پیدا شدن عنصری مرموز برای تأمین قدرت ابرنواخترها

منتشر‌ شده در quantamagazine به تاریخ ۲۱ژانویه ۲۰۲۱ لینک منبع: Secret Ingredient Found to Power Supernovasدر سال ۱۹۸۷یک ستاره بزرگ درست در کنار کهکشان راه شیری ما منفجر شد. این بزرگ‌ترین و نزدیک‌ترین ابرنواختر از زمان اختراع تلسکوپ در حدود چهار قرن قبل بود، و تقریباً هر رصدخانه برای نگاه کردن به آن چرخید. شاید هیجان‌انگیزترین، رصدخانه تخصصی که در اعماق زمین دفن شده است، ذرات زیر اتمی پرتاب‌شده‌ای را که نوترینوها نامیده می‌شوند و از انفجار خارج می‌شوند، کشف و ضبط کرده باشد.این ذرات برای اولین بار به‌عنوان نیروی محرک پشت ابرنواخترها در سال ۱۹۶۶مطرح شدند، که تشخیص آن‌ها، آن را به منبع راحتی برای نظریه‌پردازانی تبدیل کرد که تلاش می‌کردند تا عملکرد درونی انفجارها را درک کنند. بااین‌حال در طول این دهه‌ها، اخترفیزیکدانان به‌طور مداوم با چیزی برخورد کرده بودند که به نظر می‌رسید یک نقص مهلک در مدل‌های مبتنی بر نوترینوها وجود داشته باشد.نوترینوها ذرات بسیار دوری هستند و دقیقاً این سؤال پیش می‌آید که نوترینوها چگونه انرژی خود را تحت شرایط سخت یک ستاره در حال فروپاشی، به ماده معمولی این ستاره منتقل می‌کنند.هر زمان که نظریه‌پردازان تلاش می‌کردند تا این حرکات پیچیده ذرات و فعل‌وانفعالات را در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مدل کنند، موج شوک ابرنواختر به خودش بازمی‌گشت. شان کاوچ، اخترفیزیکدان محاسباتی در دانشگاه ایالت میشیگان گفت: « این شکست‌ها این ایده را تقویت کردند که نظریه اصلی ما برای اینکه چگونه ابرنواختر منفجر می‌شوند ممکن است جواب ندهد.» البته، ویژگی‌های آنچه که در اعماق یک ابرنواختر اتفاق می‌افتد همانطور که منفجر می‌شود همیشه مرموز بوده است. این یک دیگ عظیم است، یک آش آشفته از مواد در حال تغییر، که در آن ذرات و نیروها اغلب در دنیای روزمره ما نادیده گرفته می‌شوند. با توجه به این مشکل، فضای داخلی انفجاری تا حد زیادی از دید پنهان‌شده است و ابرهای گاز داغ آن را پوشانده‌اند. آدام باروز، یک فیزیکدان نجومی در دانشگاه پرینستون که بیش از ۳۵سال است که درباره ابرنواخترها مطالعه می‌کند، می‌گوید: «درک جزئیات ابرنواخترها یک مشکل مرکزی حل‌نشده در فیزیک نجومی بوده است.»بااین‌حال، در سال‌های اخیر، نظریه‌پردازان توانسته‌اند مکانیزم‌های پیچیده و شگفت‌آوری را که باعث بروز پدیده فوق نوین می‌شوند، پیدا کنند. بورو در این ماه در مجله طبیعت نوشت: شبیه‌سازی‌هایی که منفجر می‌شوند، به‌جای یک استثنا، به یک قاعده تبدیل شده‌اند. کدهای کامپیوتری گروه‌های تحقیقاتی رقبا در حال حاضر بر سر چگونگی تکامل امواج شوک ابرنواختر توافق دارند، درحالی‌که شبیه‌سازی‌ها آنقدر پیشرفت کرده‌اند که حتی اثرات نسبیت کلی پیچیده انیشتین نیز در آن گنجانده‌شده است. نقش نوترینوها در نهایت در حال درک شدن است.کوچ گفت: « این یک لحظه حساس است.» چیزی که آن‌ها کشف می‌کنند این است که بدون آشفتگی، ستاره‌های در حال فروپاشی ممکن است هیچ‌وقت ابرنواختر را تشکیل ندهند.رقص بی‌نظمیبرای بیشتر طول عمر یک ستاره، نیروی جاذبه به سمت داخل با فشار بیرونی تابش ناشی از واکنش‌های هسته‌ای درون‌هسته ستاره، با ظرافت متعادل می‌شود.با تمام شدن سوخت ستاره، جاذبه غلبه می‌کند. هسته به‌خودی‌خود فرو می‌ریزد - با سرعت ۱۵۰۰۰۰کیلومتر در ساعت –و باعث می‌شود دما به ۱۰۰میلیارد درجه سلسیوس برسد و هسته را به یک گلوله جامد از نوترون‌ها تبدیل کند.لایه‌های بیرونی ستاره همچنان به سمت داخل سقوط می‌کنند، اما وقتی به این هسته نوترون غیرقابل تراکم برخورد می‌کنند، از روی آن می‌جهند و یک موج شوک ایجاد می‌کنند. برای اینکه موج شوک تبدیل به یک انفجار شود، باید با انرژی کافی به سمت بیرون رانده شود تا از کشش جاذبه ستاره فرار کند. موج شوک همچنین باید در برابر مارپیچ داخلی لایه‌های بیرونی ستاره که هنوز هم در حال سقوط بر روی هسته هستند، مبارزه کند.تا همین اواخر، نیروهایی که به موج شوک غلبه می‌کردند، تنها در شرایط مبهم درک می‌شدند. برای دهه‌ها، کامپیوترها تنها به‌اندازه‌ای قدرتمند بودند تا مدل‌های ساده‌شده هسته در حال فروپاشی را اجرا کنند. ستاره‌ها به‌عنوان گوی کامل در نظر گرفته می‌شدند و موج شوک از مرکز به همان شکل در هر جهت ساطع می‌شد. اما هرچه که موج شوک به سمت بیرون در این مدل‌های یک‌بعدی حرکت می‌کند، سرعت آن کم می‌شود و سپس متزلزل می‌شود.تنها در چند سال اخیر، با رشد ابرکامپیوترها، نظریه‌پردازان قدرت محاسباتی کافی برای مدل‌سازی ستاره‌های عظیم با پیچیدگی موردنیاز برای رسیدن به انفجار را داشته‌اند. در حال حاضر بهترین مدل‌ها جزییاتی مانند فعل‌وانفعالات سطح میکرو بین نوترینوها و ماده، حرکات نامنظم سیالات، و پیشرفت‌های اخیر در بسیاری از زمینه‌های مختلف فیزیک - از فیزیک هسته‌ای گرفته تا تکامل ستاره‌ای - را ترکیب می‌کنند. علاوه بر این، نظریه‌پردازان اکنون می‌توانند هرساله شبیه‌سازی‌های زیادی انجام دهند، که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا آزادانه مدل‌ها را بهبود بخشند و شرایط شروع متفاوتی را امتحان کنند.یک نقطه عطف در سال ۲۰۱۵اتفاق افتاد، زمانی که کوچ و همکارانش یک مدل کامپیوتری سه‌بعدی از دقایق پایانی فروپاشی یک ستاره عظیم را اجرا کردند. اگرچه شبیه‌سازی تنها ۱۶۰ثانیه از عمر ستاره را نشان می‌دهد، اما نقش یک بازیکن درک نشده را روشن می‌کند که کمک می‌کند امواج شوک ایستا تبدیل به انفجارهای تکامل‌یافته شوند.ذرات، درون شکم هیولا پنهان شده‌اند و به شکلی وحشتناک پیچ‌وتاب می‌خورند. مثل آب جوش روی اجاق است. کوچ گفت: « حجم عظیمی از مایع درون ستاره وجود دارد که با سرعت هزاران کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند.»این آشفتگی فشار بیشتری در پشت موج شوک ایجاد می‌کند و آن را از مرکز ستاره دور می‌کند. به دور از مرکز، کشش درونی جاذبه ضعیف‌تر است، و ماده در حال سقوط داخلی کمتری، برای کنترل موج شوک وجود دارد. ماده آشفته‌ای که در پشت موج شوک بالا و پایین می‌رود نیز زمان بیشتری برای جذب نوترینوها دارد. سپس انرژی نوترینوها ماده را گرم می‌کند و موج شوک را به سمت یک انفجار هدایت می‌کند.برای سال‌ها، محققان در درک اهمیت آشفتگی شکست‌خورده بودند، زیرا آن تنها تأثیر کامل خود را در شبیه‌سازی‌های اجراشده سه‌بعدی نشان می‌دهد. باروز گفت: « آنچه که طبیعت بدون زحمت انجام می‌دهد، دستیابی به آن دهه‌ها طول کشید، درحالی‌که ما از یک بعد به دو و سه بعد صعود کردیم.»این شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان داده‌اند که آشفتگی منجر به یک انفجار نامتقارن می‌شود، که در آن ستاره کمی شبیه یک ساعت شنی به نظر می‌رسد. همانطور که انفجار در یک جهت به سمت بیرون کشیده می‌شود، ماده همچنان در جهت دیگری بر روی هسته قرار می‌گیرد، و انفجار ستاره را بیشتر تقویت می‌کند.این شبیه‌سازی‌های جدید به محققان درک بهتری از نحوه شکل‌گیری جهانی که امروزه می‌بینیم را می‌دهد. باروز گفت: «ما می‌توانیم محدوده صحیح انرژی انفجار را به دست آوریم، و می‌توانیم توده‌های ستاره نوترونی که پشت سر گذاشته شده‌اند را به دست آوریم.» ابرنواخترها تا حد زیادی مسئول ایجاد بودجه عناصر سنگین جهان مانند اکسیژن و آهن هستند، و نظریه‌پردازان شروع به استفاده از شبیه‌سازی برای پیش‌بینی دقیق میزان این عناصر سنگین می‌کنند. توگولدور سوخولد، یک فیزیکدان نظری و محاسباتی در دانشگاه ایالت اوهایو، گفت: «ما اکنون شروع به حل مشکلاتی کرده‌ایم که در گذشته غیرقابل‌تصور بودند.»انفجار بعدیعلی‌رغم افزایش نمایی توان محاسباتی، شبیه‌سازی ابرنواختر بسیار نادرتر از مشاهده آن در آسمان است. ادو برگر، ستاره‌شناس دانشگاه هاروارد گفت: «بیست سال پیش، هرساله حدود ۱۰۰ابرنواختر کشف می‌شدند.» « اکنون ما در حال کشف ۱۰،۰۰۰یا ۲۰،۰۰۰تعداد ابرنواختر در سال هستیم.» این به دلیل افزایش تلسکوپ‌های جدید است که به‌سرعت و به‌طور مکرر آسمان شب را اسکن می‌کنند. در مقابل، نظریه‌پردازان در یک سال حدود ۳۰شبیه‌سازی کامپیوتری انجام می‌دهند. تنها یک شبیه‌سازی، بازسازی تنها چند دقیقه از فروپاشی هسته، می‌تواند ماه‌ها به طول انجامد. کوچ گفت: «شما هر روز آن را بررسی می‌کنید و این فقط یک میلی‌ثانیه طول می‌کشد.» « مثل این است که در زمستان برف را تماشا کنیم.»دقت گسترده شبیه‌سازی‌های جدید، اخترفیزیکدانان را برای انفجار بعدی در آن نزدیکی هیجان‌زده کرده است. او گفت: درحالی‌که ما منتظر ابرنواختر بعدی [ در کهکشان خودمان ] هستیم، کارهای زیادی برای انجام دادن داریم. ایرین تامبرا، اخترفیزیکدان نظری در دانشگاه کپنهاگ می‌گوید: «ما باید مدل‌سازی نظری را بهبود بخشیم تا بفهمیم چه ویژگی‌هایی را می‌توانیم تشخیص دهیم.» «شما نمی‌توانید این فرصت را از دست بدهید، زیرا این رویداد بسیار نادر است.»بیشتر ابرنواخترها به‌قدری از زمین دور هستند که رصدخانه‌ها نمی‌توانند، نوترینوهای آن‌ها را تشخیص دهند. ابرنواخترها در مجاورت کهکشان راه شیری - مانند ابرنواختر ۱۹۸۷A - فقط به‌طور متوسط هر نیم‌قرن یک‌بار رخ می‌دهد.برگر با مشاهده امواج گرانشی آن گفت، اما اگر چنین اتفاقی رخ دهد، ستاره شناسان قادر خواهند بود «مستقیماً به مرکز انفجار نگاه کنند.» گروه‌های مختلف بر فرآیندهای مختلفی تأکید کرده‌اند که در انفجار واقعی ستاره مهم هستند. و آن فرایندهای مختلف دارای نشانه‌های متفاوتی از امواج گرانشی و نوترینو هستند.درحالی‌که نظریه‌پردازان در حال حاضر به‌طور گسترده بر سر مهم‌ترین عوامل محرک ابرنواخترها به توافق رسیده‌اند، چالش‌ها همچنان باقی مانده‌اند. سخبولد گفت که به‌طور خاص، نتیجه انفجار «بسیار قوی» توسط ساختار هسته یک ستاره قبل از فروپاشی آن دیکته می‌شود. تفاوت‌های کوچک با فروپاشی‌های بی‌نظم به انواع نتایج بزرگ منجر می‌شوند، و بنابراین تکامل یک ستاره قبل از فروپاشی آن نیز باید به‌درستی مدل‌سازی شود.سؤالات دیگر شامل نقش میدان‌های مغناطیسی شدید در هسته یک ستاره در حال چرخش است. باروز گفت: « بسیار ممکن است که شما یک مکانیزم ترکیبی از میدان‌های مغناطیسی و نوترینوها داشته باشید.» نحوه تغییر نوترینوها از یک نوع به نوع دیگر و چگونگی تأثیر آن بر انفجار نیز نامشخص است.تامبرا گفت: «مواد اولیه زیادی وجود دارند که باید به شبیه‌سازی‌های ما اضافه شوند.» اگر یک ابرنواختر فردا منفجر شود و با پیش‌بینی‌های نظری ما مطابقت داشته باشد، به این معنی است که تمام مواد تشکیل‌دهنده‌ای که ما در حال حاضر نمی‌شناسیم می‌توانند به‌راحتی نادیده گرفته شوند. اما اگر اینطور نیست، پس ما باید دلیل آن را دریابیم.این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله اخترشناسی و فیزیک ترجمه شده و به‌صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد. مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به‌صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.