۲۰ میلیون سال تا ستاره‌شدن: ساعت کیهانی پرده از زمان تولد خورشید برمی‌دارد
خورشید به‌طور تقریبی ۴.۶ میلیارد سال قدمت دارد، اما مدت زمانی که این کره پلاسمایی پرشکوه دقیقاً برای شکل‌گیری نیاز داشت، همچنان ناشناخته است. تیمی از محققان بین‌المللی پاسخ این سوال را یافته‌اند.
آنها واپاشی بتای حالت مقید تالیم-۲۰۵ ( ۲۵۰ Tl ۸۱+ ) را اندازه‌گیری کرده‌اند. این واپاشی به شرایطی مانند دما و چگالی الکترون که در مناطق ستاره‌زایی مشترک است، مانند آنجا که خورشید ما تشکیل شده بود، حساس است.
با مطالعه این واپاشی، دانشمندان می‌توانند زمان و شرایط در منظومه خورشیدی اولیه را بهتر درک کنند و سرنخ‌هایی درباره زمان تشکیل خورشید به دست آورند. پیچیدگی واپاشی حالت مقید به‌قدری است که نیاز به تعداد زیادی دانشمند برای انجام این کار داشت.
برای مثال، مطالعه تأکید دارد که این دستاورد شامل بیش از ۵۰ دانشمند از ۳۷ مؤسسه در ۱۲ کشور مختلف است.
نتیجه ما نشان می‌دهد که چگونه تسهیلات تجربی انقلابی، همکاری میان گروه‌های پژوهشی متعدد و مقدار زیادی تلاش سخت می‌تواند به ما در درک فرآیندهای درون هسته‌های ستارگان کمک کند. با نتیجه جدید تجربی ما، می‌توانیم کشف کنیم که خورشید ما ۴.۶ میلیارد سال پیش چقدر طول کشید تا شکل بگیرد،" گای لکنبی، نویسنده اول مطالعه گفت.
رمزگشایی از واپاشی بتا در حالت مقید
واپاشی بتا در حالت مقید یک فرآیند نادر است که در آن هسته اتمی ناپایدار، یک الکترون (ذره بتا) را نه به فضای آزاد، بلکه به یکی از مدارهای محکم خود می‌تاباند.
این زمانی اتفاق می‌افتد که هسته بارش خیلی زیاد است و الکترون تابیده شده به درون یک لایه مداری گرفتار می‌شود، به‌جای اینکه مانند در واپاشی بتا عادی آزاد شود.
وقتی این فرآیند در ایزوتوپ‌هایی مانند ۲۰۵ T رخ می‌دهد، به شرایط مشابه آن‌هایی که در طول تشکیل منظومه خورشیدی وجود داشت نیاز دارد. بنابراین، این واپاشی مانند یک ساعت کیهانی عمل می‌کند و زمان‌بندی شکل‌گیری خورشید و وقایع کیهانی مرتبط با آن را نشان می‌دهد.
به‌طور کلی، تالیم-۲۰۵ از واپاشی سرب-۲۰۵ تولید می‌شود. اما وقتی همه الکترون‌ها از اتم‌های باردار تالیم و سرب جدا می‌شوند، واپاشی معکوس می‌شود. ۲۰۵ Tl اکنون از طریق واپاشی بتا ۲۰۵ Pb تولید می‌کند.
"این همان چیزی است که در ستاره‌های AGB اتفاق می‌افتد، جایی که دمای چند صد میلیون کلوین برای یونیزه کردن کامل اتم‌ها کافی است. مقدار ۲۰۵ Pb تولید شده در ستاره‌های AGB به‌شدت به نرخ واپاشی ۲۰۵ Tl به ۲۰۵ Pb بستگی دارد،" نویسندگان مطالعه اشاره می‌کنند.
اما این واپاشی تحت شرایط معمول آزمایشگاهی قابل اندازه‌گیری نیست زیرا ۲۰۵ Tl پایدار است،" نویسندگان مطالعه اضافه کردند. ستاره‌های AGB (شاخه غول نامتقارن) ستارگانی هستند که به پایان عمر خود نزدیک می‌شوند و موادی را جدا می‌کنند که منجر به شکل‌گیری ستاره‌های جدید و دیگر اجرام آسمانی می‌شود.
تحقق واپاشی معکوس غیرممکن
از آنجا که ما بر روی یک ستاره AGB زندگی نمی‌کنیم، مشاهده چنین واپاشی یک فرآیند چالش‌برانگیز است. این به این دلیل است که حتی تفاوت‌های جزئی در شرایط واپاشی می‌تواند منجر به واپاشی سرب به تالیم به‌جای معکوس شود.
"جفت ۲۰۵ Tl- ۲۰۵ Pb را می‌توان به‌عنوان مدلی شبیه به یک ستاره مشبک تصور کرد، زیرا هر دو جهت واپاشی ممکن است و برنده به شرایط محیطی ستاره‌ای از جمله دما و چگالی الکترون و به قدرت انتقال هسته‌ای بستگی دارد که این در رقابت ستاره‌ای بزرگ ناشناخته بود،" محققان توضیح دادند.
قدرت انتقال هسته‌ای به احتمال حرکت یک هسته از یک سطح انرژی به سطح دیگر اشاره دارد. دانش این عامل می‌تواند به محققان اجازه دهد تا تخمین بزنند که در کدام جهت تجزیه سرب-تالیم رخ خواهد داد.
برای اولین بار، با سال‌ها تحقیق و استفاده از حلقه ذخیره‌سازی تجربی GSI/FAIR (ESR)، یک تأسیسات علمی پیشرفته که به دانشمندان امکان ذخیره و دستکاری یون‌های بسیار بار را می‌دهد — نویسندگان مطالعه اکنون می‌توانند قدرت انتقال هسته‌ای و نرخ‌های واپاشی مورد نیاز برای شکل‌گیری یک جرم آسمانی مانند خورشیدمان را تخمین بزنند.
"نرخ جدید واپاشی به ما این امکان را می‌دهد تا با اطمینان پیش‌بینی کنیم که چقدر ۲۰۵ Pb در ستاره‌های AGB تولید شده و به ابر گازی که خورشید ما را تشکیل داده راه پیدا می‌کند." یافته‌ها نشان می‌دهند که خورشید ما حدود ۱۰ تا ۲۰ میلیون سال برای تشکیل خود از مولکول پیشینی خود (جسم مادر) طول کشید.
این نتیجه همچنین با آنچه دانشمندان پیش‌تر با استفاده از روش‌های دیگر، نظیر گرفتن نوترون کند محاسبه کرده بودند، هماهنگ است. امیدواریم بینش‌های حاصل از منشاء خورشید و واپاشی بتا در حالت مقید از این پژوهش به کشف‌های بیشتر و پایه‌ای‌تر در فیزیک اتمی منجر شود.
مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.
