمین است.
این یافته بر اساس مشاهدات تلسکوپ چاندرای ناسا از بقایای ابرنواختر موسوم به «ذات‌الکرسی آ» (Cassiopeia A) که با فاصله‌ی ۱۱ هزار سال نوری از زمین در کهکشان راه شیری قرار گرفته، انجام شده است و می‌تواند گامی مهم در تعیین دقیق شیوه‌ی انفجار برخی ستارگان غول‌پیکر باشد. این یکی از جوان‌ترین بقایای ابرنواختری شناخته شده است که حدود ۳۵۰ سال سن دارد.
موقعیت ابرنواختر موسوم به Cas A در صورت فلکی ذات‌الکرسی
Credit: Sky & Telescope
انفجار ابرنواختری
سال‌هاست دانشمندان می‌کوشند که جزئیات بیشتری از انفجار ستاره‌های پرجرم، با جرمی بیش از ۱۰ برابر خورشید را در هنگام پایان یافتن سوخت آن‌ها درک کنند. اکنون یافته‌ی مطالعه‌ی اخیر سرنخی تازه و ارزشمند را در این زمینه فراهم می‌کند.
«توشیکی ساتو» (Toshiki Sato) از دانشگاه ریکیو ژاپن که سرپرست این مقاله‌ی منتشر شده در نشریه‌ی Nature است، گفت: «به عقیده‌ی دانشمندان بیشتر تیتانیومی که در زندگی روزانه استفاده می‌شود، مانند وسایل الکترونیکی و جواهرات، در یک انفجار ستاره‌ای عظیم تولید شده‌اند. اما تا کنون هرگز نتوانسته بودند لحظه‌ای را درست پس از تشکیل تیتانیوم پایدار ثبت کنند.»
هنگامی که منبع انرژی هسته‌ای یک ستاره‌ی غول‌پیکر تمام می‌شود، مرکز آن بر اثر نیروی گرانش به درون فرو می‌ریزد و یک هسته‌ی چگال به نام ستاره‌ی نوترونی یا به‌ندرت یک سیاهچاله تشکیل می‌شود. با تشکیل ستاره‌ی نوترونی ماده‌ی در حال فروریزی، به این هسته‌ی ستاره‌ای برخورد می‌کند، بازمی‌گردد و روند انفجار به داخل، معکوس می‌شود.
ساخت عناصر سنگین
گرمای ناشی از این رویداد فاجعه‌بار، موج شوکی ایجاد می‌کند که از میان بقایای ستاره‌ای به بیرون حرکت و با واکنش‌های هسته‌ای، عناصر جدیدی تولید می‌کند. با این وجود در بسیاری از مدل‌های رایانه‌ای این فرآیند، انرژی به سرعت از بین می‌رود، حرکت موج شوک به بیرون متوقف می‌شود و درنتیجه از انفجار ابرنواختری جلوگیری می‌شود.
شبیه‌سازی رایانه‌ای سه‌بعدی اخیر نشان می‌دهد که ذرات زیراتمی با جرم بسیار کم یا نوترینوهایی که طی شکل‌گیری ستاره‌ی نوترونی ساخته شده‌اند، نقشی اساسی در رانش حباب‌هایی دارند که از ستاره‌ی نوترونی دور می‌شوند. حباب‌هایی که موج شوک را به جلو پیش می‌برند و انفجار ابرنواختری را تحریک می‌کنند.
با مطالعه‌ی جدید بر روی Cas A این تیم شواهد قدرتمندی برای چنین انفجار ناشی از نوترینو کشف کردند. آن‌ها با استفاده از داده‌های چاندرا دریافتند که ساختارهای انگشت-مانند که از محل انفجار دور می‌شوند، دارای تیتانیوم و کروم هستند و بقایای آهن هم دارند که پیش از این توسط چاندرا شناسایی شده بود. شرایط لازم برای ایجاد این عناصر در واکنش‌های هسته‌ای، مانند دما و چگالی، با حباب‌های شبیه‌سازی شده که انفجارها را به بیرون می‌راند، مطابقت دارد.
کریستال تیتانیوم
Credit: Alchemist-hp/Wikimedia
تیتانیومی که توسط چاندرا در ذات‌الکرسی آ پیدا شد و با این شبیه‌سازی‌ها هم پیش‌بینی می‌شود، ایزوتوپ پایدار این عنصر است، یعنی تعداد نوترون‌های اتم‌های آن بر اثر فعالیت رادیواکتیویته به عنصر متفاوت و سبک‌تر تغییر نمی‌کند.
پیش از این ستاره‌شناسان از تلسکوپ NuSTAR ناسا برای کشف ایزوتوپ ناپایدار تیتانیوم را در نقاط گوناگون Cas A استفاده کرده بودند. هر ۶۰ سال نیمی از این ایزوتوپ تیتانیوم به اسکاندیم و سپس کلسیم تبدیل می‌شود.
«کیچی میدا» (Keiichi Maeda) یکی از نویسندگان مقاله از دانشگاه کیوتو ژاپن گفت: «ما قبلا این امضای حباب‌های تیتانیوم را در بقایای یک انفجار ابرنواختری ندیده بودیم. نتیجه‌ای که فقط با تصاویر بسیار واضح چاندرا ممکن شد و یک گام مهم در حل مسأله‌ی چگونگی انفجار این ستاره‌ها به‌عنوان ابرنواختر است.»
«شیگهیرو ناگاتاکی» (Shigehiro Nagataki) از مؤسسه‌ی تحقیقات رایکن (RIKEN) ژاپن هم گفت: «هنگام وقوع انفجار ابرنواختری، قطعات تیتانیوم در اعماق ستاره‌ی غول‌پیکر تولید می‌شوند. این قطعات به سطح ستاره نفوذ می‌کنند و لبه‌ی بقایایی ابرنواختری Cas A را تشکیل می‌دهند.»
نکته‌ی جالب توجه آن است که این نتایج از ایده‌ی انفجار مبتنی بر نوترینو برای توضیح حداقل برخی از ابرنواخترها به شدت پشتیبانی می‌کند. «تاکاشی یوشیدا» (Takashi Yoshida) از دانشگاه کیوتو گفت: «مطالعه‌ی ما می‌تواند از زمان کشف نوترینوها در انفجار ابرنواختری ۱۹۸۷A، مهم‌ترین پژوهشی باشد که نقش آن‌ها را در انفجار ستارگان عظیم بررسی کرده است.»
ستاره‌شناسان برای این یافته، از بیش از یک میلیون و نیم ثانیه، یا بیش از ۱۸ روز از زمان مشاهدات چاندرا بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۸ میلادی استفاده کردند و تحقیقات آن‌ها نشان می‌دهد که میزان تیتانیوم پایدار تولید شده در انفجار ابرنواختری ذات‌الکرسی آ از کل جرم زمین بیشتر است.
عکس کاور: تصویری از بقایای ابرنواختری ذات‌الکرسی آ؛ عناصر آهن (نارنجی)، اکسیژن (بنفش)، میزان سیلیکون در مقایسه با منیزیم (سبز)، ایزوتوپ ناپایدار تیتانیوم (آبی روشن) در این تصویر دیده می‌شوند اما ایزوتوپ پایدار تیتانیوم در این تصویر نمایش داده نشده است.
Credit: NASA/CXC/RIKEN/T. Sato et al.; NuSTAR: NASA/NuSTAR)
منبع: NASA
