وقتی به فضاهای دور دست فکر میکنید، احتمالاً ستارهها، سیارهها و قمرها در ذهنتان مجسم میشوند. اما بخش زیادی از فضا پر از ابرهایی از گاز، پلاسما و غبار ستارهای است، همان ابرهای میانستارهای. این غبار ستارهای در قطب جنوب زمین هم یافت میشود.
در مناطق نزدیک به ما در کهکشان راه شیری، مجموعهای از حدود ۱۵ ابر میانستارهای مجزا وجود دارد. منظومه شمسی در حال حاضر در حال عبور از یکی از آنهاست که بهدرستی «ابر میانستارهای محلی» نامیده میشود. دانشمندان معتقدند منشأ و تاریخچه این ابرها ارتباط تنگاتنگی با زایش و مرگ ستارگان دارد. اما ردپای آنها را میتوان درست همینجا روی زمین، در مکانی که شاید انتظارش را نداشته باشید، پیدا کرد: یخهای قطب جنوب.
من و همکارانم در حال مطالعه بر روی غبار ستارهای هستیم – همان غباری که پس از انفجار ابرنواخترها در فضا به جا میماند – و در برف و یخ کهن قطب جنوب به دام افتاده است. این غبار به ما امکان میدهد تا تاریخچه محله خورشیدی خود، از جمله خود منظومه شمسی را ردیابی کنیم.
در مطالعه جدیدی که مجله معتبر «فیزیکال ریویو لترز» در تاریخ ۲۳ اردیبهشت ۱۴۰۵ منتشر کرد، سرنخی ظریف یافتیم که نشان میدهد منظومه شمسی در طول ۸۰٬۰۰۰ سال گذشته چگونه در محیط میانستارهای محلی حرکت کرده است.
فهرست مطالب
نگاه به پایین برای دیدن آسمان
اخترشناسی معمولاً به بیرون مینگرد. تلسکوپها نور ستارگان و کهکشانهای دوردست را جمعآوری میکنند و به ما امکان رصد رویدادهایی را میدهند که در پهنه وسیع فضا و زمان رخ میدهند. از روی این مشاهدات، چگونگی زندگی و مرگ ستارگان، شکلگیری عناصر و تکامل جهان را استنباط میکنیم.
رویکرد ما این ایده را کاملاً برعکس میکند. به جای رصد نوری که به سمت ما میآید، بقایای ستارگان در حال انفجار را درست همینجا روی زمین مطالعه میکنیم.
ستارگان به عنوان کورههای کیهانی، بسیاری از عناصر را در هسته خود میسازند، از کربن و اکسیژن گرفته تا کلسیم و آهن. این شامل ایزوتوپهای نادر (گونههای متفاوت از عناصر شیمیایی) مانند آهن-۶۰ نیز میشود.
وقتی ستارگان پرجرم در پایان عمر خود به صورت ابرنواختر منفجر میشوند، این عناصر به فضا پرتاب شده و به غبار میانستارهای تبدیل میشوند.
دانههای ریز این غبار سپس در کهکشان حرکت میکنند و گاهی به سطح زمین میرسند. آهن-۶۰ رادیواکتیو که اثر انگشت انفجارهای ستارهای است، در درون این دانهها جای گرفته است. با جستجوی این اتمها در بایگانیهای زمینشناسی روی زمین، میتوانیم رویدادهای اخترفیزیکی مانند ابرنواخترها را مدتها پس از آنکه نورشان محو شده، بررسی کنیم.
به همین دلیل است که قطب جنوب اینقدر ارزشمند است. برف در آنجا به آرامی انباشته میشود و تا حد زیادی دستنخورده باقی میماند و لایهلایه رکوردی را تشکیل میدهد که دهها هزار سال به عقب بازمیگردد. هر لایه تصویری از موادی را در خود ثبت کرده است که در آن زمان در همسایگی کیهانی ما حضور داشته است.
یافتن غبار ستارهای در قطب جنوب
وقتی ۵۰۰ کیلوگرم برف تازه قطب جنوب را بررسی کردیم، ناگهان این ایزوتوپ رادیواکتیو نادر را یافتیم. از کجا آمده بود؟ هیچ ابرنواختر نزدیکی در زمان اخیر رخ نداده بود. اما همسایگی خورشیدی ما پر از ۱۵ ابر است و منظومه شمسی در حال حاضر حداقل از یکی از آنها عبور میکند. آیا غبار ستارهای در این ابرها منتظر میماند تا زمین آن را جمع کند؟ اگر چنین باشد، مقدار غباری که زمین جمع میکند باید به ساختار ابرها مربوط باشد: هرچه ابرها چگالتر باشند، آهن-۶۰ بیشتری در خود دارند. این حدس مستدل ما در سال ۲۰۱۹ بود.
اما به زودی، برخی دانشمندان توضیحات دیگری ارائه دادند. میلیونها سال پیش، زمین بارشهای عظیمی از آهن-۶۰ را از ابرنواخترهای بزرگ دریافت کرده بود. آیا آهن-۶۰ موجود در برف قطب جنوب آخرین بازمانده یا پژواک این سیگنال است؟ بارانی که به نم نم باران تبدیل شده؟
برای فهمیدن این موضوع، بخشی ۳۰۰ کیلوگرمی از یخ قطب جنوب را که مربوط به ۴۰٬۰۰۰ تا ۸۰٬۰۰۰ سال پیش است، تجزیه و تحلیل کردیم. این فرآیند طاقتفرساست. ابتدا باید یخ را ذوب میکردیم. سپس آن را با مواد شیمیایی تصفیه میکردیم تا مقادیر اندکی آهن، از جمله آهن-۶۰ موجود در غبار ستارهای، جدا شود.
در مرحله بعد، با استفاده از تکنیک حساس «شمارش اتمی» طیفسنجی جرمی با شتابدهنده در مرکز شتابدهنده یونهای سنگین دانشگاه ملی استرالیا، اتمهای منفرد آهن-۶۰ را شمارش کردیم.
انتظار ساده بود: بر اساس اندازهگیریهای قبلی از برف سطحی قطب جنوب و رسوبات اقیانوسی چندین هزار ساله، سطح ثابت مشخصی از رسوب آهن-۶۰ را پیشبینی میکردیم.
نتایج
در عوض، مقدار کمتری یافتیم. نه صفر، اما به طور محسوسی کمتر از حد انتظار.
این نتیجه نشان میدهد که در آن دوره، غبار میانستارهای کمتری به زمین میرسیده است. این یک تغییر قابل توجه در مقیاس زمانی نسبتاً کوتاه اخترفیزیکی است و با مقیاسهای زمانی طولانی رسوبات آهن-۶۰ که میلیونها سال پیش به زمین رسیدند، همخوانی ندارد. در عوض، باید به دنبال منبع کوچکتر و محلیتر برای این ایزوتوپ میگشتیم.
یک روایت منطبق
طبیعتاً اخترشناسان نیز به شدت به ابرهای اطراف منظومه شمسی علاقهمندند. سال گذشته، مطالعهای که تاریخچه این ابرها را بازسازی میکرد به این نتیجه رسید که به احتمال زیاد، این ابرها از یک انفجار ستارهای سرچشمه گرفتهاند. علاوه بر این، آنها دریافتند که منظومه شمسی از مقطعی بین ۴۰٬۰۰۰ تا ۱۲۴٬۰۰۰ سال پیش در حال عبور از ابر میانستارهای محلی بوده است.
اگر این درست باشد، انتظار داریم که مقدار آهن-۶۰ روی زمین باید در همین بازه زمانی – بین ۴۰٬۰۰۰ تا ۱۲۴٬۰۰۰ سال پیش – تغییر کرده باشد.
این دقیقاً همان چیزی است که نتایج ما در قطب جنوب نشان داد.
با این حال، این روایت کاملاً هماهنگ نیست. اگر این ابرها مستقیماً از یک ستاره در حال انفجار سرچشمه گرفته بودند، انتظار داشتیم آهن-۶۰ بسیار بیشتری نسبت به آنچه در یخهای قطب جنوب میبینیم، وجود داشته باشد.
با این وجود، رد این ابرها در سوابق زمینشناسی زمین نقش بسته است. اگر عمیقتر برویم و یخهای قدیمیتری را تحلیل کنیم، شاید به زودی معمای این ابرهای میانستارهای محلی را حل کنیم و تاریخچه کامل و منشأ نامشخص آنها را آشکار سازیم.
خلاصه: غبار ستارهای در قطب جنوب وجود عنصری را نشان میدهد که به طور طبیعی روی زمین ساخته نمیشود. اما این عنصر در ابرنواخترها ایجاد میگردد. بررسی دوره زمانی که این ماده در مغزههای یخی ظاهر میشود به ما میگوید که زمین چه زمانی از این ابر بقایای ابرنواختر عبور کرده است.
نوشته دومینیک کول، مدرس افتخاری فیزیک هستهای، دانشگاه ملی استرالیا
این مقاله با مجوز Creative Commons از The Conversation بازنشر شده است. متن اصلی را اینجا بخوانید.
تاریخ انتشار: ۲۵ اردیبهشت ۱۴۰۵
