رد پاي خواهر سنگين وزن هيدروژن
نويسنده: بروس دورميني
ترجمه: شادي حامدي آزاد
ترجمه: شادي حامدي آزاد
دوتريوم، با دو برابر جرم هيدروژن معمولي، نقشي«سنگين» در كمك به درك عالم آغازين، تحول كهكشان ها، و گسترش حيات در عالم دارد.
كوره ي هسته اي پس از انفجار بزرگ، در زماني كمتر از زمان لازم براي آپ پز كردن تخم مرغ، سبك ترين هسته هاي جدول تناوبي را توليد كرد. در عالم نخستين سه دقيقه شاهد توليد هيدروژن، دوتريوم، هليوم-3 و هليوم-4 و ليتيوم-7 بود. اخترشناسان همه هسته هاي سنگين تر از هليوم- از ليتيوم تا كربن حيات بخش و اكسيژن تا طلاي گران بها و فراتر از آن را-«فلز» مي نامند.
اما از ميان همه ي عناصر موجود در عالم تعداد كمي توانسته اند بيش از دوتريوم- كه ايزوتوپي از هيدروژن است- توجه اخترشناسان را به خود جلب كنند. اين عنصر، نوعي ردياب كيهان شناختي براي پيگيري سرنوشت ماده در عالم آغازين و نيز تحول راه شيري است. فراواني آن نشانه هايي از ماهيت هسته زايي در انفجار بزرگ، تحول شيميايي كهكشان ها، و احتمالاً فراواني سيارات ميزان حيات درعالم به دست مي دهد. مشكل اينجاست كه آشكارسازي دوتريوم، به ويژه خارج از كهكشان ما، دشوار است.
دوتريوم، كه سومين عنصر فراوان در عالم آغازين بوده است، زماني كه به اوج مقدار خود رسيد كه فقط17 دقيقه از عمر عالم گذشته بود. اين نخستين و آخرين اوج اين عنصر بود. ديگر هرگز اين هسته ي ناپايدار- كه از يك پروتون و يك نوترون تشكيل شده است- خلق نشد. از آن زمان دوتريوم در سراشيبي عدم قرار گرفته است زيرا فرايندهاي اتمي توليد كننده ي هسته هاي يپچيده تر همواره آن را نابود كرده اند و هيچ گاه آن را خلق نكرده اند.
در طبيعت، دوتريوم در واكنش با پروتون ها و نوترون ها و ديگر هسته هاي درون ستاره ها و كوتوله هاي قهوه اي، طي فرايندي به نامastration نابود مي شود. خورشيد ما در هزار سال نخست زندگي اش ذخيره ي دوتريوم خود را به پايان رساند؛ خيلي پيش از رسيدن به مرحله ي هيدروژن سوزي رشته اصلي.
هنوز ميزان كافي دوتريوم در جهان وجود دارد كه آشكارش كنيم؛ از آب درياها گرفته تا دنباله دارها، جو مشتري، شهاب ها، ماده ي ميان ستاره اي، ابرهاي پرسرعت خارج از صفحه ي كهكشان راه شيري، و ماده ي ميان كهكشاني. اما دوتريوم حتي در فراوان ترين حالتش هم به وفور يافت نمي شود! اخترشناسان تصور مي كنند كه نسبت دوتريوم به هيدروژن، كه به نسبتH/D معروف است، در آغاز عالم 30 واحد در ميليون(ppm) بوده است.
از آنجا كه نسبت دوتريوم به هيدروژن از زمان دوتريوم به هيدروژن از زمان انفجار بزرگ فقط كاهش يافته است، بررسي نسبت هايH/D در دوران هاي مختلف كاوشي اساسي در تحول و سرنوشت ماده در عالم، از نخستين دوران ها تا امروز، به شمار مي رود.
از سال 1373، رصد گران آسمان را به دنبال اختروش هاي دوردست با انتقال به سرخ بالا جست و جو مي كردند، اختروش هايي كه بتوانند نشان گر ماده ي ميان كهكشاني پر هيدروژن آغاز عالم باشند. از آن زمان، فقط پنج اختروش اين چنيني رصد شده اند كه به اندازه ي كافي قابل اطمينان هم باشند. و نسبتH/D ديده شده در اين پنج مورد از 16 تا 40
ppmاست؛ که به سختي به ميزان لازم براي رسيدن به توافق بر سر فراواني آغازين دوتريوم مي رسد.
بيش از يك دهه ي پيش ديويد تايتلر، اخترفيزيك دان دانشگاه كاليفرنيا در سن ديه گو، و همكارانش نخستين بار با طيف نگاه HIRES سوار بر تلسكوپ 10 متري كک در هاوايي دوتريوم را در اختروش هايي با انتقال به سرخ بالا يافتند. گروه تايتلر از كك براي يافتن چهار تا از پنج خط ديد دوتريوم استفاده كردند(طيف سنجي از بخش هاي مختلف تصوير اختروش براي رد يابي دوتريوم در هر خط ديد انجام مي شود). مكس پتيني، اخترفيزيك دان دانشگاه كمبريج انگلستان، و گروهش با كمك رصدهاي تلسكوپ فضايي هابل پنجمين خط ديد را آشكار كردند. همچنين خط ديد ششم هم احتمالاً وجود دارد كه نشانه هايي از آن را كرايتون، از دانشگاه دورهم انگلستان، پس از تحليل داده هايي رصدي پيشين تلسكوپ كك به دست آورد.
تايتلر مي گويد: «يك روز طول مي كشد تا متوجه شوي دوتريوم شكار كرده اي. اما ممكن است حتي بسيار بيشتر هم طول بكشد تا خودت را متقاعد كني كه واقعاً چنين كرده اي! آن روزها نمي دانستيم كار چقدر قرار است دشوار باشد».
چهار كشف گره تايتلر فراواني هايي از 24 تا 40ppm نشان مي دهند. و خطاهاي رصدي، كه حدود 9 درصدند، ممكن نيست چنين بازه اي را شرح بدهند. تايتلر مي گويد:« راهي روشن براي توضيح اين داده ها اين است كه بگوييم داده ها را فقط به درستي تنظيم نكرده ايم. آيا ميزان تركيب بين دوتريوم و هيدروژن را كمتر از واقع تخمين زده ايم يا بيشتر از آن؟».
در انتقال به سرخ هاي نزديك 3، زماني كه اندازه ي عالم فقط يك سوم امروز بود، خطوط طيفي فرابنفش دوتريوم به سوي بخش مرئي طيف انتقال پيدا مي كند. اينجاست كه مسايل دشوار مي شوند. آشكارسازي دوتريوم درنورمرئي چيزي شبيه راه رفتن روي طناب بازي است. خطوط طيفي مرئي دوتريوم و هيدروژن درست روي سر يكديگر قرار دارند. خوشبختانه، جرم هسته ي دوتريوم تقريباً دو برابر هيدروژن معمولي است. به همين سبب خطوط طيفي دوتريوم نسبت به خطوط طيفي هيدروژن معمولي كمي به سوي آبي انتقال پيدا مي كند.
اسكات برل، يكي از دانشجويان سابق تايتلر و اخترشناس امروز مؤسسه فناوري ماساچوست(MIT)، مي گويد: «نگاه كردن به نموداري از اين خطوط، كاري گيج كننده است. اغلب اوقات، فقط مجموعه ي خاصي از سامانه ها هستند كه خطوط هيدروژن اتمي به حد كافي چگالي دارند كه بتوان بر اساس آن به دنبال خطوط دوبريوم مرتبط گشت».
اما تلاش براي اين كار ارزشش را دارد. تركيب نسبت H/D- كه نشان دهنده ي چگالي ماده ي معمولي در انتقال به سرخ هاي بالاست- با ثابت هابل، معياري براي سرعت انبساط عالم، به كيهان شناسان امكان مي دهد درصد ماده ي معمولي عالم را به دست آورند. اگر ثابت هابل را 73 كيلومتر بر ثانيه بر مگاپارسك در نظر بگيريم، اين مقدار حدود 4 درصد به دست مي آيد و به ترتيب 23 درصد براي ماده ي تاريك و 73 درصد هم براي انرژي تاريك باقي مي ماند.
استاي من مي گويد: «براي چيزي به مهمي فراواني آغازين دوتريوم، مايلم يك دوجين خط ديد را ببينم. اما افرادي كه به كك دسترسي دارند بيشتر ترجيح مي دهند سياراتي زمين مانند را به دور ستاره هاي خورشيد مانند بيابند تا اين جست و جوي بسيار دشوار به دنبال آن خط ديدهايي را، كه احتمال دارد در آن ها دوتريوم كشف كنند، انجام دهند».
تايتلر از فرصتي براي دو برابر كردن خط ديدهاي رصدي لذت مي برد؛ كاري كه به گفته ي خود او خطاهاي گروهش را به 3 درصد يا شايد كمتر رسانده است. اما او متوجه است كه هر بحث جديدي درباره ي داده ها در واقع گرفتن وقت از تلسكوپ را دشوارتر مي كند. خودش مي گويد:« ما بيش از 50 شب از زمان رصدي تلسكوپ كك را استفاده كرديم كه ارزشش 5 ميليون دلار است. اين يكي از بزرگترين پروژه هاي تلسكوپي دهه ي گذشته بوده است. يك شب رصدي در كك حدود 8 ساعت به طول مي انجامد؛ بنابراين براي يك جسم به 2شب نياز داريم. اما پوشش رسانه ها از بحث و جدل ها بر سر داده هاي مربوط به دوتريوم، كار را دست كم 5 سال كند كرد».
^برفراز ابرهاي مشتري نسبت دوتريوم به هيدروژن 21 ppm است؛ که نشان مي دهد منظومه ي شمسي با همين نسبت شکل گرفته است.
^اقيانوس ها و ابرها اين نماي زمين را پوشانده اند. در همه ي اين آب ها، درصد ناچيزي دوتريوم جانشين هيدروژن شده است.
^دنباله دارها، كه به گوله برفي كثيف هم مشهورند، حاوي مقدار بسيار از آب يخ زده و بنابراين مقداري دوتريوم هستند. عجب اين است كه نسبت دوتريوم - هيدروژن در دنباله دارها با اين نسبت در اقيانوس هاي زمين يكسان نيست.
برخلاف كار بسيار پيچيده ي تفكيك تابش هيدروژن و دوتريوم در نور مرئي، كار جداسازي اين دو عنصر در تابش راديويي بسيار آسان تر است. در اين طول موج ها، تابش زماني
^ابرهاي گازي درخشان در راه شيري بيش از تصور دانشمندان دوتريوم دارند كه اين نشان مي دهد بيشتر ماده ي ميان ستاره اي ممكن است از بيرون وارد كهكشان شده باشد.
عكس از رابرت گندلر
گيسل مي شود كه چرخش الكترون درون اتم معكوس مي شود با اين باز هم شش ماه طول كشيد تا راجرز و همكارانش توانستند، به كمك آرايه اي از 152 آنتن دو قطبي، نخستين نشانه هاي تابش دوتريوم را در جهت مخالف مركز راه شيري به دام بيندازند. اين رصدها مقدار نسبت دوتريوم به هيدروژن را 23ppm به دست داد.
سرانجام كريس سيگوردسان، فيزيك دان ذرات و كيهان شناس در مؤسسه ي مطالعات پيشرفته در پرينستون نيوجرسي، مايل است در خطوط جذبي فوتون هاي تابش ريز موج زمينه ي كيهان به دنبال دوتريون بگردد. او اميدوار است كه رصدهايي درانتقال به سرخ هاي بين 20تا 200، در زمان عصر تاريكي كيهان(پيش از شكل گيري اغلب ستاره ها و كهكشان ها)، انجام بدهد.
دوتريوم در آن زمان هاي ابتدايي، فراواني حتي بكرتري هم نسبت به درون ماده ي ميان كهكشاني داشته است. اما آرايه اي راديويي كه بتواند چنين شاهكاري انجام بدهد، بايد چند برابر بزرگ تر از آرايه ي يك كيلومتر مربعي(SKA) باشد كه پيشنهاد شده و همچنان در مرحله ي طراحي مانده است(كادر صفحه ي ؟ را ببينيد).
خيلي نزديك تر به خانه، مي دانيم كه گازهاي ميان ستاره اي درنزديكي خورشيد طي تولد و مرگ چندين نسل از ستاره ها بازيافت شده است. اين بازيافت موجب نابودي دوتريوم و توليد عناصر سنگين تر مي شود. وقتي دوتريوم نابود مي شود. اندازه گيري هاي مقدار هليوم-3تبديل مي شود. اندازه گيري هاي مقدار هليوم -3 در باد خورشيدي و در جو مشتري به اخترشناسان نشان داده كه نسبت D/Hدر ابري كه منظومه ي شمسي ما از آن زاده شده حدود 21 ppm بوده است.
بريان فيلدز، اختر فيزيك دان دانشگاه ايلينوي، مي گويد: « در آغاز، درون حباب محلي فوران ابرنواختري- به جرم تقريباً 10 برابر خورشيد- كاملاً خالي از دوتريوم بود. سپس به سرعت مواد اطراف را، كه شامل دوتريوم هم مي شود، به سوي خود جذب كرد. همه ي اين مواد اين بقاياي انفجار ابرنواختري متوقف و به شدت در هم آميخته شد».
از اوايل دهه ي 1350، كه اخترشناسان نخستين بار دوتريوم را در ماده ي ميان ستاره اي كشف كردند، بر سر اين موضوع بحث داشته اند كه چه مقداري از اين عنصر نابود شده است. تا همين اواخر، پژوهشگران فكر مي كردند نسبتD/H در ماده ي ميان ستاره ي محلي 15 يا 16 ppm بوده است. اين تصور در سال 1385با اعلام نتايج كاوشگر طيف نگار فرابنفش دور(FUSE) ناسا كاملاً به هم ريخت. اين كاوشگر در پاييز 1386 بازشسته شد.
^سحابي هاي منبسط شونده ي باقي مانده از ابرنواخترهاي ماده ي ميان ستاره ها را گرم مي كنند و از دانه هاي غباري دوتريوم آزاد مي كنند و اين اتم ها را به درون ماده ي ميان ستاره اي بار مي گرداند.
عكس از طه قوچكانلو
جفري لينسكاي، اخترفيزيك داني از دانشگاه كلرادو در بودلر و مدير گروه پژوهشي فيوز، مي گويد كه در فاصله ي 300 سال نوري از زمين نسبت D/H در مقدار ثابت 156 ppm باقي مي ماند. با اين حال، فراتر از حباب محلي بازه ي اين نسبت از 5 تا 23 ppm متغير است.
چه چيز باعث چنين اختلافي است؟ لينسكاي بر اين باور است كه محتمل ترين توضيح، ريشه در فكري مربوط به سال 1361دارد؛ زماني كه مايك ژورا، اخترفيزيك دان دانشگاه UCLA، پيشنهاد كرد كه دوتريوم ممكن است از نظر شيميايي با دانه هاي كربني سرد ميان ستاره اي پيوند برقرار كند و همين عامل نقصان رصد شده در خط ديدهايي خاص مي شود.
بروس درين، اختر فيزيك داني از دانشگاه پرينستون، شرح مي دهد كه پيوند كربن- دوتريوم كمي قوي تر از پيوند كربن- هيدروژن است. بنابراين، وقتي دانه اي گرم مي شود هيدروژن ممكن است پيوند را ترك كند اما دوتريوم همان جا مي ماند. اين دوتريوم ناپديد شده در واقع نابود نشده بلكه فقط به شكلي تبديل شده كه فيوز نمي تواند آشكارش كند.
لينسكاي مي گويد: «اين نتايج، درك ما را از چگونه تكامل يافتن كهكشان متحول مي كند. شايد ما را مجبور كند فرضيات مان را، درباره ي سرعت شكل گيري ستاره ها يا درصد ستاره هايي كه به صورت ابرنواختر منفجر مي شوند، تغيير دهيم».
بزرگ ترين عدم قطعيت در مدل هاي فعلي از كهكشان اين است كه چقدر موارد پر دوتريوم به درون قرص راه شيري مي ريزد. ارقام قديمي تر مي گويند كه منشأ 25 تا 50 درصد گاز ماده ي ميان ستاره اي در خارج از كهكشان است. اما برخي ازمدل سازان براين باورند كه اين عدد بزرگ تر است. دوناتلا رومانو، نظريه پردازي در رصد خانه بولونياي ايتاليا، مي گويد:« در مدل هاي تحول شيميايي كهكشان، كه من كار كرده ام، تقريباً 75 درصد كل گازهاي امروز-رصد شده در قرص محلي گازي است كه بي تغيير از خارج از كهكشان آمده است. اين گاز با حدود 25 درصد مواد نابود شده تركيب مي شود؛ موادي كه به صورت انفجار ابرنواختري از ستاره هاي در حال مرگ فوران شده با به صورتي آرام تر همراه باد ستاره اي[نزديك به انتهاي ستاره] يا به صورت سحابي هاي سياره نما در فضا پراكنده شده است.
«تخمين مي زنيم كه نسبت D/H در اين گاز بي تغيير پر از دوتريوم 22ppm باشد. البته اين كه از زمان شكل گيري راه شيري چه مقدار از اين گاز به قرص كهكشان افزوده شده، هنوز پرسشي است بي پاسخ. اما شكي نيست كه مدل هاي قديمي با قرص هاي بسته از تحول شيميايي كهكشان، امروز ديگر به شدت از مد افتاده شده اند».
بسيار نزديك تر، زمين ممكن است در معرض تابش هاي مضر از ابرنواخترها قرار گرفته باشد كه مانع از تكامل جوي زيست دوست مي شود. دورتر، ممكن است مقدار فلزات به اندازه ي كافي نبوده باشد كه سياراتي مانند سياره ي ما ايجاد شود. بنابراين، نتايج كاوشگر فيوز مسايل را مبهم تر مي كند زيرا به نظر مي رسد ساختاري گازي ماده ي ميان ستاره اي از مكاني به مكان ديگر بسيار بيشتر از آن چه اخترشناسان پيش تر تصور مي كردند تغيير مي كند.
فيلدز مي گويد:«تفكر ساده شده اين است كه كاهشي ثابت در ميزان فلز در مواد كهكشاني وجود دارد، از مقدار زياد فلز در نواحي مركزي كهكشان تا كم نواحي بيرون تر. اگر كهكشان كمي به هم ريخته باشد، به اين معناست كه شرايط محلي به شدت تغيير مي كند. بنابراين، امكان بيشتري وجود دارد كه سيارات در نواحي گوناگون كهكشان شكل بگيرند».
از سوي ديگر، نظريه هاي رايج درباره ي شكل گيري سيارات و تكامل حيات عموماً شامل ستاره هاي پر فلزي مانند خورشيد مي شوند. با اين حال، ما هم مانند سياره مان لبريز از آهن هستيم. بنابراين، لينسكي در تعجب است كه: «اگر درك ما از تكامل شيميايي كهكشان قرار باشد تغيير كند، آنگاه كل موضوع فراواني فلز در كهكشان هم تغيير خواهد كرد. آيا فلزات از آغاز در كهكشان بوده اند، يا همين اواخر اضافه شده اند؟ همين است كه مشخص مي كند، چه تعداد ستاره فراواني بالايي دارند، و بنابراين چند ستاره، سياره دارند؟».
سرانجام، جست و جو به دنبال دوتريوم و فراواني آن ممكن است تا حدي كه تصور مي شد نظري نباشد. در واقع، اين ايزوتوپ گريزپاي هيدروژن سرانجام ممكن است همان قدر به ما درباره ي تحول سيارات و حيات در كهكشان مان بگويد كه درباره ي مدل هاي استاندارد عالم خواهد بود.
منبع: نشريه نجوم، شماره 208
كوره ي هسته اي پس از انفجار بزرگ، در زماني كمتر از زمان لازم براي آپ پز كردن تخم مرغ، سبك ترين هسته هاي جدول تناوبي را توليد كرد. در عالم نخستين سه دقيقه شاهد توليد هيدروژن، دوتريوم، هليوم-3 و هليوم-4 و ليتيوم-7 بود. اخترشناسان همه هسته هاي سنگين تر از هليوم- از ليتيوم تا كربن حيات بخش و اكسيژن تا طلاي گران بها و فراتر از آن را-«فلز» مي نامند.
اما از ميان همه ي عناصر موجود در عالم تعداد كمي توانسته اند بيش از دوتريوم- كه ايزوتوپي از هيدروژن است- توجه اخترشناسان را به خود جلب كنند. اين عنصر، نوعي ردياب كيهان شناختي براي پيگيري سرنوشت ماده در عالم آغازين و نيز تحول راه شيري است. فراواني آن نشانه هايي از ماهيت هسته زايي در انفجار بزرگ، تحول شيميايي كهكشان ها، و احتمالاً فراواني سيارات ميزان حيات درعالم به دست مي دهد. مشكل اينجاست كه آشكارسازي دوتريوم، به ويژه خارج از كهكشان ما، دشوار است.
دوتريوم، كه سومين عنصر فراوان در عالم آغازين بوده است، زماني كه به اوج مقدار خود رسيد كه فقط17 دقيقه از عمر عالم گذشته بود. اين نخستين و آخرين اوج اين عنصر بود. ديگر هرگز اين هسته ي ناپايدار- كه از يك پروتون و يك نوترون تشكيل شده است- خلق نشد. از آن زمان دوتريوم در سراشيبي عدم قرار گرفته است زيرا فرايندهاي اتمي توليد كننده ي هسته هاي يپچيده تر همواره آن را نابود كرده اند و هيچ گاه آن را خلق نكرده اند.
در طبيعت، دوتريوم در واكنش با پروتون ها و نوترون ها و ديگر هسته هاي درون ستاره ها و كوتوله هاي قهوه اي، طي فرايندي به نامastration نابود مي شود. خورشيد ما در هزار سال نخست زندگي اش ذخيره ي دوتريوم خود را به پايان رساند؛ خيلي پيش از رسيدن به مرحله ي هيدروژن سوزي رشته اصلي.
هنوز ميزان كافي دوتريوم در جهان وجود دارد كه آشكارش كنيم؛ از آب درياها گرفته تا دنباله دارها، جو مشتري، شهاب ها، ماده ي ميان ستاره اي، ابرهاي پرسرعت خارج از صفحه ي كهكشان راه شيري، و ماده ي ميان كهكشاني. اما دوتريوم حتي در فراوان ترين حالتش هم به وفور يافت نمي شود! اخترشناسان تصور مي كنند كه نسبت دوتريوم به هيدروژن، كه به نسبتH/D معروف است، در آغاز عالم 30 واحد در ميليون(ppm) بوده است.
از آنجا كه نسبت دوتريوم به هيدروژن از زمان دوتريوم به هيدروژن از زمان انفجار بزرگ فقط كاهش يافته است، بررسي نسبت هايH/D در دوران هاي مختلف كاوشي اساسي در تحول و سرنوشت ماده در عالم، از نخستين دوران ها تا امروز، به شمار مي رود.
بازگشت به آغاز
از سال 1373، رصد گران آسمان را به دنبال اختروش هاي دوردست با انتقال به سرخ بالا جست و جو مي كردند، اختروش هايي كه بتوانند نشان گر ماده ي ميان كهكشاني پر هيدروژن آغاز عالم باشند. از آن زمان، فقط پنج اختروش اين چنيني رصد شده اند كه به اندازه ي كافي قابل اطمينان هم باشند. و نسبتH/D ديده شده در اين پنج مورد از 16 تا 40
ppmاست؛ که به سختي به ميزان لازم براي رسيدن به توافق بر سر فراواني آغازين دوتريوم مي رسد.
بيش از يك دهه ي پيش ديويد تايتلر، اخترفيزيك دان دانشگاه كاليفرنيا در سن ديه گو، و همكارانش نخستين بار با طيف نگاه HIRES سوار بر تلسكوپ 10 متري كک در هاوايي دوتريوم را در اختروش هايي با انتقال به سرخ بالا يافتند. گروه تايتلر از كك براي يافتن چهار تا از پنج خط ديد دوتريوم استفاده كردند(طيف سنجي از بخش هاي مختلف تصوير اختروش براي رد يابي دوتريوم در هر خط ديد انجام مي شود). مكس پتيني، اخترفيزيك دان دانشگاه كمبريج انگلستان، و گروهش با كمك رصدهاي تلسكوپ فضايي هابل پنجمين خط ديد را آشكار كردند. همچنين خط ديد ششم هم احتمالاً وجود دارد كه نشانه هايي از آن را كرايتون، از دانشگاه دورهم انگلستان، پس از تحليل داده هايي رصدي پيشين تلسكوپ كك به دست آورد.
تايتلر مي گويد: «يك روز طول مي كشد تا متوجه شوي دوتريوم شكار كرده اي. اما ممكن است حتي بسيار بيشتر هم طول بكشد تا خودت را متقاعد كني كه واقعاً چنين كرده اي! آن روزها نمي دانستيم كار چقدر قرار است دشوار باشد».
چهار كشف گره تايتلر فراواني هايي از 24 تا 40ppm نشان مي دهند. و خطاهاي رصدي، كه حدود 9 درصدند، ممكن نيست چنين بازه اي را شرح بدهند. تايتلر مي گويد:« راهي روشن براي توضيح اين داده ها اين است كه بگوييم داده ها را فقط به درستي تنظيم نكرده ايم. آيا ميزان تركيب بين دوتريوم و هيدروژن را كمتر از واقع تخمين زده ايم يا بيشتر از آن؟».
در انتقال به سرخ هاي نزديك 3، زماني كه اندازه ي عالم فقط يك سوم امروز بود، خطوط طيفي فرابنفش دوتريوم به سوي بخش مرئي طيف انتقال پيدا مي كند. اينجاست كه مسايل دشوار مي شوند. آشكارسازي دوتريوم درنورمرئي چيزي شبيه راه رفتن روي طناب بازي است. خطوط طيفي مرئي دوتريوم و هيدروژن درست روي سر يكديگر قرار دارند. خوشبختانه، جرم هسته ي دوتريوم تقريباً دو برابر هيدروژن معمولي است. به همين سبب خطوط طيفي دوتريوم نسبت به خطوط طيفي هيدروژن معمولي كمي به سوي آبي انتقال پيدا مي كند.
اسكات برل، يكي از دانشجويان سابق تايتلر و اخترشناس امروز مؤسسه فناوري ماساچوست(MIT)، مي گويد: «نگاه كردن به نموداري از اين خطوط، كاري گيج كننده است. اغلب اوقات، فقط مجموعه ي خاصي از سامانه ها هستند كه خطوط هيدروژن اتمي به حد كافي چگالي دارند كه بتوان بر اساس آن به دنبال خطوط دوبريوم مرتبط گشت».
اما تلاش براي اين كار ارزشش را دارد. تركيب نسبت H/D- كه نشان دهنده ي چگالي ماده ي معمولي در انتقال به سرخ هاي بالاست- با ثابت هابل، معياري براي سرعت انبساط عالم، به كيهان شناسان امكان مي دهد درصد ماده ي معمولي عالم را به دست آورند. اگر ثابت هابل را 73 كيلومتر بر ثانيه بر مگاپارسك در نظر بگيريم، اين مقدار حدود 4 درصد به دست مي آيد و به ترتيب 23 درصد براي ماده ي تاريك و 73 درصد هم براي انرژي تاريك باقي مي ماند.
استاي من مي گويد: «براي چيزي به مهمي فراواني آغازين دوتريوم، مايلم يك دوجين خط ديد را ببينم. اما افرادي كه به كك دسترسي دارند بيشتر ترجيح مي دهند سياراتي زمين مانند را به دور ستاره هاي خورشيد مانند بيابند تا اين جست و جوي بسيار دشوار به دنبال آن خط ديدهايي را، كه احتمال دارد در آن ها دوتريوم كشف كنند، انجام دهند».
تايتلر از فرصتي براي دو برابر كردن خط ديدهاي رصدي لذت مي برد؛ كاري كه به گفته ي خود او خطاهاي گروهش را به 3 درصد يا شايد كمتر رسانده است. اما او متوجه است كه هر بحث جديدي درباره ي داده ها در واقع گرفتن وقت از تلسكوپ را دشوارتر مي كند. خودش مي گويد:« ما بيش از 50 شب از زمان رصدي تلسكوپ كك را استفاده كرديم كه ارزشش 5 ميليون دلار است. اين يكي از بزرگترين پروژه هاي تلسكوپي دهه ي گذشته بوده است. يك شب رصدي در كك حدود 8 ساعت به طول مي انجامد؛ بنابراين براي يك جسم به 2شب نياز داريم. اما پوشش رسانه ها از بحث و جدل ها بر سر داده هاي مربوط به دوتريوم، كار را دست كم 5 سال كند كرد».
^برفراز ابرهاي مشتري نسبت دوتريوم به هيدروژن 21 ppm است؛ که نشان مي دهد منظومه ي شمسي با همين نسبت شکل گرفته است.
^اقيانوس ها و ابرها اين نماي زمين را پوشانده اند. در همه ي اين آب ها، درصد ناچيزي دوتريوم جانشين هيدروژن شده است.
^دنباله دارها، كه به گوله برفي كثيف هم مشهورند، حاوي مقدار بسيار از آب يخ زده و بنابراين مقداري دوتريوم هستند. عجب اين است كه نسبت دوتريوم - هيدروژن در دنباله دارها با اين نسبت در اقيانوس هاي زمين يكسان نيست.
بسامد چقدر است؟
برخلاف كار بسيار پيچيده ي تفكيك تابش هيدروژن و دوتريوم در نور مرئي، كار جداسازي اين دو عنصر در تابش راديويي بسيار آسان تر است. در اين طول موج ها، تابش زماني
^ابرهاي گازي درخشان در راه شيري بيش از تصور دانشمندان دوتريوم دارند كه اين نشان مي دهد بيشتر ماده ي ميان ستاره اي ممكن است از بيرون وارد كهكشان شده باشد.
عكس از رابرت گندلر
گيسل مي شود كه چرخش الكترون درون اتم معكوس مي شود با اين باز هم شش ماه طول كشيد تا راجرز و همكارانش توانستند، به كمك آرايه اي از 152 آنتن دو قطبي، نخستين نشانه هاي تابش دوتريوم را در جهت مخالف مركز راه شيري به دام بيندازند. اين رصدها مقدار نسبت دوتريوم به هيدروژن را 23ppm به دست داد.
سرانجام كريس سيگوردسان، فيزيك دان ذرات و كيهان شناس در مؤسسه ي مطالعات پيشرفته در پرينستون نيوجرسي، مايل است در خطوط جذبي فوتون هاي تابش ريز موج زمينه ي كيهان به دنبال دوتريون بگردد. او اميدوار است كه رصدهايي درانتقال به سرخ هاي بين 20تا 200، در زمان عصر تاريكي كيهان(پيش از شكل گيري اغلب ستاره ها و كهكشان ها)، انجام بدهد.
دوتريوم در آن زمان هاي ابتدايي، فراواني حتي بكرتري هم نسبت به درون ماده ي ميان كهكشاني داشته است. اما آرايه اي راديويي كه بتواند چنين شاهكاري انجام بدهد، بايد چند برابر بزرگ تر از آرايه ي يك كيلومتر مربعي(SKA) باشد كه پيشنهاد شده و همچنان در مرحله ي طراحي مانده است(كادر صفحه ي ؟ را ببينيد).
خيلي نزديك تر به خانه، مي دانيم كه گازهاي ميان ستاره اي درنزديكي خورشيد طي تولد و مرگ چندين نسل از ستاره ها بازيافت شده است. اين بازيافت موجب نابودي دوتريوم و توليد عناصر سنگين تر مي شود. وقتي دوتريوم نابود مي شود. اندازه گيري هاي مقدار هليوم-3تبديل مي شود. اندازه گيري هاي مقدار هليوم -3 در باد خورشيدي و در جو مشتري به اخترشناسان نشان داده كه نسبت D/Hدر ابري كه منظومه ي شمسي ما از آن زاده شده حدود 21 ppm بوده است.
ارتباط ابرنواختري
بريان فيلدز، اختر فيزيك دان دانشگاه ايلينوي، مي گويد: « در آغاز، درون حباب محلي فوران ابرنواختري- به جرم تقريباً 10 برابر خورشيد- كاملاً خالي از دوتريوم بود. سپس به سرعت مواد اطراف را، كه شامل دوتريوم هم مي شود، به سوي خود جذب كرد. همه ي اين مواد اين بقاياي انفجار ابرنواختري متوقف و به شدت در هم آميخته شد».
از اوايل دهه ي 1350، كه اخترشناسان نخستين بار دوتريوم را در ماده ي ميان ستاره اي كشف كردند، بر سر اين موضوع بحث داشته اند كه چه مقداري از اين عنصر نابود شده است. تا همين اواخر، پژوهشگران فكر مي كردند نسبتD/H در ماده ي ميان ستاره ي محلي 15 يا 16 ppm بوده است. اين تصور در سال 1385با اعلام نتايج كاوشگر طيف نگار فرابنفش دور(FUSE) ناسا كاملاً به هم ريخت. اين كاوشگر در پاييز 1386 بازشسته شد.
^سحابي هاي منبسط شونده ي باقي مانده از ابرنواخترهاي ماده ي ميان ستاره ها را گرم مي كنند و از دانه هاي غباري دوتريوم آزاد مي كنند و اين اتم ها را به درون ماده ي ميان ستاره اي بار مي گرداند.
عكس از طه قوچكانلو
روشن كردن فيوز
جفري لينسكاي، اخترفيزيك داني از دانشگاه كلرادو در بودلر و مدير گروه پژوهشي فيوز، مي گويد كه در فاصله ي 300 سال نوري از زمين نسبت D/H در مقدار ثابت 156 ppm باقي مي ماند. با اين حال، فراتر از حباب محلي بازه ي اين نسبت از 5 تا 23 ppm متغير است.
چه چيز باعث چنين اختلافي است؟ لينسكاي بر اين باور است كه محتمل ترين توضيح، ريشه در فكري مربوط به سال 1361دارد؛ زماني كه مايك ژورا، اخترفيزيك دان دانشگاه UCLA، پيشنهاد كرد كه دوتريوم ممكن است از نظر شيميايي با دانه هاي كربني سرد ميان ستاره اي پيوند برقرار كند و همين عامل نقصان رصد شده در خط ديدهايي خاص مي شود.
بروس درين، اختر فيزيك داني از دانشگاه پرينستون، شرح مي دهد كه پيوند كربن- دوتريوم كمي قوي تر از پيوند كربن- هيدروژن است. بنابراين، وقتي دانه اي گرم مي شود هيدروژن ممكن است پيوند را ترك كند اما دوتريوم همان جا مي ماند. اين دوتريوم ناپديد شده در واقع نابود نشده بلكه فقط به شكلي تبديل شده كه فيوز نمي تواند آشكارش كند.
لينسكاي مي گويد: «اين نتايج، درك ما را از چگونه تكامل يافتن كهكشان متحول مي كند. شايد ما را مجبور كند فرضيات مان را، درباره ي سرعت شكل گيري ستاره ها يا درصد ستاره هايي كه به صورت ابرنواختر منفجر مي شوند، تغيير دهيم».
بزرگ ترين عدم قطعيت در مدل هاي فعلي از كهكشان اين است كه چقدر موارد پر دوتريوم به درون قرص راه شيري مي ريزد. ارقام قديمي تر مي گويند كه منشأ 25 تا 50 درصد گاز ماده ي ميان ستاره اي در خارج از كهكشان است. اما برخي ازمدل سازان براين باورند كه اين عدد بزرگ تر است. دوناتلا رومانو، نظريه پردازي در رصد خانه بولونياي ايتاليا، مي گويد:« در مدل هاي تحول شيميايي كهكشان، كه من كار كرده ام، تقريباً 75 درصد كل گازهاي امروز-رصد شده در قرص محلي گازي است كه بي تغيير از خارج از كهكشان آمده است. اين گاز با حدود 25 درصد مواد نابود شده تركيب مي شود؛ موادي كه به صورت انفجار ابرنواختري از ستاره هاي در حال مرگ فوران شده با به صورتي آرام تر همراه باد ستاره اي[نزديك به انتهاي ستاره] يا به صورت سحابي هاي سياره نما در فضا پراكنده شده است.
«تخمين مي زنيم كه نسبت D/H در اين گاز بي تغيير پر از دوتريوم 22ppm باشد. البته اين كه از زمان شكل گيري راه شيري چه مقدار از اين گاز به قرص كهكشان افزوده شده، هنوز پرسشي است بي پاسخ. اما شكي نيست كه مدل هاي قديمي با قرص هاي بسته از تحول شيميايي كهكشان، امروز ديگر به شدت از مد افتاده شده اند».
گسترش افق هاي حيات
بسيار نزديك تر، زمين ممكن است در معرض تابش هاي مضر از ابرنواخترها قرار گرفته باشد كه مانع از تكامل جوي زيست دوست مي شود. دورتر، ممكن است مقدار فلزات به اندازه ي كافي نبوده باشد كه سياراتي مانند سياره ي ما ايجاد شود. بنابراين، نتايج كاوشگر فيوز مسايل را مبهم تر مي كند زيرا به نظر مي رسد ساختاري گازي ماده ي ميان ستاره اي از مكاني به مكان ديگر بسيار بيشتر از آن چه اخترشناسان پيش تر تصور مي كردند تغيير مي كند.
فيلدز مي گويد:«تفكر ساده شده اين است كه كاهشي ثابت در ميزان فلز در مواد كهكشاني وجود دارد، از مقدار زياد فلز در نواحي مركزي كهكشان تا كم نواحي بيرون تر. اگر كهكشان كمي به هم ريخته باشد، به اين معناست كه شرايط محلي به شدت تغيير مي كند. بنابراين، امكان بيشتري وجود دارد كه سيارات در نواحي گوناگون كهكشان شكل بگيرند».
از سوي ديگر، نظريه هاي رايج درباره ي شكل گيري سيارات و تكامل حيات عموماً شامل ستاره هاي پر فلزي مانند خورشيد مي شوند. با اين حال، ما هم مانند سياره مان لبريز از آهن هستيم. بنابراين، لينسكي در تعجب است كه: «اگر درك ما از تكامل شيميايي كهكشان قرار باشد تغيير كند، آنگاه كل موضوع فراواني فلز در كهكشان هم تغيير خواهد كرد. آيا فلزات از آغاز در كهكشان بوده اند، يا همين اواخر اضافه شده اند؟ همين است كه مشخص مي كند، چه تعداد ستاره فراواني بالايي دارند، و بنابراين چند ستاره، سياره دارند؟».
سرانجام، جست و جو به دنبال دوتريوم و فراواني آن ممكن است تا حدي كه تصور مي شد نظري نباشد. در واقع، اين ايزوتوپ گريزپاي هيدروژن سرانجام ممكن است همان قدر به ما درباره ي تحول سيارات و حيات در كهكشان مان بگويد كه درباره ي مدل هاي استاندارد عالم خواهد بود.
منبع: نشريه نجوم، شماره 208
