ابرنواخترها؛ منشأ عناصر
حسن فتاحي. عضو هیئت تحریریه فصلنامه نقد کتاب علوم محض و کاربردی
واژه نوا (nova) در لاتین به معنای «جدید» است، ستاره‌ای که به‌ناگاه و به‌غایت درخشان می‌شود. نام چنین پدیده‌ای را به این دلیل «نوا یا نواختر» گذاشته‌اند که تا پیش از آن در آن مکان، جایی که «نوا» دیده شده، هیچ ستاره‌ای رؤیت نشده بود، اما دلیل اصلی آن، کم‌فروغ‌بودن آن و بعد مسافت بود که مانع از رصد آن با چشم غیرمسلح می‌شد. زمانی هم که مشاهده می‌شود، به‌واسطه انفجار بسیار مهیب هسته‌ای است که در ستاره رخ می‌دهد.
بیشتر نواخترها محصول انفجاری عظیم در یک سامانه دوتایی هستند، به‌گونه‌ای که یکی از همدم‌ها به طور مداوم هیدروژن خود را از دست می‌دهد تا تبدیل به کوتوله سفید شود. همدم دیگر هم ستاره «رشته اصلی» است که در حال سوزاندن سوخت هسته‌ای در مرکزش است و به آرامی لایه‌های بیرونی‌اش منبسط شده و تبدیل به غول قرمز می‌شود. همچنان که جو غول کهن‌سال در حال انبساط است و ازدست‌دادن لایه‌های خارجی، مواد آن لایه‌ها توسط همدم کوتوله گیر افتاده و روی سطح آن منتقل می‌شوند که این فرايند «برافزایش» نام دارد.
انفجار زمانی رخ می‌دهد که مواد لایه‌های خارجی غول قرمز روی کوتوله سفید ریخته و انباشت می‌شود. در اثر گرانش کوتوله سفید، مواد به‌شدت فشرده و تا نقطه شروع هم‌جوشی هسته‌ای داغ می‌شوند. ماده برافزایش‌یافته همچنان که انبساط می‌یابد، انرژی زیادی را هم رها می‌کند. گازهای داغ دمیده‌شده با سرعتی زیاد، چیزی در حدود هزاران کیلومتر در ثانیه دور شده و عامل درخشندگی ناگهانی سامانه دوتایی با ضریب 50 تا صدهزاربرابر می‌شوند. اگرچه درخشندگی پرشوری است، اما درواقع مقدار بسیار کمی از جرم سامانه به بیرون پرتاب شده است. چیزی در حدود 10 هزارم جرم خورشید. این فرايند گاهی به شکل متناوب تکرار می‌شود.
اگر کوتوله سفید توسط مقدار قابل‌توجهی ماده از جانب همدمش برافزاییده شود، ستاره به طور کامل تحت هم‌جوشی هسته‌ای‌ای که رخ می‌دهد، در اثر یک انفجار بسیار مهیب، خیلی بزرگ‌تر از انفجار نواختری، نابود می‌شود كه به آن ابرنواختر می‌گويیم. ابرنواختر یک‌میلیون‌برابر بیشتر انرژی آزاد می‌کند.
چنین انفجار مهیبی که مي‌‌تواند باعث نابودی یک ستاره شود، می‌تواند در پایان عمر یک ستاره منفرد پرجرم هم رخ دهد. برای ستاره‌ای با جرم یک تا هشت‌برابر جرم خورشید، پایان راه ستاره با ازدست‌دادن مقدار چشمگیری از مواد پرتاب‌شده و تبدیل ستاره به «سحابی سیاره‌ای» رقم می‌خورد و آنچه باقی می‌ماند هسته ستاره است. در ستارگان پرجرم‌تر، آنهایی که بیش از هشت‌برابر جرم خورشیدند، به هنگام مرگ ستاره، حتی هسته هم نابود می‌شود! اما چگونه؟
در ستارگان با جرم متوسط، وقتی سوخت هیدروژن در مرکزشان تمام می‌شود، تولید انرژی با هم‌جوشی هسته‌ای هلیوم و تشکیل کربن و اکسیژن ادامه می‌یابد و واکنش‌های هسته‌ای در این نقطه متوقف می‌شود، اما در ستارگان اَبَرپرجرم فشار و دما به شکل فزاینده بالا رفته و گداخت هسته‌ای ادامه می‌یابد. ابتدا هسته‌های اکسیژن با هم ترکیب شده و سیلیکون تشکیل می‌شود. رخدادهای گداخت حتی تا عناصر بالاتر از آهن ادامه می‌یابد. فرايندهای هم‌جوشی باید در مرحله‌اي که ستاره، آهن تولید می‌کند، متوقف شوند، زیرا تولید عناصر سنگین‌تر از آهن نیازمند انرژی بیش از انرژی صرف‌شده برای هم‌جوشی است. تا پیش از انفجار ابرنواختری، هسته شامل لایه‌های متعددی است که در آنها هم‌جوشی هسته‌ای رخ می‌دهد؛ یعنی هسته‌های عناصر سبک‌تر با هم ترکیب شده و عناصر سنگین‌تر را می‌سازند. این لایه‌ها یا پوسته‌ها عبارتند از: لایه هیدروژنی، هلیومی، کربنی، نئون، اکسیژن، سیلیکون و دست‌آخر آهن.
دقیقا در همین نقطه است که هیچ انرژی‌ای در هسته تولید نمی‌شود، فشار داخلی و نیروی گرانشی هم منجر به رمبش لایه‌های خارجی ستاره می‌شود. ناگهان ستاره ابرپرجرم از درون دچار انفجار می‌شود (یا به زبان خیلی عامیانه می‌پُکد). هسته ستاره چنان فشرده می‌شود که پروتون‌ها و نوترون‌های آن به همدیگر چپانده شده و در تماس نزدیک با یکدیگر قرار می‌گیرند. چگالی هسته در این حالت فراتر از تصور است: یک قاشق چایخوری از این ماده تبهگن 400 میلیون تن خواهد بود. در اثر انفجار مهیب هسته، امواج ضربه‌ای بسیار شدیدی از ستاره به فضای میان‌ستاره‌ای گسیل می‌شود. انفجار ستاره ابرپرجرم می‌تواند بسیار شورانگیز باشد و رمبش آن هم می‌تواند عامل ایجاد حتی یک سیاه‌چاله شود.
انفجار باعث پرتاب و تخلیه مقدار قابل‌توجهی ماده داغ در حال انبساط به سمت بیرون، با سرعت پنج هزار تا 20 هزار کیلومتر بر ثانیه شده و عامل درخشندگی خیره‌کننده ابرنواختر است؛ چنان درخششی که می‌تواند پنج‌میلیاردبرابر درخشندگی خورشید باشد.
ماده پرتاب‌شده در حین انفجار چنان داغ است که آغازگر چندین واکنش هسته‌ای است و رشته‌ای از تولید عناصر شیمیایی سنگین. در حقیقت ابرنواختران منابع اولیه تولید عناصر سنگین در عالم هستند: عناصری مانند پلوتونیوم و اورانیوم. از اورانیوم در میله‌های سوخت رآکتورهای هسته‌ای استفاده می‌کنند. پلوتونیوم هم یکی از محصولات پسماند هسته‌ای است و در ساختن تسلیحات هسته‌ای کاربرد دارد. این مواد با سرعت زیاد در گرداگرد فضا پرتاب و پراکنده می‌شوند و با ابرهایی از گاز و غبار فضای میان‌ستاره‌ای برخورد می‌کنند. همچنین می‌توانند در پی این برخورد با ابرهای ستاره‌ساز، در ستارگان تازه‌متولدشده و نیز سامانه‌های سیاره‌ای نظیر منظومه شمسی خودمان ادغام شوند.
شناخته‌شده‌ترین ابرنواختر در کهکشان راه شیری خودمان، به‌لحاظ تاریخی، به سال 1054 توسط رصدگران چینی و کره‌ای ثبت شده است؛ ستاره‌ای درخشان که تا چندین هفته در آسمان خودنمایی می‌کرده و تا امروز هم رؤیت‌پذیر است. نام این ابرنواختر تاریخی «سحابی خرچنگ» است که باقیمانده انفجاری شکوهمند است. ابرنواختر بعدی در کهکشان ما احتمالا اِتا کارینا یا رجل‌الجبار خواهد بود. این رخداد می‌تواند چند هفته بعد یا چندین میلیون سال دیگر باشد. اتا کارینا صدبرابر پرجرم‌تر از خورشید ماست و با تغییرات درخشندگی زیادی در 180 سال گذشته ظاهر شده است.
واژه نوا (nova) در لاتین به معنای «جدید» است، ستاره‌ای که به‌ناگاه و به‌غایت درخشان می‌شود. نام چنین پدیده‌ای را به این دلیل «نوا یا نواختر» گذاشته‌اند که تا پیش از آن در آن مکان، جایی که «نوا» دیده شده، هیچ ستاره‌ای رؤیت نشده بود، اما دلیل اصلی آن، کم‌فروغ‌بودن آن و بعد مسافت بود که مانع از رصد آن با چشم غیرمسلح می‌شد. زمانی هم که مشاهده می‌شود، به‌واسطه انفجار بسیار مهیب هسته‌ای است که در ستاره رخ می‌دهد.
بیشتر نواخترها محصول انفجاری عظیم در یک سامانه دوتایی هستند، به‌گونه‌ای که یکی از همدم‌ها به طور مداوم هیدروژن خود را از دست می‌دهد تا تبدیل به کوتوله سفید شود. همدم دیگر هم ستاره «رشته اصلی» است که در حال سوزاندن سوخت هسته‌ای در مرکزش است و به آرامی لایه‌های بیرونی‌اش منبسط شده و تبدیل به غول قرمز می‌شود. همچنان که جو غول کهن‌سال در حال انبساط است و ازدست‌دادن لایه‌های خارجی، مواد آن لایه‌ها توسط همدم کوتوله گیر افتاده و روی سطح آن منتقل می‌شوند که این فرايند «برافزایش» نام دارد.
انفجار زمانی رخ می‌دهد که مواد لایه‌های خارجی غول قرمز روی کوتوله سفید ریخته و انباشت می‌شود. در اثر گرانش کوتوله سفید، مواد به‌شدت فشرده و تا نقطه شروع هم‌جوشی هسته‌ای داغ می‌شوند. ماده برافزایش‌یافته همچنان که انبساط می‌یابد، انرژی زیادی را هم رها می‌کند. گازهای داغ دمیده‌شده با سرعتی زیاد، چیزی در حدود هزاران کیلومتر در ثانیه دور شده و عامل درخشندگی ناگهانی سامانه دوتایی با ضریب 50 تا صدهزاربرابر می‌شوند. اگرچه درخشندگی پرشوری است، اما درواقع مقدار بسیار کمی از جرم سامانه به بیرون پرتاب شده است. چیزی در حدود 10 هزارم جرم خورشید. این فرايند گاهی به شکل متناوب تکرار می‌شود.
اگر کوتوله سفید توسط مقدار قابل‌توجهی ماده از جانب همدمش برافزاییده شود، ستاره به طور کامل تحت هم‌جوشی هسته‌ای‌ای که رخ می‌دهد، در اثر یک انفجار بسیار مهیب، خیلی بزرگ‌تر از انفجار نواختری، نابود می‌شود كه به آن ابرنواختر می‌گويیم. ابرنواختر یک‌میلیون‌برابر بیشتر انرژی آزاد می‌کند.
چنین انفجار مهیبی که مي‌‌تواند باعث نابودی یک ستاره شود، می‌تواند در پایان عمر یک ستاره منفرد پرجرم هم رخ دهد. برای ستاره‌ای با جرم یک تا هشت‌برابر جرم خورشید، پایان راه ستاره با ازدست‌دادن مقدار چشمگیری از مواد پرتاب‌شده و تبدیل ستاره به «سحابی سیاره‌ای» رقم می‌خورد و آنچه باقی می‌ماند هسته ستاره است. در ستارگان پرجرم‌تر، آنهایی که بیش از هشت‌برابر جرم خورشیدند، به هنگام مرگ ستاره، حتی هسته هم نابود می‌شود! اما چگونه؟
در ستارگان با جرم متوسط، وقتی سوخت هیدروژن در مرکزشان تمام می‌شود، تولید انرژی با هم‌جوشی هسته‌ای هلیوم و تشکیل کربن و اکسیژن ادامه می‌یابد و واکنش‌های هسته‌ای در این نقطه متوقف می‌شود، اما در ستارگان اَبَرپرجرم فشار و دما به شکل فزاینده بالا رفته و گداخت هسته‌ای ادامه می‌یابد. ابتدا هسته‌های اکسیژن با هم ترکیب شده و سیلیکون تشکیل می‌شود. رخدادهای گداخت حتی تا عناصر بالاتر از آهن ادامه می‌یابد. فرايندهای هم‌جوشی باید در مرحله‌اي که ستاره، آهن تولید می‌کند، متوقف شوند، زیرا تولید عناصر سنگین‌تر از آهن نیازمند انرژی بیش از انرژی صرف‌شده برای هم‌جوشی است. تا پیش از انفجار ابرنواختری، هسته شامل لایه‌های متعددی است که در آنها هم‌جوشی هسته‌ای رخ می‌دهد؛ یعنی هسته‌های عناصر سبک‌تر با هم ترکیب شده و عناصر سنگین‌تر را می‌سازند. این لایه‌ها یا پوسته‌ها عبارتند از: لایه هیدروژنی، هلیومی، کربنی، نئون، اکسیژن، سیلیکون و دست‌آخر آهن.
دقیقا در همین نقطه است که هیچ انرژی‌ای در هسته تولید نمی‌شود، فشار داخلی و نیروی گرانشی هم منجر به رمبش لایه‌های خارجی ستاره می‌شود. ناگهان ستاره ابرپرجرم از درون دچار انفجار می‌شود (یا به زبان خیلی عامیانه می‌پُکد). هسته ستاره چنان فشرده می‌شود که پروتون‌ها و نوترون‌های آن به همدیگر چپانده شده و در تماس نزدیک با یکدیگر قرار می‌گیرند. چگالی هسته در این حالت فراتر از تصور است: یک قاشق چایخوری از این ماده تبهگن 400 میلیون تن خواهد بود. در اثر انفجار مهیب هسته، امواج ضربه‌ای بسیار شدیدی از ستاره به فضای میان‌ستاره‌ای گسیل می‌شود. انفجار ستاره ابرپرجرم می‌تواند بسیار شورانگیز باشد و رمبش آن هم می‌تواند عامل ایجاد حتی یک سیاه‌چاله شود.
انفجار باعث پرتاب و تخلیه مقدار قابل‌توجهی ماده داغ در حال انبساط به سمت بیرون، با سرعت پنج هزار تا 20 هزار کیلومتر بر ثانیه شده و عامل درخشندگی خیره‌کننده ابرنواختر است؛ چنان درخششی که می‌تواند پنج‌میلیاردبرابر درخشندگی خورشید باشد.
ماده پرتاب‌شده در حین انفجار چنان داغ است که آغازگر چندین واکنش هسته‌ای است و رشته‌ای از تولید عناصر شیمیایی سنگین. در حقیقت ابرنواختران منابع اولیه تولید عناصر سنگین در عالم هستند: عناصری مانند پلوتونیوم و اورانیوم. از اورانیوم در میله‌های سوخت رآکتورهای هسته‌ای استفاده می‌کنند. پلوتونیوم هم یکی از محصولات پسماند هسته‌ای است و در ساختن تسلیحات هسته‌ای کاربرد دارد. این مواد با سرعت زیاد در گرداگرد فضا پرتاب و پراکنده می‌شوند و با ابرهایی از گاز و غبار فضای میان‌ستاره‌ای برخورد می‌کنند. همچنین می‌توانند در پی این برخورد با ابرهای ستاره‌ساز، در ستارگان تازه‌متولدشده و نیز سامانه‌های سیاره‌ای نظیر منظومه شمسی خودمان ادغام شوند.
شناخته‌شده‌ترین ابرنواختر در کهکشان راه شیری خودمان، به‌لحاظ تاریخی، به سال 1054 توسط رصدگران چینی و کره‌ای ثبت شده است؛ ستاره‌ای درخشان که تا چندین هفته در آسمان خودنمایی می‌کرده و تا امروز هم رؤیت‌پذیر است. نام این ابرنواختر تاریخی «سحابی خرچنگ» است که باقیمانده انفجاری شکوهمند است. ابرنواختر بعدی در کهکشان ما احتمالا اِتا کارینا یا رجل‌الجبار خواهد بود. این رخداد می‌تواند چند هفته بعد یا چندین میلیون سال دیگر باشد. اتا کارینا صدبرابر پرجرم‌تر از خورشید ماست و با تغییرات درخشندگی زیادی در 180 سال گذشته ظاهر شده است.