9 دقیقه
افزایش غیرمعمول بریلیم-10 و احتمال ابرنواختر نزدیک
یک گروه بین‌المللی از پژوهشگران پیشنهاد کرده‌اند که افزایش چشمگیر ایزوتوپ رادیواکتیو بریلیم-10 (Be-10) در پوسته‌های کف دریای اقیانوس آرام می‌تواند ردپای یک ابرنواختر نسبتاً نزدیک باشد که میلیون‌ها سال پیش در همسایگی کیهانی زمین منفجر شده است. این پیشنهاد، ترکیبی از داده‌های زمین‌شیمیایی و اخترسنجی دقیق را برای بازسازی رویدادهای احتمالی گذشته که می‌توانند بر تولید ایزوتوپ‌ها تأثیر گذاشته باشند، ارائه می‌دهد.
بریلیم-10 زمانی تولید می‌شود که پرتوهای کیهانی پراکنده با انرژی بالا به نیتروژن و اکسیژن در جو زمین برخورد می‌کنند. این ایزوتوپ سپس به آئروسل‌ها می‌چسبد، همراه بارش جوّی وارد سطح زمین یا اقیانوس می‌شود و در نهایت در پوسته‌ها و رسوبات فرو-منگنز (ferromanganese crusts) محبوس می‌گردد. از آنجا که تولید جهانی Be-10 از جریان ثابت پرتوهای کیهانی کهکشان معمولاً یکنواخت در نظر گرفته می‌شود، ظهور پیک‌های موضعی در رکورد رسوبی غیرعادی به‌شمار می‌آید و توجه پژوهشگران را به علت‌های کیهانی یا زمین‌شناختی جلب می‌کند؛ از جمله احتمال افزایش گذرا در شار پرتوهای کیهانی یا فرآیندهای محلی که ایزوتوپ را متمرکز می‌کنند.
در این نوشتار، شواهد زمین‌شناختی و اخترسنجی موجود، روش‌های نمونه‌برداری و سن‌سنجی، مدلسازی احتمالاتی ابرنواخترها و دلایل جایگزین (از قبیل تغییرات اقیانوسی یا فرآیندهای دیژنتیک) به شکل تفصیلی بررسی شده و نیازهای پژوهشی آینده برای تأیید یا رد منشأ ابرنواختری توضیح داده می‌شود. این ترکیبِ اطلاعات زمین و فضا، نقشی کلیدی در شناسایی ردپاهای ابرنواخترهای نزدیک در رکورد ایزوتوپی زمین دارد.
چه چیزی آشفتگی اقیانوس آرام را نشان می‌دهد
کاوش اولیه از طریق اندازه‌گیری‌های صورت‌گرفته روی پوسته‌های فرو-منگنز اقیانوس آرام نشان داد که یک پیک برجسته Be-10 وجود دارد که سن‌گذاری آن در محدوده تقریباً 9 تا 12 میلیون سال پیش قرار می‌گیرد. این لایه غیرعادی در کنار پیش‌زمینه نسبتاً صافِ رسوب بریلیم-10 برجسته می‌شود و دو دسته توضیح محتمل را پیش می‌نهد: یا افزایش گذرای شار پرتوهای کیهانی که به تولید بیشتر Be-10 منجر شده است، یا یک مکانیزم محلی که ذرات اتمی و آئروسل‌ها را متمرکز کرده است — مثلاً تغییرات در جریان‌های اقیانوسی یا در شرایط ته‌نشینی رسوبات.
برای ارزیابی فرضیه کیهانی، گروهی مستقل از داده‌های اخترسنجی دقیق مأموریت گایا (Gaia) از آژانس فضایی اروپا استفاده کردند تا مسیرهای گذشتهٔ بیش از 2,725 خوشهٔ ستاره‌ای نزدیک و خورشید را در طول 20 میلیون سال گذشته نگاشت کنند. موقعیت‌های دقیق، اختلاف منظرها (parallax) و حرکت‌های ویژه (proper motion) گایا امکان بازسازی حرکت ستارگان در میدان گرانشی کهکشان و برآورد زمان و مکان انفجار احتمالی ستارگان پرجرم (که پیش‌ساز ابرنواخترهای هسته‌گرا هستند) را فراهم می‌آورد.
هرچند داده‌های رسوبی به‌خودی‌خود نشانه‌ای از تغییرات محلی است، اتصال این رکوردها به شواهد اخترفیزیکی، مانند بررسی اینکه کدام خوشه‌های ستاره‌ای در مقاطعی از گذشته در نزدیکی خورشید قرار داشته‌اند، کلید تعیین منشأ است. ترکیب داده‌های زمینی با کینماتیک ستاره‌ای، امکان ارزیابیِ احتمال همزمانی انفجارهای ستاره‌ای نزدیک با قلهٔ Be-10 را فراهم می‌آورد.
تحلیل گایا و یافته‌های آماری
گروه پژوهشی شبیه‌سازی‌هایی از نرخ‌های مورد انتظار ابرنواختر در آن خوشه‌ها انجام داد و احتمال رخداد رویداد هسته-ریزشی (core-collapse supernova) را درون بازه‌های شعاعی مختلف حول خورشید محاسبه کرد. نتایج آن‌ها نشان‌دهندهٔ تقریباً 68٪ احتمال است که حداقل یک ابرنواختر در فاصله حدود 326 سال نوری از خورشید در یک بازه زمانی یک میلیون‌ساله متمرکز بر پیک Be-10 منفجر شده باشد. علاوه بر این، 19 خوشه شناسایی شدند که هر کدام احتمال بالای 1٪ برای تولید یک ابرنواختر نزدیک در آن دورهٔ زمانی دارا بودند.
این تحلیل‌ها شامل مولفه‌هایی مانند توزیع جرمی ستارگان (IMF)، نرخ رخداد سوپرنواها بر اساس جرم پیش‌سازها، و عدم قطعیت‌های مربوط به بازسازی مسیرها در میدان گرانشی کهکشان بود. از آنجایی که شبیه‌سازی‌ها به پارامترهای فرضی حساس‌اند — مانند سرعت جاری شدن خوشه، مدل‌های پتانسیل کهکشانی و پراکندگی‌های مدلسازی شدهٔ ستاره‌ای — تیم نتایج را با احتیاط تفسیر کرده و بازهٔ عدم قطعیت‌ها را گزارش کرده است.
نویسندگان مقاله می‌نویسند: «نتایج ما از احتمال منشأ ابرنواختری برای آن آنومالی بریلیم-10 حمایت می‌کنند.» آن‌ها تأکید می‌کنند که مسیرهای مبتنی بر داده‌های گایا یک انفجار نزدیک را به‌عنوان یک عامل محتمل در بالا بردن غلظت ایزوتوپی مطرح می‌سازد، اما بر لزوم بررسی‌های تکمیلی برای تأیید این پیوند تأکید دارند.
جزییات فنیِ تحلیل خوشه‌ها و شبیه‌سازی‌ها
برای دقت‌بخشی بیشتر، تحلیل شامل مراحل زیر بود:
- بازسازی مسیرهای سه‌بعدی خوشه‌ها و خورشید با استفاده از پارالاکس و حرکت ویژهٔ گایا.
- استفاده از مدل‌های میدان گرانشی کهکشان برای پیگیری حرکت طولانی‌مدت (تا ~20 میلیون سال).
- برآورد توزیع جرمی اولیه و محاسبهٔ احتمال تبدیل ستارگان پرجرم به ابرنواختر هسته-ریزشی در هر خوشه.
- شبیه‌سازی‌های مونت‌کارلو برای مدلسازی عدم قطعیت‌ها و محاسبهٔ احتمالات تجمعی انفجار در بازه‌های شعاعی مختلف (مثلاً 100، 200، 326، 500 سال نوری).
این سطح از تحلیل باعث می‌شود بتوان زمان‌بندی احتمالی انفجارها را با بازهٔ سن‌گذاری رسوبیِ Be-10 مقایسه کرد؛ تلاقی آماری این دو مجموعه داده، پایه‌ای برای پیشنهاد منشأ کیهانی فراهم می‌آورد.
پیکربندی نتایج و محدودیت‌ها
اگرچه احتمال 68٪ نشان‌دهندهٔ یک همبستگی قابل‌توجه است، اما نباید آن را به‌عنوان گواه قطعی تلقی کرد. عوامل متعددی می‌توانند در تخمین این احتمال اثرگذار باشند، از جمله خطاهای سن‌گذاری رسوبات، تغییر در نرخ تولید Be-10 جهانی به دلایل خورشیدی یا کهکشانی، و معیارهای انتخاب خوشه‌ها برای تحلیل. همچنین وجود تنها یک رکورد برجسته در منطقهٔ خاص اقیانوس آرام می‌تواند نشان‌دهندهٔ فرآیندهای محلی باشد تا یک منبع کیهانی با دامنهٔ جهانی.
توضیحات جایگزین و گام‌های بعدی
تفاسیر ابرنواختری قطعی نیستند. اگر پیک Be-10 تنها در هسته‌هایی از اقیانوس آرام مشاهده شده باشد، یک فرآیند منطقه‌ای—برای مثال تغییرات اقیانوسی که رسوب یا بارش آئروسل‌ها را متمرکز کرده باشد—می‌تواند سیگنال را توضیح دهد. در مقابل، اگر منبع کیهانی باشد، انتظار می‌رود همین افزایش Be-10 به‌طور همزمان در رکوردهای رسوبی و یخی سراسر جهان یافت شود.
برای حل این موضوع، نمونه‌برداری گسترده‌جغرافیایی ضروری است: هسته‌برداری از رسوبات و پوسته‌های فرو-منگنز از چندین حوضهٔ اقیانوسی، و مقایسهٔ آن‌ها با آرشیوهای زمینی مانند هسته‌های یخی، رسوب‌های لِوِس (loess)، و رسوبات خاکی. تحلیل‌های چندایزوتوپی شامل بررسی ایزوتوپ‌هایی مانند آهن-60 (Fe-60) و آلومینیوم-26 (Al-26) ـ که هر دو به‌عنوان نشانگرهای ابرنواختری شناخته می‌شوند ـ همچنین برای تقویت یا رد فرضیهٔ ابرنواختری حیاتی خواهند بود.
علاوه بر نمونه‌برداری، پیشرفت در مدل‌سازیِ تولید نوکلئوسنتز ابرنواختری و انتشار و پراکندگیِ پرتوهای کیهانی در محیط میان‌ستاره‌ای الزامی است. ترکیب این مدل‌ها با کینماتیک دقیق‌تر گایا (در نسخه‌های بعدی داده‌ها) می‌تواند خوشه‌های نامزد را بیشتر محدود کند و فهرست منابع بالقوه را کوتاه‌تر سازد.
گام‌های عملی پیشنهادی شامل موارد زیر است:
- گسترش شبکهٔ نمونه‌برداری جهانی برای Be-10 و سایر ایزوتوپ‌های ردیاب (Fe-60، Al-26).
- اجرای آزمایش‌های پیوسته برای تأیید سن‌گذاری لایه‌ها با روش‌هایی مانند رادیومتریک و مقایسهٔ چندین روش سنّی.
- مدلسازی سه‌بعدی رسوب‌گذاری اقیانوسی و بررسی اثرات جریان‌های اقیانوسی و تغییرات اقلیمی میوسن میانه تا اواخر میوسن (زمان حدود 9–12 میلیون سال پیش).
- بهبود مدل‌های انتشار پرتوهای کیهانی و اثرات محافظت مغناطیسی خورشید/کهکشان بر تولید Be-10 در دوره‌های گذشته.
زمینهٔ علمی و پیامدها
اثبات یک ابرنواختر نزدیک حدود 10 میلیون سال پیش پیامدهای چندرشته‌ای برای اخترفیزیک، هلیوفیزیک و علوم زمین خواهد داشت. انفجارهای نزدیک می‌توانند به‌طور گذرا جریان ذرات پرانرژی را افزایش دهند و احتمالاً ایزوتوپ‌های نیمه‌پایدار را روی زمین رسوب دهند؛ از جمله آهن-60 که پیش‌تر در رسوبات و ماهیچه‌های صخره‌ای به‌عنوان ردیابی از ابرنواخترهای گذشته شناسایی شده است.
شناسایی چنین رویدادهایی به بازسازی محیط کهکشان محلی خورشید کمک می‌کند و مدل‌های مدولاسیون پرتوهای کیهانی و اثرات بالقوهٔ زیستی را بهبود می‌بخشد. به‌عنوان مثال، افزایش موقتی شار پرتوهای کیهانی می‌تواند با تغییرات طولانی‌مدت در یونیزاسیون جو و در نهایت تغییرات اقلیمی و زیستی پیوند داشته باشد؛ اگرچه این پیوندها نیازمند شواهد قوی و مطالعات بین‌رشته‌ای گسترده هستند.
مطالعهٔ جدید که در نشریهٔ Astronomy & Astrophysics منتشر شده است، ارزش ترکیب رکوردهای ایزوتوپی زمینی با کینماتیک دقیق ستاره‌ای گایا را نشان می‌دهد تا ردپاهای ابرنواخترهای نزدیک گذشته را جست‌وجو کند. این رویکرد بین‌رشته‌ای نمونه‌ای از همگرایی داده‌های زمین‌شناختی و اخترفیزیکی برای بررسی تاریخچهٔ محیطی کهکشان پیرامون خورشید است.
جمع‌بندی
پیک Be-10 در پوسته‌های فرو-منگنز اقیانوس آرام یک سرنخ جذاب است که نشان می‌دهد یک انفجار ستاره‌ای نزدیک ممکن است محیط تابشی زمین را در حدود 9–12 میلیون سال پیش تحت تأثیر قرار داده باشد. با این حال، تأیید منشأ ابرنواختری نیازمند نمونه‌برداری جهانی بیشتر، تحلیل‌های چندایزوتوپی، مدلسازی پیشرفتهٔ انتشار پرتوهای کیهانی و ادامهٔ استفاده از داده‌های حرکت ستارگان برای ردیابی خوشه‌های پیش‌ساز نامزد است.
در نهایت، ترکیب داده‌های آزمایشگاهی زمین‌شناختی، نمونه‌برداری میدانی گسترده و تحلیل‌های اخترفیزیکی و آماری دقیق بهترین مسیر برای مشخص کردن این معما است و می‌تواند دانسته‌های ما را از تاریخچهٔ تابش‌های کیهانی و تأثیرات آن بر سیارهٔ ما بسیار غنی‌تر کند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر