تشریح چالش‌های پیش‌رو برای تخمین فراوانی عناصر در عالَم در گفت‌وگو با «آرتميس اسپايرو»
مطالعه ستارگان بدون نیاز به تلسکوپ
حسن فتاحي. عضو هيئت‌تحريريه فصلنامه نقد كتاب علوم محض و كاربردي
آرتمیس اسپایرو پژوهشگر اخترفیزیک هسته‌ای در دانشگاه ایالتی میشیگان است که زمینه تحقیقاتی او فهم چگونگی تولید عناصر سنگین در ستارگان است. او در آزمایشگاهش ویژگی‌های ایزوتوپ‌هایی با فزونی نوترون را تجزیه‌وتحلیل می‌کند که با واژه‌هایی مانند پُر‌نوترون یا غنی از نوترون هم شناخته میشود. آرتمیس اسپایرو درباره ستارگان تحقیق می‌کند، اما هرگز از تلسکوپ استفاده نمی‌کند. او در جایگاه پژوهشگر اخترفیزیک‌دان هسته‌ایِ دانشگاه ایالتی میشیگان در‌پی کشف نحوه پیدایش عناصر سنگین در محیط‌های نامتعارفی مثل ادغام ستارگان نوترونی یا ابرنواخترها است. او روی تحلیل فرایندهای سنتز هسته‌ای شامل هسته‌هایی با فزونی نوترون کار می‌کند. اسپایرو توضیح می‌دهد که در آزمایشگاه ملی سیکلوترون ابررسانا در میشیگان، در آزمایشگاه گروه پژوهشی او این ایزوتوپ‌ها تولید میشود. او امیدوار است با بهره‌گیری و تکمیل هرچه سریع‌تر تجهیزاتی برای پرتوهای ایزوتوپ‌های کمیاب، قادر باشد با گستردگی بیشتری پژوهش‌های اخترفیزیکی مربوط به هسته‌ها را انجام دهد. اسپایرو می‌گوید تحقیقاتش به او این اجازه را می‌دهد تا دو موضوع دوست‌داشتنی‌اش را باهم ادغام کند؛ درگیر‌شدن با کارهای آزمایشگاهی در آزمایشگاه و کلنجار‌رفتن با سؤالات بزرگ اخترفیزیک. او در مصاحبه با مجله APS PHYSICS ضمن تشریح چالش‌های پیش‌رو برای تخمین فراوانی عناصر در عالم، از مزایای شاخه پژوهشی‌اش در پیام‌رسان‌های چندگانه نجومی و از تلاش‌هایش برای مبارزه با بدفهمی‌ها درباره فیزیک هسته‌ای گفت.
بسیاری از تلاش‌های شما در راستای فهم آنچه فرایند-r نامیده میشود و برای تولید عناصر سنگین است. روش و نحوه کار شما چگونه است؟
فرایند-r یا همان فرایند گیراندازی نوترون‌های سریع تولیدکننده بسیاری از عناصر سنگین‌تر از آهن است. این فرایند هسته‌ای زمانی شکل می‌گیرد که رویدادی انفجاری رخ دهد؛ جایی که هسته‌ها در شرایطی مشابه با بمباران، توسط نوترون‌های زیادی بمباران می‌شوند. مناسب‌ترین مکان‌ها برای فرایند-r ابرنواختر و ادغام ستاره نوترونی است. آنچه رخ می‌دهد رشته‌ای از گیراندازی نوترون و واپاشی بتا است. این اتفاق ناشی از هسته‌هایی است که نوترون‌ها را خیلی زود به دام می‌اندازند. این رشته‌واکنش‌ها باعث تولید با روند افزایشی هسته‌های سنگین با فزونی نوترون میشود که به هسته‌های فرایند-r معروف‌اند. واپاشی بتا باعث تبدیل این هسته‌ها به عناصر پایدار میشود.
آیا فرایند-r در شاخه پژوهشی شما به‌عنوان یک معما است؟
بله، پاسخ این معما با سنجش داده‌های ورودی، همچون جرم‌ها و آهنگ گیراندازی نوترون که ما برای مدل‌سازی این فرایند هسته‌ای نیاز داریم، به دست می‌آید. بخش قابل‌توجهی از فناوری‌های هسته‌ای با فناوری‌های امروزی قابل‌اندازه‌گیری نیست؛ بنابراین مدل‌ها تا حد زیادی متکی به نظریه‌ها هستند. محاسبات نظری متفاوت مقادیر متفاوتی را برای ویژگی‌های هسته‌ای تخمین می‌زنند که منجر به تفاوت‌های بسیار زیاد مقادیر پیش‌بینی‌شده از فراوانی عناصر میشود.
شما در حوزه تجربی یا آزمایشگاهی چگونه مشارکت می‌کنید؟
بیشتر تحقیقات من درباره اندازه‌گیری آهنگ‌های گیراندازی نوترونِ هسته‌ای فرایند-r است. اندازه‌گیری بیشتر این آهنگ‌ها در آزمایشگاه غیرممکن است. شما نمی‌توانید از این هسته‌ها یک هدف [تیراندازی] درست کنید و بعد با نوترون‌ها به‌سوی آنها شلیک کنید یا برعکس؛ زیرا هسته‌ها و نوترون‌ها پرتوزا هستند. پیش از آنکه بتوانید آزمایشتان را انجام دهید آنها تبدیل به چیز دیگری شده‌اند. بنابراین فهمیدن آن نیازمند کاوش‌های غیرمستقیم در واکنش‌های گیراندازی نوترون است.
فرایند-r با هسته‌های بسیاری سروکار دارد، اما مطالعه یکی از آنها چندین سال طول می‌کشد. چطور تصمیم می‌گیرید که توجه‌تان به کجا جلب شود؟
در الگوی فرایند-r مدل‌سازان مطالعات حساسی را به سرانجام میرسانند که طی آن تغییری را در ویژگی‌های هسته انجام می‌دهند تا ببینند آیا در فراوانی آن تغییری ایجاد میشود یا نه؟ اگر تغییر ایجاد شد، باعث ایجاد انگیزه در من میشود تا در آزمایشگاه اندازه‌گیری‌هایی را انجام دهم.
شما اشاره کردید که در سال ۲۰۱۷ پیام‌رسان چندگانه، امواج گرانشی و نیز گسیل تابش الکترومغناطیسی را از ادغام ستاره نوترونی آشکارسازی کرد که تأثیر زیادی بر شاخه پژوهشی شما داشت. در‌این‌باره توضیح دهید.
وقتی خبر این کشف را شنیدم، از خوشحالی بالا و پایین می‌پریدم. قبل از سال ۲۰۱۷ ما مجبور بودیم که مدل‌های فرایند-r و فراوانی عناصر را در جاهایی ردگیری کنیم که میلیون‌ها سال قبل رخ داده بود، اما در رویداد ۲۰۱۷ پژوهشگران موفق شدند تابش ساطع‌شده از هسته‌های اگزوتیک با فزونی نوترون در خلال فرایند-r را آشکارسازی کنند؛ نخستین علامت مشخص مستقیم از این قبیل هسته‌ها. این سیگنال اطلاعات بسیاری را نسبت به گذشته در اختیار ما گذاشت. البته ناگفته نماند که این آشکارسازی سؤالات جدیدی را هم ایجاد کرد.
اگر امکان دارد یک مثال از سؤالات جدید پیش‌آمده را بگویید؟
خاستگاه تابش آشکارشده از یک سوپ بزرگِ عناصر است، اما ما نمی‌دانیم این عناصر چه هستند. دلیلش هم پیچیدگی زیاد طیف حاصل است. عناصر واقعا سریع حرکت می‌کنند، بنابراین تابش گسیلی آنها در طیف جابه‌جا شده و پهن میشود. خطوط تیزی که در طیف وجود داشته باشد و به شما بگوید اینجا عنصر طلا است و آنجا عنصر دیگر، وجود ندارد. اینجا همان جایی است که فیزیک‌دانان هسته‌ای گام پیش می‌گذارند: در این مرحله ما اطلاعات را برای مدل‌سازی و تفسیر مشاهدات ارائه می‌دهیم.
وقتی خبر این کشف به رسانه‌ها آمد، به نظر می‌رسید که فیزیک‌دانان هسته‌ای توجه کمتری به آن نشان دادند. فکر می‌کنید دلیلش چیست؟
فکر می‌کنم به دلیل ترس مردم از واژه «هسته‌ای» باشد. به‌طور معمول، مردم با شنیدن این واژه یاد خبرهای نامطلوب می‌افتند؛ مثل تأثیرات تابش‌ها، اما فیزیک هسته‌ای مزایای بسیاری دارد. کاربردهایش در پزشکی، باستان‌شناسی و حتی در صنایع غذایی که با بهره‌گیری از تابش‌ها باکتری‌های خطرناک را نابود می‌کنند. همچنین کاربرد تابش‌های هسته‌ای در انبارداری مواد غذایی چشمگیر است. به همین دلیل است که من از طریق نوشتن برای مجله‌های برخط تلاش می‌کنم نشان دهم که فیزیک هسته‌ای خطرناک یا ترسناک نیست. ما کارهایی به‌مراتب بیشتر از تولید انرژی و ساخت سلاح انجام می‌دهیم.
برای اطلاع خوانندگان این مقاله درباره سنتز هسته‌ای عناصر سنگین کمی بیشتر توضیح می‌دهم. محتمل‌ترین فرایند برای تشکیل عناصر سنگین‌تر از آهن، ترجیحا عناصر اطراف آهن، گیراندازی نوترون است. هر فرایند هسته‌ای که در پایان منجر به جذب‌شدن یا گیر‌افتادن ذره بیرونی اعم از نوترون یا الکترون درون سامانه اتمی یا هسته‌ای شود و تشکیل هسته مرکب با انرژی اضافی بدهد، گیراندازی نام دارد. انرژی اضافی به شکل تابش آزاد میشود. عناصر سنگین در فرایند سوختن سیلیکون در مرحله پیشا‌رمبش ابرنواختری تولید می‌شوند. اگر منبعی از نوترون‌های آزاد فراهم باشد، می‌توانند با گیراندازی تابشی بر یک هسته بذر از گروه آهن، بدون ممانعت سد کولنی، برافزوده شوند و یک ایزوتوپ غنی از نوترون به وجود آورند. با افزایش شمار نوترون‌ها در هسته، هسته نسبت به واپاشی بتازا ناپایدار میشود. در نتیجه عنصر جدیدی با عدد اتمی یک واحد بیشتر نسبت به عنصر مادر به وجود می‌آید. گیراندازی‌های پی‌درپی نوترون که با واپاشی‌های بتازا همراه است سرانجام می‌توانند بخش قابل‌توجهی از هسته‌های سنگین پایدار را بسازند که پیامد آن افزایش تدریجی نوترون به شاخه غنی از نوترون در دره
پایداری بتا می‌انجامد. دره پایداری، نموداری دوبعدی یا سه‌بعدی است که نشان‌دهنده پایداری نوکلیدها است. هرچه نوکلید پایدارتر باشد، نوکلید در قعر دره قرار می‌گیرد. هرگونه اتمی با ساختار هسته‌ای متمایز از اتم دیگر با عدد اتمی مشخص و تعداد نوترون‌های مشخص با طول عمر بیش از 10-10 ثانیه را نوکلید می‌گویند. در فرایند سنتز عناصر سنگین با انباشته‌شدن نوترون، دو مقیاس زمانی اساسی وجود دارد. یکی طول عمر واپاشی بتازا و دیگری بازه‌های زمانی بین گیراندازی‌های متوالی نوترون که با سطح مقطع و شارش نوترون نسبت عکس دارند. اگر آهنگ گیراندازی نوترون در‌مقایسه‌با آهنگ واپاشی بتازای مربوط به آن، یعنی همان فرایند-s معروف کم باشد، هسته‌های ساخته‌شده بسیار نزدیک به پایین دره پایداری بتا خواهند بود. اگر آهنگ گیراندازی نوترون سریع باشد، یعنی همان فرایند-r ایزوتوپ‌های غنی از نوترون بسیاری تشکیل خواهند شد که به‌طور آبشاری به هسته‌های پایدار تبدیل خواهند شد. مشاهده فراوانی هسته‌ای این باور را ایجاد می‌کند که در سنتز هسته‌های موجود در منظومه شمسی هر دو فرایند هسته‌ای نام‌برده نقش داشته‌اند. جایگاه فرایند-r در انفجارهای ابرنواختریِ نزدیک
به ناحیه تشکیل ستاره نوترونی است؛ جایی که ممکن است در مدت زمانی کوتاه شار عظیمی از نوترون را انتظار داشت.
آرتمیس اسپایرو پژوهشگر اخترفیزیک هسته‌ای در دانشگاه ایالتی میشیگان است که زمینه تحقیقاتی او فهم چگونگی تولید عناصر سنگین در ستارگان است. او در آزمایشگاهش ویژگی‌های ایزوتوپ‌هایی با فزونی نوترون را تجزیه‌وتحلیل می‌کند که با واژه‌هایی مانند پُر‌نوترون یا غنی از نوترون هم شناخته میشود. آرتمیس اسپایرو درباره ستارگان تحقیق می‌کند، اما هرگز از تلسکوپ استفاده نمی‌کند. او در جایگاه پژوهشگر اخترفیزیک‌دان هسته‌ایِ دانشگاه ایالتی میشیگان در‌پی کشف نحوه پیدایش عناصر سنگین در محیط‌های نامتعارفی مثل ادغام ستارگان نوترونی یا ابرنواخترها است. او روی تحلیل فرایندهای سنتز هسته‌ای شامل هسته‌هایی با فزونی نوترون کار می‌کند. اسپایرو توضیح می‌دهد که در آزمایشگاه ملی سیکلوترون ابررسانا در میشیگان، در آزمایشگاه گروه پژوهشی او این ایزوتوپ‌ها تولید میشود. او امیدوار است با بهره‌گیری و تکمیل هرچه سریع‌تر تجهیزاتی برای پرتوهای ایزوتوپ‌های کمیاب، قادر باشد با گستردگی بیشتری پژوهش‌های اخترفیزیکی مربوط به هسته‌ها را انجام دهد. اسپایرو می‌گوید تحقیقاتش به او این اجازه را می‌دهد تا دو موضوع دوست‌داشتنی‌اش را باهم ادغام کند؛ درگیر‌شدن با کارهای آزمایشگاهی در آزمایشگاه و کلنجار‌رفتن با سؤالات بزرگ اخترفیزیک. او در مصاحبه با مجله APS PHYSICS ضمن تشریح چالش‌های پیش‌رو برای تخمین فراوانی عناصر در عالم، از مزایای شاخه پژوهشی‌اش در پیام‌رسان‌های چندگانه نجومی و از تلاش‌هایش برای مبارزه با بدفهمی‌ها درباره فیزیک هسته‌ای گفت.
بسیاری از تلاش‌های شما در راستای فهم آنچه فرایند-r نامیده میشود و برای تولید عناصر سنگین است. روش و نحوه کار شما چگونه است؟
فرایند-r یا همان فرایند گیراندازی نوترون‌های سریع تولیدکننده بسیاری از عناصر سنگین‌تر از آهن است. این فرایند هسته‌ای زمانی شکل می‌گیرد که رویدادی انفجاری رخ دهد؛ جایی که هسته‌ها در شرایطی مشابه با بمباران، توسط نوترون‌های زیادی بمباران می‌شوند. مناسب‌ترین مکان‌ها برای فرایند-r ابرنواختر و ادغام ستاره نوترونی است. آنچه رخ می‌دهد رشته‌ای از گیراندازی نوترون و واپاشی بتا است. این اتفاق ناشی از هسته‌هایی است که نوترون‌ها را خیلی زود به دام می‌اندازند. این رشته‌واکنش‌ها باعث تولید با روند افزایشی هسته‌های سنگین با فزونی نوترون میشود که به هسته‌های فرایند-r معروف‌اند. واپاشی بتا باعث تبدیل این هسته‌ها به عناصر پایدار میشود.
آیا فرایند-r در شاخه پژوهشی شما به‌عنوان یک معما است؟
بله، پاسخ این معما با سنجش داده‌های ورودی، همچون جرم‌ها و آهنگ گیراندازی نوترون که ما برای مدل‌سازی این فرایند هسته‌ای نیاز داریم، به دست می‌آید. بخش قابل‌توجهی از فناوری‌های هسته‌ای با فناوری‌های امروزی قابل‌اندازه‌گیری نیست؛ بنابراین مدل‌ها تا حد زیادی متکی به نظریه‌ها هستند. محاسبات نظری متفاوت مقادیر متفاوتی را برای ویژگی‌های هسته‌ای تخمین می‌زنند که منجر به تفاوت‌های بسیار زیاد مقادیر پیش‌بینی‌شده از فراوانی عناصر میشود.
شما در حوزه تجربی یا آزمایشگاهی چگونه مشارکت می‌کنید؟
بیشتر تحقیقات من درباره اندازه‌گیری آهنگ‌های گیراندازی نوترونِ هسته‌ای فرایند-r است. اندازه‌گیری بیشتر این آهنگ‌ها در آزمایشگاه غیرممکن است. شما نمی‌توانید از این هسته‌ها یک هدف [تیراندازی] درست کنید و بعد با نوترون‌ها به‌سوی آنها شلیک کنید یا برعکس؛ زیرا هسته‌ها و نوترون‌ها پرتوزا هستند. پیش از آنکه بتوانید آزمایشتان را انجام دهید آنها تبدیل به چیز دیگری شده‌اند. بنابراین فهمیدن آن نیازمند کاوش‌های غیرمستقیم در واکنش‌های گیراندازی نوترون است.
فرایند-r با هسته‌های بسیاری سروکار دارد، اما مطالعه یکی از آنها چندین سال طول می‌کشد. چطور تصمیم می‌گیرید که توجه‌تان به کجا جلب شود؟
در الگوی فرایند-r مدل‌سازان مطالعات حساسی را به سرانجام میرسانند که طی آن تغییری را در ویژگی‌های هسته انجام می‌دهند تا ببینند آیا در فراوانی آن تغییری ایجاد میشود یا نه؟ اگر تغییر ایجاد شد، باعث ایجاد انگیزه در من میشود تا در آزمایشگاه اندازه‌گیری‌هایی را انجام دهم.
شما اشاره کردید که در سال ۲۰۱۷ پیام‌رسان چندگانه، امواج گرانشی و نیز گسیل تابش الکترومغناطیسی را از ادغام ستاره نوترونی آشکارسازی کرد که تأثیر زیادی بر شاخه پژوهشی شما داشت. در‌این‌باره توضیح دهید.
وقتی خبر این کشف را شنیدم، از خوشحالی بالا و پایین می‌پریدم. قبل از سال ۲۰۱۷ ما مجبور بودیم که مدل‌های فرایند-r و فراوانی عناصر را در جاهایی ردگیری کنیم که میلیون‌ها سال قبل رخ داده بود، اما در رویداد ۲۰۱۷ پژوهشگران موفق شدند تابش ساطع‌شده از هسته‌های اگزوتیک با فزونی نوترون در خلال فرایند-r را آشکارسازی کنند؛ نخستین علامت مشخص مستقیم از این قبیل هسته‌ها. این سیگنال اطلاعات بسیاری را نسبت به گذشته در اختیار ما گذاشت. البته ناگفته نماند که این آشکارسازی سؤالات جدیدی را هم ایجاد کرد.
اگر امکان دارد یک مثال از سؤالات جدید پیش‌آمده را بگویید؟
خاستگاه تابش آشکارشده از یک سوپ بزرگِ عناصر است، اما ما نمی‌دانیم این عناصر چه هستند. دلیلش هم پیچیدگی زیاد طیف حاصل است. عناصر واقعا سریع حرکت می‌کنند، بنابراین تابش گسیلی آنها در طیف جابه‌جا شده و پهن میشود. خطوط تیزی که در طیف وجود داشته باشد و به شما بگوید اینجا عنصر طلا است و آنجا عنصر دیگر، وجود ندارد. اینجا همان جایی است که فیزیک‌دانان هسته‌ای گام پیش می‌گذارند: در این مرحله ما اطلاعات را برای مدل‌سازی و تفسیر مشاهدات ارائه می‌دهیم.
وقتی خبر این کشف به رسانه‌ها آمد، به نظر می‌رسید که فیزیک‌دانان هسته‌ای توجه کمتری به آن نشان دادند. فکر می‌کنید دلیلش چیست؟
فکر می‌کنم به دلیل ترس مردم از واژه «هسته‌ای» باشد. به‌طور معمول، مردم با شنیدن این واژه یاد خبرهای نامطلوب می‌افتند؛ مثل تأثیرات تابش‌ها، اما فیزیک هسته‌ای مزایای بسیاری دارد. کاربردهایش در پزشکی، باستان‌شناسی و حتی در صنایع غذایی که با بهره‌گیری از تابش‌ها باکتری‌های خطرناک را نابود می‌کنند. همچنین کاربرد تابش‌های هسته‌ای در انبارداری مواد غذایی چشمگیر است. به همین دلیل است که من از طریق نوشتن برای مجله‌های برخط تلاش می‌کنم نشان دهم که فیزیک هسته‌ای خطرناک یا ترسناک نیست. ما کارهایی به‌مراتب بیشتر از تولید انرژی و ساخت سلاح انجام می‌دهیم.
برای اطلاع خوانندگان این مقاله درباره سنتز هسته‌ای عناصر سنگین کمی بیشتر توضیح می‌دهم. محتمل‌ترین فرایند برای تشکیل عناصر سنگین‌تر از آهن، ترجیحا عناصر اطراف آهن، گیراندازی نوترون است. هر فرایند هسته‌ای که در پایان منجر به جذب‌شدن یا گیر‌افتادن ذره بیرونی اعم از نوترون یا الکترون درون سامانه اتمی یا هسته‌ای شود و تشکیل هسته مرکب با انرژی اضافی بدهد، گیراندازی نام دارد. انرژی اضافی به شکل تابش آزاد میشود. عناصر سنگین در فرایند سوختن سیلیکون در مرحله پیشا‌رمبش ابرنواختری تولید می‌شوند. اگر منبعی از نوترون‌های آزاد فراهم باشد، می‌توانند با گیراندازی تابشی بر یک هسته بذر از گروه آهن، بدون ممانعت سد کولنی، برافزوده شوند و یک ایزوتوپ غنی از نوترون به وجود آورند. با افزایش شمار نوترون‌ها در هسته، هسته نسبت به واپاشی بتازا ناپایدار میشود. در نتیجه عنصر جدیدی با عدد اتمی یک واحد بیشتر نسبت به عنصر مادر به وجود می‌آید. گیراندازی‌های پی‌درپی نوترون که با واپاشی‌های بتازا همراه است سرانجام می‌توانند بخش قابل‌توجهی از هسته‌های سنگین پایدار را بسازند که پیامد آن افزایش تدریجی نوترون به شاخه غنی از نوترون در دره
پایداری بتا می‌انجامد. دره پایداری، نموداری دوبعدی یا سه‌بعدی است که نشان‌دهنده پایداری نوکلیدها است. هرچه نوکلید پایدارتر باشد، نوکلید در قعر دره قرار می‌گیرد. هرگونه اتمی با ساختار هسته‌ای متمایز از اتم دیگر با عدد اتمی مشخص و تعداد نوترون‌های مشخص با طول عمر بیش از 10-10 ثانیه را نوکلید می‌گویند. در فرایند سنتز عناصر سنگین با انباشته‌شدن نوترون، دو مقیاس زمانی اساسی وجود دارد. یکی طول عمر واپاشی بتازا و دیگری بازه‌های زمانی بین گیراندازی‌های متوالی نوترون که با سطح مقطع و شارش نوترون نسبت عکس دارند. اگر آهنگ گیراندازی نوترون در‌مقایسه‌با آهنگ واپاشی بتازای مربوط به آن، یعنی همان فرایند-s معروف کم باشد، هسته‌های ساخته‌شده بسیار نزدیک به پایین دره پایداری بتا خواهند بود. اگر آهنگ گیراندازی نوترون سریع باشد، یعنی همان فرایند-r ایزوتوپ‌های غنی از نوترون بسیاری تشکیل خواهند شد که به‌طور آبشاری به هسته‌های پایدار تبدیل خواهند شد. مشاهده فراوانی هسته‌ای این باور را ایجاد می‌کند که در سنتز هسته‌های موجود در منظومه شمسی هر دو فرایند هسته‌ای نام‌برده نقش داشته‌اند. جایگاه فرایند-r در انفجارهای ابرنواختریِ نزدیک
به ناحیه تشکیل ستاره نوترونی است؛ جایی که ممکن است در مدت زمانی کوتاه شار عظیمی از نوترون را انتظار داشت.