داخل خورشید دقیقا چه چیزی است؟

به گزارش موبوایران، دانشمندان سالها این رگبار نوترینوها را موشکافی و بررسی کرده‌اند تا بفهمند که دقیقا چگونه خورشید آنها را تولید و پرتاب می‌کند. در حالی که ۹۹ درصد انرژی خورشید از یک نوع همجوشی تأمین می‌شود، مدت‌ها تصور می‌شد که یک درصد باقیمانده طی یک واکنش دوم و پیچیده‌تر به وجود می‌آید و پس از دهه‌ها فعالیت آزمایشی، فیزیکدانان برای اولین بار نوترینوهای حاصل از این واکنش نادر را تشخیص داده‌اند.

مارک پینسونو، یک ستاره‌شناس در دانشگاه ایالتی اوهایو که در این تحقیقات شرکت نداشته می‌گوید: این موضوع مدرکی غیرقابل انکار است و یک تأیید واقعاً زیبا برای یک پیش‌بینی بسیار عمیق نظری است.

محققان امیدوارند که سرانجام پاسخ یکی از پرسش‌های مهم نجوم را با استفاده از همین میزان کم از نوترینوها بیابند: خورشید از چه موادی ساخته شده؟ و به طور کلی تمام ستاره‌های جهان از چه موادی تشکیل شده‌اند؟

محققان می‌دانند که مواد تشکیل دهنده خورشید حداقل ۹۸ درصد هیدروژن و هلیوم است، دو عنصر سبک و فراوان در طبیعت. اما بحث بر سر ترکیب دو درصد نهایی است. ستاره شناسان معمولاً با تجزیه و تحلیل رنگ نوری که از اجسام ساطع می‌شود مواد تشکیل دهنده آنها را بررسی می‌کنند اما وقتی صحبت از برخی از مواد سنگین خورشید مانند کربن، نیتروژن و اکسیژن می‌شود، نور ساطع شده از آنها به راحتی قابل تشخیص نیست.

پینسون می‌گوید: مشکل ما اطلاعات به دست آمده نیست مشکل محل قرار گیری این عناصر در یک گروه از جدول تناوبی است.

دانشمندان وقتی به کمبود اطلاعات در مشاهدات خود رسیدند به نظریه‌ها روی آوردند. بر طبق نمونه‌های اولیه پیش‌بینی می‌شد که ۱.۸ درصد وزن خورشید از اتم‌های سنگینی چون نیتروژن، اکسیژن و کربن تشکیل شده باشد اما پس از آن در دهه ۲۰۰۰ میلادی نظریه‌های پیچیده‌تری که شامل تابش خورشید و سایر ویژگی‌های آن بود به وجود آمد که بر طبق آن پیش‌بینی می‌شد تنها ۱.۴ درصد وزن خورشید از اتم‌های سنگین تشکیل شده باشد. اختلاف نیم درصدی ممکن است زیاد به نظر نرسد، اما پیامدهای کیهانی دارد. از آنجا که خورشید شناخته شده‌ترین ستاره است، ستاره شناسان از آن تقریباً به عنوان یک واحد اندازه‌گیری استفاده می‌کنند و تصور می‌کنند ستاره‌ای دیگر با ظاهر مشابه ویژگی‌های مشابهی نیز دارد و اگر این ویژگی را به تمام ستارگان تعمیم دهیم به سرعت ۵۰ درصد به این آمار اضافه می‌شود و اگر این تخمین حداقلی درست باشد میزان اکسیژن پیش‌بینی شده توسط دانشمندان در کل کیهان ۴۰ درصد کاهش می‌یابد.

پینسون می‌گوید: وقتی مقادیر مواد موجود در خورشید را تغییر می‌دهیم میزان این مواد را در همه جای فضا تغییر داده‌ایم.

یکی از راههای دستیابی به حقیقت در مورد آنچه در داخل خورشید می‌گذرد، مطالعه نوترینوهای بیشماری است که هر ثانیه به سمت زمین حرکت می‌کنند. در خورشید اکثر فعل و انفعالات در اثر همجوشی مستقیم پروتون‌هاست اما فیزیکدانان هسته‌ای در اواخر دهه ۱۹۳۰ میلادی پیش‌بینی کردند که بخشی از این فرایند باید از یک واکنش پیچیده ناشی شود که دقیقاً عناصر سنگین مورد بحث یعنی کربن، نیتروژن و اکسیژن در آن به هدایت پروتون‌ها کمک می‌کنند.

جستجو برای نوترینوهای CNO در سال ۱۹۸۸ میلادی آغاز شد. تمام واکنش‌های هسته‌ای نوترینو تولید می‌کنند پس اگر به دنبال نوترینوهای اندک ایجاد شده از یک واکنش هسته‌ای نادر هستید که میلیون‌ها مایل دورتر جریان دارد، ابتدا باید یک محیط هسته‌ای کاملا تمیز ایجاد کنید. اعضای همکاری کننده در آزمایشگاه "بورکسینو"(Borexino) در ایتالیا شروع به توسعه فناوری پاکسازی مواد کردند که با استفاده از آن می‌توانند آشکارساز ترکیبات آلوده کننده رادیو اکتیو را بسازند.تلاش‌ها برای این کار ۱۹ سال به طول انجامید.

جیواچینو رانوچی(Gioacchino Ranucci)، یکی از اعضای بورکسینو می‌گوید: این محیط احتمالاً از نظر رادیواکتیویته پاک‌ترین محیط روی زمین است.

حتی در آن صورت نیز این کار آسان نبود. دانشمندان آشکارساز بورکسینو را در زیر کوه "گرن ساسو"(Gran Sasso) به دور از تشعشات کیهانی در آزمایشگاه ملی ایتالیا ساختند.

هسته آشکارساز از یک مخلوط ۳۰۰ تنی از مواد شیمیایی تشکیل می‌شود که در موقعیت‌های بسیار نادر که یک نوترینو با مایع تعامل می‌کند تشعشع دارد.

آشکارساز بورکسینو

هزار تن دیگر از همین ترکیب هسته آشکارساز را در بر گرفته و ۲۳۰۰ تن آب کل دستگاه را احاطه کرده و از آن در برابر اشعه گاما و نوترون‌هایی که از صخره‌های کوه گران ساسو منتشر می‌شود محافظت می‌کند.

این آزمایش در سال ۲۰۰۷ آغاز شد و تقریباً بلافاصله برای اولین بار نوترینوهایی که از خورشید می آمدند تشخیص داده شدند. طی چند سال بعد، محققان همه جنبه‌های همجوشی استاندارد پروتون-پروتون را کاوش کردند. نوترینوهای CNO اما از دسترس خارج شدند.

در سال ۲۰۱۵، آنها آشکارساز را تغییر دادند تا مایع در هسته کاملاً ثابت بماند و سرانجام، تلاش آنها نتیجه داد. در ماه ژوئن، گروه بین‌المللی شامل حدود ۱۰۰ محقق اعلام کردند که پس از از بین بردن سایر منابع احتمالی، آنها در نهایت موفق به شناسایی نوترینوهای CNO شدند و هر روز ، ۱۰۰ تن مایع مرکزی به طور متوسط حدود ۲۰ بار تشعشع می‌کند.

۱۰ مورد از تشعشعات از فروپاشی هسته‌ای در مواد آشکارساز حاصل می‌شود و در این محدوده انرژی خاص، حدود سه مورد آن از واکنش اصلی همجوشی خورشید حاصل می‌شود.

رانوچی می‌گوید، هفت تشعشع باقی مانده نشان دهنده نوترینوهای ارسال شده است که در اثر همجوشی کمیاب CNO ها در خورشید ایجاد می‌شوند. این گروه نتیجه تحقیقات خود را در مجله نیچر منتشر کردند.

پینسون می‌گوید: این آزمایش واقعا زیباست. بنابراین این هفت تشعشع روزانه اشاره کوچکی به این نکته دارد که خورشید و به دنبال آن جهان ممکن است نیتروژن، اکسیژن و کربن بیشتری از آنچه تصور می‌کردیم داشته باشد. اما حتی پس از دهه‌ها تلاش و زحمت در اندازه‌گیری شواهد هنوز قطعی نیستند.

رانوچی می‌گوید، ما امیدواریم که میزان عناصر سنگین زیاد باشد اما این نتایج ممکن است اتفاقی باشند.

آزمایگاه بورکسینو تا چند ماه دیگر جستجوی نوترینوهای CNO را ادامه می‌دهد و پس از آن عمر آشکارساز پایان می‌یابد.

رانوچی قصد دارد مقاله دیگری مربوط به نوترینوی CNO منتشر کند که شامل اطلاعات بیشتری از یک سال و نیم تحقیقات اضافه‌تر است، و ممکن است پاسخ قطعی‌تری ارائه دهد.

پینسون می‌گوید: صرف نظر از اینکه آزمایشگاه بورکسینو چقدر می‌تواند از روزهای آخر این دستگاه برای دستیابی به اطلاعات بیشتر استفاده کند فیزیکدانان خورشیدی در حال انجام آزمایشات دیگری هستند که ممکن است به طریق دیگری به محتوای خورشید برسد و اگر این آزمایش‌ها نیز به نتیجه نرسند دستگاه‌های دیگری در راه هستند. اگرچه هیچ یک از آنها هنوز اطلاعاتی ارائه نکرده اند اما پس از دهه‌ها تماشای پیشرفت بورکسینو، فیزیکدانان خورشیدی می‌دانند که باید صبور بود.

پینسون می‌گوید: این موضوع راه رسیدن به راه حل‌های دیگر را نمی‌بندد بلکه راهی را به نسل‌های آینده نشان می‌دهد که ممکن است تعیین کننده نتیجه باشد.