ดาวนิวตรอน การรวมกลุ่มของดาวนิวตรอนมีหมายความว่าอย่างไร

ดาวนิวตรอน ทองคำเป็นโลหะสำคัญที่ถูกนำมาใช้ในการแลกเปลี่ยนทรัพยากร เทียบเท่ากันทั่วไปตั้งแต่สมัยโบราณ ไม่ว่าจะเป็นการผลิตโลหะหรือความต้องการทางเศรษฐกิจ ทองคำยังคงเป็นโลหะที่สำคัญมากปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม ทองคำของโลกมีจำกัดและทรัพยากรมีมากขึ้นในอวกาศ ในขณะที่เรากำลังเรียนรู้เกี่ยวกับทองคำ มีกี่คนที่คิดว่าทองคำมีที่มาอย่างไร หรือจริงๆแล้วมันมาจากไหนและทำไมโลหะมีค่าราคาแพงถึงยังเป็นของหายากในปัจจุบัน

หลังจากหลายปีของการวิจัยในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ก็ค้นพบแหล่งกำเนิดของทองคำ ซึ่งเป็นดาวนิวตรอน เริ่มแรกนักวิทยาศาสตร์ศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมตัวของดาวนิวตรอน แต่ต่อมางานวิจัยนี้ได้ขยายออกไปเพื่อพิจารณาที่มาของธาตุโลหะหนักในเอกภพ คลื่นความโน้มถ่วงเป็นผลมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่ในอวกาศ มีเพียงวัตถุท้องฟ้า เช่น หลุมดำและดาวนิวตรอนเท่านั้นที่สามารถสร้างคลื่นดังกล่าวได้

เนื่องจากมีความหนาแน่นเพียงพอ แรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจึงสามารถทำให้อวกาศบิดเบี้ยวได้ นักวิทยาศาสตร์ทำนายว่าดาวนิวตรอนเป็นวัตถุพิเศษที่ปลายดาวฤกษ์ เมื่อดาวนิวตรอน 2 ดวงชนกัน พวกมันจะสร้างธาตุในตารางธาตุที่หนักกว่านิกเกิลและเหล็ก และปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงเมื่อพวกมันหมุนวนเข้ามา ผลของการกระเพื่อมในกาลอวกาศนี้คือการรวมตัวของดาวนิวตรอน

ซึ่งสร้างสภาพแวดล้อมสำหรับการผลิตธาตุหนักเหล่านี้เช่นแพลทินัม ยูเรเนียมและทองคำ เพื่อค้นหาปรากฏการณ์เฉพาะนี้และยืนยันทฤษฎี นักวิทยาศาสตร์ใช้อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ชนิดเลเซอร์ ในอิตาลีเพื่อทำการสังเกตการณ์ร่วมกัน ในที่สุดการค้นหาดังกล่าวก็นำนักวิทยาศาสตร์ไปยัง NGC 4993 ซึ่งเป็นกาแล็กซีทรงรีในกลุ่มดาวไฮดรา ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 130 ล้านปีแสง

แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงมีชื่อว่า GW170817 และรูปแบบการตั้งชื่อจะอิงตามวันที่เป็นหลัก นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเลสเตอร์ในสหราชอาณาจักร อธิบายว่าการชนกันของดาวนิวตรอนจะทำให้เกิดลูกไฟที่มีกัมมันตภาพรังสีสูง ในทางทฤษฎี ระหว่างการชนกันอย่างรุนแรงของดาวนิวตรอน อนุภาคย่อยของอะตอมของธาตุที่หนักกว่าจะถูกแตกออกจากกัน และหลอมรวมเข้าด้วยกัน

นักวิจัยที่เกี่ยวข้องใช้สเปกโตรมิเตอร์เพื่อดูสเปกตรัมของธาตุหนักที่เปิดเผย โดยแสงอินฟราเรดของดาวนิวตรอน ซึ่งมีสสารจำนวนมากถูกปลดปล่อยออกมา ส่วนหนึ่งของการศึกษาต้นกำเนิดของสสารหนักในเอกภพและสสารบนโลก ถือเป็นการค้นพบที่สำคัญอย่างไม่ต้องสงสัย นักวิทยาศาสตร์ยังชี้ให้เห็นว่าแม้ว่าธาตุหนักที่เกิดจากการชนกันของ ดาวนิวตรอน 2 ดวง จะเป็นเพียงส่วนเล็กๆของกระบวนการนี้

แต่มวลของทองคำและทองคำขาวในพวกมันนั้นเทียบเท่ากับมวลโลกถึง 10 เท่า โลหะมีค่าที่เป็นของแข็งบริสุทธิ์ที่เกิดจากการชนกันของดาวนิวตรอนเพียงอย่างเดียว มีมวลมากกว่า 100 เท่า ของโลก และดาวนิวตรอนได้พิสูจน์แล้วว่ายอดเยี่ยมในการสร้างธาตุหนัก เมื่อองค์ประกอบเหล่านี้ปรากฏขึ้นใกล้ๆกัน พวกมันก็จะรวมเข้ากับดาวเคราะห์น้อยตัวอย่างเช่น เทห์ฟากฟ้าเช่นโลกควรรวบรวมธาตุหนักจำนวนมากในการชนกัน ซึ่งนำมาซึ่งทองคำจำนวนมาก

เมื่อเสียงทองหมื่นตำลึงดังขึ้น ในเอกภพไม่ใช่เรื่องง่ายที่ดาวฤกษ์ดวงหนึ่งจะกลายเป็นดาวนิวตรอนมวลเริ่มต้น ของดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักในดาราจักรใดๆจะต้องมีมวล 8 เท่า ของดวงอาทิตย์เป็นอย่างน้อยจึงจะกำเนิดดาวนิวตรอนได้ เมื่อดาวฤกษ์เคลื่อนออกจากแถบลำดับหลัก การเผาไหม้ของแกนในทำให้เกิดแกนกลางที่อุดมด้วยธาตุเหล็ก เมื่อวัสดุรองรับฟิวชันทั้งหมดภายในดาวหมดลง

ภายในดาวจะต้องอาศัยแรงดันจากความเสื่อมเพื่อพยุงตัวมันเอง เมื่อความดันที่เกิดจากการสะสมนี้เกินขีดจำกัดจันทรสิกขาความดันการเสื่อมของอิเล็กตรอนจะเอาชนะได้ แกนกลางจะยุบลงอีก และอุณหภูมิในเวลานี้จะสูงผิดปกติ ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ แกนเหล็กภายในดาวจะถูกสลายเป็นอนุภาคแอลฟา ด้วยรังสีแกมมาพลังงานสูงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอิเล็กตรอนและโปรตอนจะก่อตัวเป็นนิวตรอนผ่านการดักจับอิเล็กตรอน และนิวตริโนจำนวนมากจะถูกปลดปล่อยออกมา

เมื่อความหนาแน่นภายในถึง 4×1,017 กิโลกรัมต่อกบาศก์เมตร การรวมกันของแรงผลักและแรงดันความเสื่อมของเมล็ดจะหยุดการหดตัวของดาวฤกษ์ และชั้นนอกของดาวจะถูกหยุด โดยการไหลของนิวตริโนที่สร้างโดยนิวตรอนและพุ่งออกไปด้านนอก กลายเป็นซูเปอร์โนวาหรือดาวนิวตรอนในที่สุด ในฐานะที่เป็นวัตถุท้องฟ้าชนิดพิเศษดาวนิวตรอนมีมวล และอุณหภูมิสูงอย่างน่าประหลาดใจ

อย่างไรก็ตาม เมื่อเวลาผ่านไป อุณหภูมิภายในของดาวนิวตรอนจะค่อยๆลดลง ดาวนิวตรอนหมุนรอบตัวเองหลายร้อยครั้งต่อวินาที และดาวนิวตรอนบางดวงก็ปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาทำให้พวกมันกลายเป็นพัลซาร์ ในอดีตนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าการระเบิดของซูเปอร์โนวา อาจเป็นสาเหตุสำคัญที่ก่อให้เกิดธาตุหนักในเอกภพ ธาตุหนักนั้นหายากในกาแลคซีของเอกภพมากกว่าธาตุที่เบากว่าอื่นๆ และธาตุที่หนักกว่าก็เด่นชัดกว่า

นี่เป็นเพราะข้อเท็จจริงที่ว่าดาวมีช่วงเวลาที่ยากลำบากในการสร้างดาวเหล่านี้ นอกเหนือจากการรักษาพลังงานและการทำงานของมันเองแล้ว ดาวฤกษ์ยังหลีกเลี่ยงการยุบตัวภายใต้อิทธิพลของน้ำหนักของมันเอง ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันภายในดาวจะหลอมรวมไฮโดรเจนและฮีเลียมเมื่อเริ่มเกิดปฏิกิริยา และต่อมาจะเปลี่ยนธาตุเป็นคาร์บอนและออกซิเจน แต่พลังงานของปฏิกิริยาเหล่านี้สามารถไปถึงระดับของธาตุเหล็กได้มากสุดเท่านั้น

และไม่มีทางที่จะสูงขึ้นได้เนื่องจากต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการสร้างธาตุที่หนักขึ้น แต่ในการระเบิดของซูเปอร์โนวา นักวิทยาศาสตร์คิดว่ามันปล่อยพลังงานออกมามากพอที่จะสร้างธาตุที่หนักกว่าได้ ดังนั้น ในปี 1950นักวิทยาศาสตร์จึงเชื่อว่ากระบวนการจับนิวตรอนอย่างช้าๆ หรือที่เรียกว่ากระบวนการ s อาจเป็นต้นกำเนิดของธาตุหนัก แต่ในไม่ช้านักวิทยาศาสตร์ก็ค้นพบว่ากระบวนการ s

ไม่สามารถอธิบายที่มาของทองคำ เงิน แพลทินัมและโลหะที่หนักกว่าได้ เพื่อให้ปรากฏออกมาได้ดี พวกมันจะต้องถูกสังเคราะห์ขึ้น เมื่อนิวตรอนที่ไหลอย่างรวดเร็วพุ่งเข้าใส่แกนเหล็ก กระบวนการจับนิวตรอนเร็วหรือที่เรียกว่ากระบวนการ r มีหน้าที่ผลิตนิวเคลียสประมาณครึ่งหนึ่งที่หนักกว่าธาตุเหล็กซึ่งเป็นธาตุหนัก อย่างไรก็ตาม มันเป็นเรื่องยากมากที่จะศึกษากระบวนการ r

ในเวลานั้นประการแรกเงื่อนไขการทดลองไม่ตรงเลย และยิ่งกว่านั้นไม่มีใครสังเกตเห็นการเกิดขึ้นของกระบวนการ r จริงๆ เท่าที่เกี่ยวข้องกับกลไกการทดลอง ไอโซโทปที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการ s มีครึ่งชีวิตที่นานพอและสามารถศึกษาได้ในห้องปฏิบัติการ นอกจากนี้กระบวนการ s ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในดาวฤกษ์ธรรมดา ซึ่งหมายความว่าเป็นเรื่องธรรมดามาก นิวตรอนฟลักซ์เพียงพอสำหรับการดักจับนิวตรอนเพื่อทำซ้ำทุกๆ 10 ถึง 100 ปี

ในทางตรงกันข้าม กระบวนการ s นั้นช้ามากสำหรับกระบวนการ r ซึ่งจำเป็นต้องจับภาพ 100 ครั้งต่อวินาที ซึ่งทำให้ยากต่อการดำเนินการในห้องปฏิบัติการ การอภิปรายดังกล่าวดำเนินไปหลายทศวรรษ และจนกระทั่งการค้นพบ GW170817 ในปี 2560 การคาดเดาของนักวิทยาศาสตร์ก็ได้รับการยืนยันในที่สุด แสงที่ตามองเห็นได้ที่เกิดจากการรวมตัวของดาวนิวตรอนนำวัสดุการวิจัยมาให้กับมัน และยังมีการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีจำนวนมากขององค์ประกอบกระบวนการ r

เมื่อดาวนิวตรอนสองดวงเข้าใกล้กันพวกมันจะหมุนวนเข้ามา เนื่องจากอิทธิพลของรังสีความโน้มถ่วง ในที่สุดการรวมตัวเป็นดาวนิวตรอน หรือหลุมดำที่มีมวลมากขึ้น ผลลัพธ์เฉพาะจะขึ้นอยู่กับว่ามวลของเศษที่เหลือนั้นเกิน ขีดจำกัดของโทลแมน ออพเพนไฮเมอร์ วอลคอฟ หรือไม่ เหตุการณ์การควบรวมกิจการสามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงกว่าของโลกหลายล้านล้านเท่าภายในเวลา 1 มิลลิวินาที ส่งผลให้เกิดการระเบิดของรังสีแกมมาในช่วงสั้นๆ

พูดง่ายๆก็คือการรวมตัวของดาวนิวตรอนคือการชนกันของวัตถุท้องฟ้า อย่างที่เราได้กล่าวไปก่อนหน้านี้ธาตุแสงก่อตัวขึ้นค่อนข้างเร็วในเอกภพยุคแรก โดยถูกรวมเข้ากับดวงดาวด้วยแรงโน้มถ่วง การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ทำให้ไฮโดรเจนกลายเป็นฮีเลียม ฮีเลียมกลายเป็นคาร์บอน และอื่นๆและดาวมวลมากจะหลอมรวมนิวเคลียสของพวกมันจนเป็นเหล็ก ดังที่ตารางธาตุแสดงให้เห็นธาตุที่หนักกว่าต้องการพลังงานการชนที่ทรงพลังกว่า

ตราบใดที่ปฏิกิริยาเกิดขึ้นเร็วพอที่การสลายกัมมันตรังสี จะไม่มีโอกาสเกิดขึ้นก่อนที่จะมีการเพิ่มนิวตรอนเข้าไปในนิวเคลียส การชนที่เกิดจากการรวมตัวของดาวนิวตรอนเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ระเบิดได้ มันจะผลิตเปลือกของสสารที่ขยายตัวออกไปด้วยความเร็ว 20 เปอร์เซ็นต์ ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ ของความเร็วแสง และสสารส่วนใหญ่ประกอบด้วยธาตุใหม่

องค์ประกอบเหล่านี้ดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นบางช่วงดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงสามารถใช้สิ่งนี้เปรียบเทียบได้ ความยาวคลื่นใดที่ถูกดูดกลืนโดยสารชนิดใด และเปรียบเทียบกับองค์ประกอบเฉพาะที่เราค้นพบหรือผลิตขึ้น การพิสูจน์ความสอดคล้องกันระหว่างธาตุและสเปกตรัมเป็นเรื่องยาก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจลักษณะทางสเปกตรัมของธาตุที่หนักกว่าในตารางธาตุอย่างถ่องแท้

แต่ในแง่ของสเปกตรัมที่สังเกตได้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแบบจำลอง และสร้างสเปกตรัมสังเคราะห์ที่ให้ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น เกี่ยวกับรูปลักษณ์ขององค์ประกอบที่เกี่ยวข้อง ทองคำเป็นส่วนหนึ่งของการรวมตัวของดาวนิวตรอนอย่างไม่ต้องสงสัย อย่างน้อยก็เท่าที่มีการค้นพบนี้ การค้นพบเดียวกันนี้ยังรวมถึงธาตุสตรอนเชียมที่มีความยาวคลื่น 350 ถึง 850 นาโนเมตร การรวมตัวของดาวนิวตรอนจะทำให้เกิดสตรอนเทียมจำนวนมาก ซึ่งมีประมาณ 5 เท่าของมวลโลก

หลังจากการยืนยันเหตุการณ์ GW170817 แบบจำลองทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในปัจจุบันแนะนำว่าเหตุการณ์การรวมตัวของดาวนิวตรอน เพียงดวงเดียวสามารถสร้างทองคำได้ 3 ถึง 13 มวลของโลก แม้ว่าแบบจำลองทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ปัจจุบันยังคงต้องปรับปรุง แต่อย่างน้อยตอนนี้เราก็เข้าใจแล้วว่าฟันทองคำในปากของเขา หรือสร้อยคอทองคำที่คอของเขา อาจเป็นผลมาจากการรวมตัวของดาวนิวตรอนครั้งล่าสุด

สาระน่ารู้ >> พิษ การศึกษาพิษ 10 ชนิดบนโลก บางชนิดตายสามารถได้เมื่อสัมผัส