اتم‌ها چگونه به‌وجود آمدند؟ سفری از مه‌بانگ تا مرگ ستارگان
هر اتم از بدن ما، محصولی است از فرآیندهای کیهانی عظیمی که با مه‌بانگ آغاز شد، در دل ستارگان ادامه یافت و با انفجارهای سهمگین، عناصر سنگین را به جهان پاشید.
اتم‌ها بنیادی‌ترین بلوک‌های سازنده جهان، در ۴۰۰ هزار سال پس از مه‌بانگ شکل گرفتند و با فرآیندهای هم‌جوشی هسته‌ای در ستارگان و انفجارهای ابرنواختری، عناصر پیچیده و سنگین‌تر خلق شدند.
اگر تمام جهان را تا کوچک‌ترین اجزای آن کالبدشکافی کنیم، به واحدی بنیادی به نام اتم می‌رسیم؛ ذره‌ای به‌ظاهر ساده که رمز بقای کهکشان‌ها، ستارگان، سیارات و حتی خود ما انسان‌ها در دل آن نهفته است.
درک منشأ اتم‌ها، این واحد‌های بنیادی سازنده‌ی جهان مادی، همواره یکی از مهم‌ترین پرسش‌های علم فیزیک بوده است. درحالی‌که زندگی روزمره ما با اشیاء، بدن، هوا و حتی ستارگان و سیارات در ارتباط است، تمامی این موارد چیزی جز مجموعه‌ای از اتم‌ها نیستند. اما این اتم‌ها چگونه شکل گرفتند؟ و مسیر پیدایش آنها در دل تاریخ کیهان چگونه ترسیم می‌شود؟
برای یافتن پاسخ، باید از ابتدای زمان، یعنی از «مه‌بانگ» یا بیگ بنگ آغاز کنیم.
اتم چیست؟
اتم کوچک‌ترین واحد ماده، ساختاری متشکل از هسته‌ای سنگین در مرکز و الکترون‌هایی سبک‌تر در مدار‌های اطراف آن است. هسته شامل پروتون‌هایی با بار مثبت و نوترون‌هایی بدون بار است؛ درحالی‌که الکترون‌ها دارای بار منفی هستند.
در حالت طبیعی، تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها برابر است، بنابراین اتم از نظر الکتریکی خنثی است. عناصر مختلف شیمیایی در واقع مجموعه‌ای از اتم‌هایی هستند که تعداد پروتون‌های یکسان دارند.
از میان تمام انواع اتم‌ها، دو عنصر هیدروژن و هلیوم بیشترین سهم را در کیهان دارند. هیدروژن تنها یک پروتون و یک الکترون دارد و ساده‌ترین ساختار اتمی را داراست. هلیوم نیز از دو پروتون، دو نوترون و دو الکترون تشکیل شده است.
نخستین اتم‌ها چگونه پدید آمدند؟
طبق مدل‌های کیهان‌شناسی، حدود ۴۰۰ هزار سال پس از وقوع بیگ بنگ ــ رویدادی که پیدایش جهان را رقم زد و نزدیک به ۱۴ میلیارد سال پیش رخ داده ــ نخستین اتم‌ها شکل گرفتند. در آن زمان، جهان هنوز بسیار کوچک‌تر و داغ‌تر از امروز بود.
پیش از این زمان، انرژی بالای الکترون‌ها مانع از آن می‌شد که آنها در مدار هسته‌ها باقی بمانند. اما با انبساط کیهان و کاهش دمای آن تا حدود ۲۷۶۰ درجه سانتی‌گراد، شرایط برای ترکیب الکترون‌ها با هسته‌های سبک مهیا شد و فرآیندی که به‌طور تاریخی “بازترکیب” (Recombination) نام گرفته، آغاز شد. در این مرحله، اتم‌های خنثی هیدروژن و هلیوم شکل گرفتند و نور برای نخستین‌بار توانست بدون برخورد، آزادانه در فضا حرکت کند.
پیش از این مرحله، در چند دقیقه‌ی ابتدایی پس از مه‌بانگ، برخورد‌های شدید میان پروتون‌ها و نوترون‌ها باعث شکل‌گیری هسته‌های اولیه از جمله دوتریوم (ایزوتوپ سنگین‌تر هیدروژن) و هلیوم شد. این فرآیند در دمایی بیش از ۵۵۶ میلیون درجه سانتی‌گراد رخ داد.
بر اساس برآورد‌های اخترفیزیک، حدود ۹۰ درصد از اتم‌های موجود در جهان را هیدروژن و حدود ۸ درصد را هلیوم تشکیل می‌دهد؛ یعنی تنها حدود ۲ درصد از ماده‌ی قابل مشاهده، از سایر عناصر ساخته شده است.
همچنین بخوانید: تصاویر ثبت شده توسط بزرگترین دوربین جهان را ببینید +عکس
اما عناصر سنگین‌تر از کجا آمده‌اند؟
اکنون این پرسش پیش می‌آید که سایر عناصر موجود در طبیعت ــ از کربن و اکسیژن گرفته تا آهن، نقره و طلا ــ که پایه‌های حیات، زمین و بدن ما را تشکیل می‌دهند، چگونه پدید آمده‌اند؟ پاسخ در درون ستارگان نهفته است.
در ستارگان، دما و فشار به اندازه‌ای بالاست که ذرات می‌توانند از نیروی دافعه‌ی الکتریکی یکدیگر عبور کرده و با کمک نیروی بنیادی دیگری به نام نیروی هسته‌ای قوی به یکدیگر متصل شوند. این فرآیند به نام هم‌جوشی هسته‌ای (Fusion) شناخته می‌شود.
در ستارگان بسیار بزرگ‌تر از خورشید ما، دما می‌تواند از یک میلیارد درجه فارنهایت فراتر رود؛ شرایطی که امکان ترکیب هسته‌ای و تولید عناصری سنگین‌تر مانند کربن، اکسیژن، نئون، منیزیم و تا آهن را فراهم می‌کند.
تولد عناصر سنگین‌تر از آهن در لحظات انفجار
با این حال، تشکیل عناصری سنگین‌تر از آهن (مانند طلا، پلاتین و اورانیوم) به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارد؛ زیرا این هسته‌ها پایدارترند و به سختی در یک ستاره ساخته می‌شوند. این عناصر تنها در رخداد‌های عظیم و نادر همچون ابرنواخترها (Supernovae) یا برخورد ستارگان نوترونی پدید می‌آیند.
در یک ابرنواختر، هسته‌ی یک ستاره‌ی سنگین پس از پایان سوخت خود ناگهان فرو می‌ریزد و انفجاری شدید رخ می‌دهد. در این انفجار، نه‌تنها عناصری سنگین تشکیل می‌شود، بلکه این مواد به فضا پرتاب شده و می‌توانند زمینه‌ی شکل‌گیری منظومه‌ها و سیارات تازه را فراهم کنند.
همچنین برخورد دو ستاره نوترونی نیز از پرانرژی‌ترین رویداد‌های کیهانی است که می‌تواند عناصری همچون طلا را در مقیاسی گسترده تولید کند. این رویداد‌ها در نهایت می‌توانند منجر به شکل‌گیری سیاه‌چاله شوند.
ماده تاریک؛ چالش ناشناخته فیزیک
گرچه دانشمندان توانسته‌اند تا حد زیادی فرآیندهای پیدایش ماده‌ی معمولی را شرح دهند، اما همچنان بخش عظیمی از جهان از ماده‌ای مرموز به نام ماده‌ی تاریک ساخته شده که به نظر نمی‌رسد از اتم تشکیل شده باشد. ماهیت دقیق این ماده هنوز مشخص نیست، و پژوهش‌ها برای کشف آن همچنان ادامه دارد.
اتم‌های ساده‌ای چون هیدروژن و هلیوم در نخستین لحظات کیهان تشکیل شدند؛ عناصر سنگین‌تر در دل ستارگان به‌وجود آمدند؛ و سنگین‌ترین عناصر، حاصل انفجارهای کیهانی عظیم یا برخورد‌های شدید میان اجرام آسمانی‌اند. هر اتم از بدن ما و هر شیء در اطرافمان، محصول فرآیند‌هایی عظیم و باورنکردنی در دل کیهان است؛ از مه‌بانگ، تا قلب ستارگان و آتش ابرنواخترها.
در دل هر اتم، داستانی کهکشانی نهفته است. هیدروژن و هلیوم، کهن‌ترین بازیگران کیهان‌اند، در گرمای نخستین ثانیه‌های جهان پدید آمدند. عناصر پیچیده‌تر، در کوره‌ی سوزان ستارگان ساخته شدند، و سنگین‌ترین آنها، در انفجارهای پرشکوه ابرنواخترها و برخورد‌های سهمگین ستارگان نوترونی متولد شدند. آنچه امروز جهان را می‌سازد ــ از طلا در انگشتر ما تا آهن در خونمان ــ بقایای آتشین مرگ ستارگان کهنسال است.
دانش ما از این روند، نمایشی از توان فیزیک مدرن است؛ اما هنوز پرسش‌هایی بی‌پاسخ باقی مانده‌اند، به‌ویژه درباره ماده‌ای مرموز به نام ماده تاریک. شاید راز‌های بزرگ‌تری هنوز در راه باشند. آنچه مسلم است، این است که در هر نفس ما، ردپای ستارگان خاموشی وجود دارد که میلیون‌ها سال پیش در نقطه‌ای دور از کیهان درخشیدند.
این گزارش بر اساس مقالات علمی از وب‌سایت The Conversation و منابع اخترفیزیکی معتبر مدون شده است.
منبع: برنا
