عناصر شیمیایی در کیهان ما چگونه تولید می‌شوند؟ عناصر سنگین مانند طلا و اورانیوم از کجا می‌آیند؟ این‌ها سوالاتی است که اگرچه سابقه کهنی دارند، اما یک تیم تحقیقاتی از GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung در دارمشتات آلمان، با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری بدان دست یافته است. نتایج این پژوهش در مجله Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده که در ادامه خلاصه‌ای از آن را ملاحظه خواهید کرد.
به گزارش سایت طلا، دانشمندان آلمانی، همراه با همکارانی از بلژیک و ژاپن، در این مطالعه نشان می‌دهند که سنتز عناصر سنگین در سیاه‌چاله‌های خاصی با انباشت ماده در حال چرخش، که به اصطلاح «دیسک‌های برافزایشی» نامیده می‌شود، امری معمول است. به عبارت دیگر، همه عناصر سنگین روی زمین، تحت شرایط خاص و در محیط‌های اخترفیزیکی همچون درون ستارگان، در انفجار‌های ستاره‌ای و در هنگام برخورد ستارگان نوترونی، تشکیل شده اند.
محققان این سوال را مطرح کرده اند که در کدام یک از این رویداد‌های اخترفیزیکی شرایط مناسب برای تشکیل سنگین‌ترین عناصر مانند طلا یا اورانیوم وجود دارد. اولین سرنخ، مشاهده امواج گرانشی و تشعشعات الکترومغناطیسی ناشی از ادغام ستاره نوترونی در سال ۲۰۱۷ بود که طرز شگفت انگیزی نشان داد که بسیاری از عناصر سنگین می‌توانند در این برخورد‌های کیهانی تولید و آزاد شوند. با این حال، این سوال هنوز باقی می‌ماند که چه زمان و چرا مواد به بیرون پرتاب می‌شود و اینکه آیا ممکن است سناریو‌های دیگری وجود داشته باشد که در آن عناصر سنگین تولید شوند؟
امیدوارکننده‌ترین گزینه برای تولید عناصر سنگین، سیاهچاله‌هایی هستند که توسط یک قرص برافزایشی از ماده متراکم و داغ در گردش هستند. چنین سیستمی هم پس از ادغام دو ستاره نوترونی پرجرم و هم در طی فروپاشی و سپس انفجار یک ستاره در حال چرخش تشکیل می‌شود. ترکیب داخلی چنین دیسک‌های برافزایشی تا کنون به خوبی درک نشده است، به ویژه با توجه به شرایطی که در آن نوترون‌های اضافی تشکیل می‌شود. تعداد بالای نوترون‌ها یک نیاز اساسی برای سنتز عناصر سنگین است، زیرا فرآیند جذب نوترون یا فرآیند r را امکان پذیر می‌کند. نوترینو‌های تقریباً بدون جرم نقش کلیدی در این فرآیند دارند، زیرا تبدیل بین پروتون و نوترون را امکان پذیر می‌کنند.
دکتر الیور جاست از گروه اخترفیزیک نسبیتی در بخش تحقیقاتی GSI توضیح می‌دهد که: «در این مطالعه ما برای اولین بار به طور سیستماتیک نرخ تبدیل نوترون‌ها و پروتون‌ها را برای تعداد زیادی از پیکربندی‌های دیسک با استفاده از شبیه سازی‌های کامپیوتری دقیق بررسی کردیم و دریافتیم که دیسک‌ها تا زمانی که شرایط خاص وجود داشته باشد، از نظر نوترون بسیار غنی هستند. عامل تعیین کننده در اینجا جرم کل دیسک است و هر چه دیسک جرم بیشتری داشته باشد، نوترون ها، نوترینو‌های بیشتری را برای سنتز عناصر سنگین با استفاده از فرآیند r جذب می‌کنند».
با این حال، اگر جرم دیسک خیلی زیاد باشد، واکنش معکوس نقش افزایشی ایفا می‌کند به طوری که نوترینو‌های بیشتری قبل از ترک دیسک توسط نوترون‌ها بازپس گرفته می‌شوند. این نوترون‌ها سپس به پروتون تبدیل می‌شوند که مانع از فرآیند r می‌شود. همانطور که مطالعه نشان می‌دهد، جرم دیسک برای تولید عناصر سنگین، حدود ۰.۰۱ تا ۰.۱ جرم خورشیدی است. نتیجه مطالعه، شواهد قوی ارائه می‌دهد که ادغام ستاره‌های نوترونی که دیسک‌های برافزایشی را با این جرم‌های دقیق ایجاد می‌کند، می‌تواند نقطه منشأ بخش بزرگی از عناصر سنگین باشد. با این حال، اینکه آیا و چگونه اغلب چنین دیسک‌های برافزایشی در سیستم‌های جمع‌کننده رخ می‌دهند در حال حاضر نامشخص است.
علاوه بر فرآیند‌های احتمالی پرتاب جرم، گروه تحقیقاتی به سرپرستی دکتر آندریاس باسوین همچنین در حال بررسی سیگنال‌های نوری تولید شده توسط ماده پرتاب شده است که برای استنباط جرم و ترکیب ماده پرتاب شده در مشاهدات بعدی برخورد، استفاده خواهد شد. ستاره‌های نوترونی یکی از اجزای سازنده مهم برای خواندن صحیح این سیگنال‌های نوری محسوب می‌شوند که می‌توانند آگاهی‌های دقیقی از جرم‌ها و سایر خواص عناصر تازه تشکیل شده، ارائه دهند. این داده‌ها در حال حاضر ناکافی هستند، اما با بهره برداری از نسل بعدی شتاب‌دهنده‌ها، مانند FAIR، اندازه‌گیری این فرآیند با دقت بی‌سابقه‌ای در آینده امکان‌پذیر خواهد بود. باوسوین پیش بینی می‌کند که محققان در سال‌های آینده بتوانند فرآیند ادغام ستاره‌های نوترونی را به عنوان منشاء عناصر فرآیند r بررسی کنند.