شیمیدانان کهکشان

وحدت طبيعت صرفاً يك عبارت شاعرانه نيست. از زماني كه ايساك نيوتن (I.Newton) نشان داد كه همان نيروي گرانشي كه باعث مي شود زمين ما را به سوي خود جذب كند، سيارات را نيز در مدارشان نگه مي دارد، بهتر متوجه اين نكته شده ايم كه كيهان (Cosmos) و خرد جهان (microword) اساساً به يكديگر مرتبط هستند.

ماركوس چاون (M.Chown) نويسنده كتاب هاي علمي اين موضوع را به زيبايي بيان مي كند. وي خاطرنشان مي سازد چرا دانشمندان پيش از آنكه بتوانند دريابند كه نور ستارگان از چه چيزي ساخته شده است مي بايست ساختار اتم را درك كنند و چگونه اين نكته به پذيرش اين واقعيت منجر شد كه اتم هاي موجود در روي زمين در ستارگان پير نيز وجود دارند. چاون در هنگام بررسي اين پژوهش هاي نظري، پيشرفت هاي حاصل شده توسط بسياري از پيشگاماني را كه در اين زمينه فعاليت داشتند، اما هيچ گاه يادي از آنان نشده است، روشن مي سازد.

آگوست كنت (A.Conte) فيلسوف فرانسوي در سال ۱۸۳۵ عبارت مشهوري را بيان كرده است. وي تاكيد كرده است كه هر چند ما مي توانيم اطلاعاتي در مورد اندازه و حركت ستارگان كسب كنيم، اما هيچ گاه نخواهيم دانست كه اين ستارگان از چه ساخته شده اند. طي دويست سال گذشته مشخص شده است كه كنت در اشتباه بود. رابرت بونزن (R.Bunsen) شيميدان آلماني و گوستاوكيرشهف (G.Kirchhoff) هموطن فيزيكدان وي نشان دادند كه عنصرهايي همانند سديم عامل خطوط تاريكي هستند كه پيش از اين در طيف نورخورشيد كشف شده بود و نشر حرارتي آنها را مي توان در آزمايشگاه تجزيه و تحليل كرد. بعدها ويليام هاگينز (W.Huggins) اخترشناس آماتور انگليسي با استفاده از فنون تصويربرداري كه به تازگي در دسترس قرار گرفته بود، دريافت كه طيف بسياري از ستارگان مشابه الگوي خطوط طيفي نورخورشيد است. مشخص شد كه خورشيد، زمين و ستارگان از مواد يكساني ساخته شده اند، تمام اين اطلاعات پيش از آنكه ساختار اتم كشف شود، حاصل شده بود. در حقيقت به رغم آنكه استدلال هاي غيرمستقيم و متقني مبني بر آنكه قطعه هاي سازنده مواد به شكل واحدهاي مجزا هستند، ارائه شده بود ولي تا سال ۱۹۰۰ شك و ترديدهاي بسياري در مورد اتم وجود داشت.

طيف ستارگان «رمز ميله اي» (bar code) بسياري از عنصرهاي مختلف را آشكار ساخت. اما از آنجايي كه ارتباط واضحي بين شدت مشخصات طيفي و فراواني عنصري كه موجب آن مشخصات شده بود، وجود نداشت، فيزيكدانان قرن بيستم مي بايست به تشريح اين وضعيت بپردازند.در حقيقت تا دهه ۱۹۲۰ مشخص نشده بود كه هيدرژون و هليم (سبك ترين عنصرها) با اكثريت قاطع، فراوان ترين عنصرهاي طبيعت هستند. عمده اعتبار اين كشف به سسيليا پاين (C.Payne) تعلق دارد. وي در تز دكتراي خود كه در سال ۱۹۲۵ در رادكليف كالج ارائه كرد، نشان داد كه اين دو عنصر در مجموع حدود ۹۸ درصد از جرم خورشيد را به خود اختصاص داده اند.

متاسفانه به دليل شك و ترديدهاي هنري نوريس راسل (N.H.Russell) اختر فيزيكدان متنفذ آن زمان، وي مجبور شد آنچه را كه واقعاً برترين كشف زندگي اش بود، كم اهميت جلوه داده و در مقاله اي اعلام كند كه اين فراواني محاسبه شده براي هيدروژن و هليم موجود در ستارگان «بسيار بعيد و به احتمال بسيار زياد غيرواقعي است.»معماي ديگر اين بود كه چه عاملي باعث مي شود كه خورشيد و ديگر ستارگان چنين بدرخشند.زمين شناسان قرن نوزدهم بر پايه تخمين هايي كه در مورد چينه هاي رسوبي انجام داده بودند عمر زمين را حدود چند صدميليون سال برآورد كردند. چارلز داروين (C.Darwin) به دليل همخواني اين تقريب با ايده انتخاب طبيعي وي با آن موافق بود، در حالي كه ويليام تامسون (W.Thomson) [لردكلوين معروف] با جزميت استدلال مي كرد كه خورشيد بيش از ده ميليون سال درخشان نبوده است.درك دقيقي از واكنش هايي كه موجب مي شوند خورشيد طي ۵/۴ ميليارد سال به صورت يك «راكتور همجوشي محدود شده گرانشي» بدرخشد تا پايان دهه ۱۹۳۰ميسر نشد.

در اين هنگام دو فيزيكدان آمريكايي به نام جورج گاموف (G.Gamov) متولد روسيه و هانس بته (H.Bethe) متولد آلمان به همراه فيزيكدان و فيلسوف آلماني به نام فردريش كارل فون وايز ساكر موفق به تشريح اين فرآيند شدند. اگر هسته هاي اتم مي توانند در درون ستاره ها عمل همجوشي را انجام دهند، آيا امكان دارد كه كل ۹۲ عنصر جدول تناوبي محصول تبديل هاي هسته اي درون ستاره ها باشد؟ فرد هويل (F.Hoyle) اخترشناس بريتانيايي، همان شخصيت برجسته اي بود كه در ميانه هاي دهه ۱۹۴۰ چنين نظري را ابراز كرد.فرآيندهاي بسيار كارآتري در ستاره هاي سنگين روي مي دهد و باعث مي شود پرنورتر از خورشيد بدرخشند و هيدروژنشان را سريع تر بسوزانند. پس از آن گرانش باعث مي شود كه بيشتر منقبض شده و مركز آن داغ تر شود و بدين ترتيب اتم هاي هليم با همجوشي به اتم هاي سنگين تر تبديل مي شود. وقتي كه تمام سوخت ستاره هاي بزرگ مصرف شد، دچار رمبش (Collapse) شديدي مي شود به طوري كه هسته آنها ۰۰۰/۰۰۰/۰۰۰/۰۰۰/۰۰۰/۱ چگال تر از جامدات معمولي مي شود و آنها را به ستاره هاي نوتروني يا حتي سياهچاله بدل مي كند.

اما اين رمبش مقدار عظيمي انرژي نيز آزاد مي كند كه موجب انفجار فوق العاده عظيم - ابرنو اختر (super nova) - مي شود و همين عامل لايه هاي خارجي تر ستاره را به اطراف پراكنده مي سازد. اين لايه ها در مراحل بعد منبسط شده و ساختاري پوست پيازي را به وجود مي آورد. از طريق كيمياگري هسته اي هيدروژن تبديل به هليم مي شود، هليم به كربن، كربن به نيتروژن و همين طور الي آخر، تا آ نكه عنصر هاي جدول تناوبي و از جمله آ هن ساخته شود. آهن عنصر اصلي هسته اين ستاره هاست كه به اين سرنوشت محتوم دچار شده اند.

تشكيل عنصرهاي بعدي جدول تناوبي نيازمند دريافت مقدار بيشتر انرژي است. براي مثال توريم و اورانيوم در اثر حرارت ابرنواختر ها و باريم و بيسموت از صيد الكترون در ستاره هاي غول پيكر سرخ به وجود مي آيد. اين فرآيند در سال ۱۹۷۵ در يك مقاله كلاسيك توسط هويل و با همكاري ويليام فاولر (W.Fowler) اختر فيزيكدان هسته اي آ مريكا و جفري (Geoffrey) و مارگات (Margaret) اختر شناسان انگليسي مدون شد. آليستار كامرون (A.Cameron) فيزيكدان كانادايي بعضي از ايده هاي مهم در اين زمينه را به طور مستقل توسعه داد. كهكشان همانند يك زيست بوم (ecosystem) است. اتم اكسيژني كه از يك ستاره عظيم خارج شده است ممكن است صدها ميليون سال در فضاي بين سياره اي سرگردان باشد. ممكن است اين اتم وارد يك ابر متراكم شود كه در اثر گرانش خود در حال انقباض است و ستاره اي جديد را به وجود مي آورد و توسط صفحه اي از گردوغبار احاطه شده است. اين ستاره ممكن است خورشيد ما باشد و آن اتم به خصوص هم شايد وارد كره زمين شده و احتمالاً طي چرخه هايي وارد سلول انسان مي شود. ما غبار هاي ستاره اي هستيم، شايد هم ضايعات هسته اي باقي مانده از سوخت هايي باشيم كه نور ستارگان از آنها توليد شده است.

اين سناريو جورج گاموف را نااميد كرد. وي فكر مي كرد همه عنصر ها از انفجار بزرگ ناشي شده اند، اما اين امر با محاسبات دقيقي كه انجام شده بود، سازگاري نداشت. وقتي كه تئوري نسبيت اينيشتين براي مدل سازي جهان در حال انبساط به كار رفت، مشخص شد كه پس از انفجار بزرگ دما چنان سريع سقوط كرد كه زمان كافي براي انجام شبكه اي از واكنش هاي مورد نياز براي توليد تمام عنصر ها در اختيار نبود. گذشته از اين، مشاهدات نشان دادند كه ستاره هاي جوان تر بيش از ستاره هاي پير حاوي عنصرهاي سنگين هستند و اين نكته مويد اين نظر بود كه ستاره ها از گاز هاي بين ستاره اي كه طي ساليان دراز به مواد ديگر نيز آغشته شده است، ساخته مي شود. اما گاموف هم تا حدودي حق داشت، وي اثبات كرد كه در مورد منشا عنصر هاي سبكي همانند دوتريم، هليم و ليتيم حق با اوست. حتي پيرترين ستاره ها هم حدود ۲۳ درصد هليم دارند كه اين نسبت دقيقاً برابر مقداري است كه از انفجار بزرگ به وجود مي آيد.جست وجو براي يافتن منشا صحيح اتم ها يك تحقيق بين رشته اي بود كه طي ۲۰۰ سال جريان داشت. پيشگامان اين تحقيق نيز درست همانند كساني كه تكامل زيست شناختي را ارائه كردند و بحق تشويق شدند، شايسته قدرداني هستند.به واسطه بينش آنهاست كه ما امروز زمين و اتم هاي تشكيل دهنده آن را در زمينه يك ساختار عظيم كيهاني مشاهده مي كنيم. گاهشمار جذاب ماركوس چاون از دستاور د هاي دانشمندان، شايسته خواندن چندباره است.

Natural History , Mar.2001

*مارتين ريس استاد انجمن سلطنتي دانشگاه كمبريج و اختر شناس سلطنتي انگلستان است. آخرين كتاب وي با عنوان «فقط همين شش عدد: قوي ترين نيروي هايي كه جهان را شكل داده اند.» در سال ۱۹۹۹ توسط پرساوس پرس منتشر شد.