เหมืองทองคำในอวกาศ

 

ธาตุในตารางธาตุมีกำเนิดที่แตกต่างกัน

     ธาตุเกือบทั้งหมดที่เบากว่าเหล็กถูกหลอมขึ้นในแกนกลางของดาวฤกษ์ ใจกลางที่ร้อนจนขาวของดาวโหมไฟขึ้นจากการหลอมโปรตอน บีบอัดพวกมันเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเป็นธาตุที่หนักขึ้นไปเรื่อยๆ แต่เลยจากเหล็กไป นักวิทยาศาสตร์ต้องงงงันว่าแล้วจะสร้างทองคำ, ทองคำขาว, ยูเรเนียม และธาตุหนักที่เหลือในเอกภพได้อย่างไร ซึ่งการก่อตัวธาตุ(หนักกว่าเหล็ก) เหล่านี้ต้องการพลังงานมากกว่าที่ดาวจะสร้างขึ้นได้

     ในตอนแรกสุด หลังจากบิ๊กแบง(Big Bang) ก็ไม่ได้มีธาตุอยู่มากนัก เอกภพยังเป็นซุปของไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมด จนกระทั่งดาวฤกษ์ก่อตัวขึ้นและเริ่มชนนิวเคลียสอะตอมเข้าด้วยกันในแกนกลางของพวกมัน การหลอมนิวเคลียสหรือ nuclear fusion ในดาวนี้สร้างธาตุที่หนักขึ้นตั้งแต่คาร์บอนจนถึง เหล็ก(ในกรณีดาวมวลสูงมาก) ให้กับอวกาศ และส่งต่อสู่ห้วงอวกาศเมื่อดาวตายลง

     แต่เหล็ก เป็นตัวหยุดการหลอมในแกนกลาง ความร้อนและพลังงานที่ต้องใช้เพื่อสร้างเหล็กผ่านการหลอมเกินเลยจากพลังงานที่กระบวนการจะสร้างขึ้น เป็นสาเหตุให้อุณหภูมิแกนกลางลดลง ซึ่งจะเป็นผลให้ดาวตายในการระเบิดที่ตระการตาคือ ซุปเปอร์โนวา และก็เป็นการตายที่ตระการตานี้(และการระเบิดจากดาวนิวตรอนชนกัน) ที่จะหลอมธาตุหนักขึ้นไปอีก

การสังเคราะห์ธาตุในดาว(stellar nucleosynthesis) ภายในแกนกลาง อาศัยแรงดันและอุณหภูมิเพื่อหลอมนิวเคลียสธาตุเบาให้กลายเป็นธาตุที่หนักขึ้น ซึ่งจะสร้างพลังงานออกมา ในขณะเดียวกันก็จะอยู่ในสมดุลกับแรงโน้มถ่วงที่จะยุบเข้าไป การสังเคราะห์ธาตุในแกนกลางดาวฤกษ์มวลสูงจะไปหยุดที่เหล็ก

     ในการระเบิดซุปเปอร์โนวาหรือการชนกันของดาวนิวตรอน การระเบิดเหล่านั้นทรงพลังมากจนบังคับให้อะตอมชนกันเองได้ ยึดจับนิวตรอนจากกันและกัน นี่เป็นสิ่งที่เรียกว่า กระบวนการจับนิวตรอนแบบเร็ว(rapid neutron capture process; r-process) ซึ่งต้องเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก จนไม่มีเวลาให้เกิดการสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสี ก่อนที่จะมีนิวตรอนเพิ่มเข้ามาในนิวเคลียส

     การศึกษาใหม่โดยนักวิจัยที่เอ็มไอทีและมหาวิทยาลัยนิวแฮมเชียร์ ได้พบว่าแหล่งของโลหะหนักที่ต้องสงสัยมานาน 2 แห่งนั้น แห่งหนึ่งเป็นขุมทองในสัดส่วนที่สูงกว่าอีกแห่ง การศึกษาซึ่งเผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters ได้รายงานว่าในช่วง 2.5 พันล้านปีหลังนี้ มีโลหะหนักที่ถูกสร้างในการควบรวมของดาวนิวตรอนคู่ มากกว่าในการควบรวมดาวนิวตรอน-หลุมดำ

     การศึกษานี้เป็นงานแรกที่เปรียบเทียบการควบรวม 2 ชนิดในแง่การสร้างโลหะหนักออกมา และบอกว่าระบบดาวนิวตรอนคู่น่าจะเป็นแหล่งของทองคำ, ทองคำขาว(platinum) และธาตุหนักอื่นๆ ที่เราเห็นในปัจจุบัน การค้นพบน่าจะช่วยนักวิทยาศาสตร์ให้ตรวจสอบอัตราที่โลหะหนักถูกสร้างทั่วเอกภพได้

     Hsin-Yu Chen นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่สถาบันคัฟลี่เพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์และการวิจัยอวกาศ เอ็มไอที ผู้เขียนนำ กล่าวว่า สิ่งที่เราได้พบว่าน่าตื่นเต้นจากผลสรุปของเราก็คือด้ว่ยระดับความเชื่อมั่นพอสมควร เราบอกได้ว่าการควบรวมของดาวนิวตรอนคู่ น่าจะเป็นเหมืองทองได้มากกว่าการควบรวมดาวนิวตรอน-หลุมดำ ผู้เขียนร่วมของ Chen ก็คือ Salvatore Vitale ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่เอ็มไอที และ Francois Foucart จากมหาวิทยาลัยนิวแฮมเชียร์

ภาพกราฟฟิคแสดง r-process ซึ่งเกิดในสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยนิวตรอน เช่นเมื่อดาวนิวตรอนควบรวมกัน หรือซุปเปอร์โนวาของดาวมวลสูง  

     เมื่อดาวมีการหลอมนิวเคลียสขึ้นมา พวกมันต้องการพลังงานในการหลอมโปรตอน(ไฮโดรเจน) เพื่อสร้างธาตุที่หนักขึ้น ดาวมีประสิทธิภาพในการผลิตธาตุที่เบาตั้งแต่ไฮโดรเจนจนถึงเหล็ก อย่างไรก็ตาม การหลอมมากกว่า 26 โปรตอนที่มีในเหล็กกลับใช้พลังงานฟุ่มเฟือยอย่างยิ่ง Vitale กล่าวว่า ถ้าคุณต้องการจะข้ามเหล็กและสร้างธาตุที่หนักขึ้นอย่างทองคำและทองคำขาว คุณต้องหาทางอื่นที่จะรวมโปรตอนเข้าไว้ด้วยกัน

     นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าซุปเปอร์โนวาอาจจะเป็นคำตอบ เมื่อดาวฤกษ์มวลสูงยุบตัวและระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา เหล็กในแกนกลางก็น่าจะสามารถรวมกับธาตุเบากว่าในการแตกดับที่รุนแรงสุดขั้วนี้ เพื่อสร้างธาตุที่หนักมากขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม ในปี 2017 ก็มีเหตุการณ์หนึ่งเกิดขึ้นเป็นการควบรวมของดาวนิวตรอนคู่หนึ่ง ซึ่งตรวจพบเป็นครั้งแรกโดย หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO และ Virgo ในสหรัฐฯ และอิตาลี ตามลำดับ เครื่องตรวจจับได้พบคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งเป็นระลอกในกาลอวกาศ ที่มีกำเนิดห่างจากโลกออกไป 130 ล้านปีแสง จากการชนของดาวนิวตรอนซึ่งเป็นแกนกลางที่ยุบตัวลงของดาวมวลสูงประกอบด้วยนิวตรอนเกือบทั้งหมด 2 ดวง

     การควบรวมนี้ได้เปล่งแสงวาบออกมา ซึ่งมีร่องรอยสัญญาณของโลหะหนัก ปริมาณของทองคำที่สร้างในการควบรวมนี้เทียบเท่ากับหลายเท่ามวลโลก Chen กล่าว นี่เปลี่ยนภาพทั้งหมดโดยสิ้นเชิง คณิตศาสตร์ได้แสดงว่าระบบดาวนิวตรอนคู่มีประสิทธิภาพในการสร้างธาตุหนักสูงกว่าซุปเปอร์โนวา

ภาพจากศิลปินแสดงการควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวง ได้สร้างสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยนิวตรอน นำไปสู่การสังเคราะห์ธาตุผ่าน r-process เช่น ทองคำ ทองคำขาว เป็นต้น 

     Chen และเพื่อนร่วมงานของเธอก็แปลกใจ แล้วถ้าเทียบระหว่างการควบรวมของดาวนิวตรอนคู่ กับการชนของดาวนิวตรอน-หลุมดำ ล่ะ นี่ก็เป็นการควบรวมอีกชนิดที่ LIGO และ Virgo ได้ตรวจพบ และน่าจะมีศักยภาพเป็นโรงงานผลิตโลหะหนักด้วย ภายใต้สภาวะที่แน่นอน นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าหลุมดำน่าจะรบกวนดาวนิวตรอนจนมันปะทุและพ่นโลหะหนักออกมา ก่อนที่หลุมดำจะกลืนกินดาวนิวตรอนเข้าไปทั้งหมด

     ทีมเริ่มตรวจสอบปริมาณของทองคำและโลหะหนักอื่นๆ ที่การควบรวมแต่ละชนิดน่าจะสร้างขึ้น ในการวิเคราะห์ พวกเขามุ่งเป้าไปที่การตรวจจับการควบรวมของดาวนิวตรอนคู่ 2 เหตุการณ์ กับดาวนิวตรอน-หลุมดำ อีก 2 เหตุการณ์ของ LIGO และ Virgo พวกเขายังตรวจสอบความต้านทานของดาวนิวตรอนแต่ละดวงที่จะถูกรบกวน ยิ่งดาวต้านทานได้ดีแค่ไหน ก็มีโอกาสน้อยลงที่มันจะปั่นธาตุหนัก พวกเขายังประเมินว่าการควบรวมแต่ละชนิดเกิดขึ้นได้บ่อยแค่ไหนเมื่อเทียบกับอีกชนิดหนึ่ง โดยมีพื้นฐานจากการสำรวจของ LIGO, Virgo และหอสังเกตการณ์อื่นๆ

     สุดท้าย ทีมใช้แบบจำลองเสมือนจริงหลายอันที่พัฒนาโดย Foucart เพื่อคำนวณปริมาณทองคำและโลหะหนักอื่นๆ โดยเฉลี่ย ที่การควบรวมแต่ละครั้งน่าจะสร้างขึ้น โดยให้มวล, การหมุนรอบตัว, ระดับการถูกรบกวน และอัตราการปรากฏของวัตถุผันค่าไป โดยเฉลี่ยแล้ว นักวิจัยพบว่าการควบรวมของดาวนิวตรอนคู่ น่าจะสร้างโลหะหนักได้ 2 ถึง 100 เท่าของดาวนิวตรอน-หลุมดำ

     การควบรวมทั้งสี่ที่ใช้ในการวิเคราะห์ประเมินว่าเกิดขึ้นภายในช่วง 2.5 พันล้านปีหลังนี้ ซึ่งพวกเขาสรุปว่าในช่วงเวลาดังกล่าว อย่างน้อยก็มีธาตุหนักที่ถูกสร้างโดยระบบดาวนิวตรอนคู่ มากกว่าจากการชนของดาวนิวตรอนกับหลุมดำ ตาชั่งอาจจะพลิกไปด้านการชนของดาวนิวตรอน-หลุมดำได้ ถ้าหลุมดำมีอัตราการหมุนรอบตัวที่สูงและมวลต่ำ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เคยได้สำรวจพบหลุมดำลักษณะนี้ในการควบรวม 2 เหตุการณ์ที่พบเลย

สัญญาณแสงคู่ขนานกับเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วง GW 170817 จะสังเกตเห็นแหล่งแสงในวันที่เกิดเหตุการณ์ เปลี่ยนสีไปในอีกไม่กี่วันต่อมา ซึ่งนักวิทยาศาสตร์พบสัญญาณสเปคตรัมของทองคำ, ทองคำขาว ถูกสร้างขึ้นจากการควบรวมนี้

    Chen และเพื่อนร่วมงานของเธอหวังว่าเมื่อ LIGO และ Virgo กลับมาทำการสำรวจในปีหน้า การตรวจจับที่มากขึ้นจะช่วยปรับปรุงการประเมินอัตราที่การควบรวมแต่ละชนิดสร้างธาตุหนักขึ้นมา อัตราเหล่านั้นก็อาจจะช่วยนักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบอายุของกาแลคซีที่ห่างไกล โดยอ้างอิงจากปริมาณของธาตุหลากหลายที่มีอยู่ คุณสามารถใช้โลหะหนักในแบบเดียวกับที่ใช้คาร์บอนเพื่อวัดอายุฟอสซิล Vitale กล่าว เนื่องจากปรากฏการณ์ประหลาดทั้งหมดเหล่านั้นมีอัตราการผลิตและเส้นทางสร้างธาตุหนักที่แตกต่างกัน จะส่งผลต่ออายุของกาแลคซี ดังนั้นการศึกษาลักษณะนี้จะพัฒนาการวิเคราะห์เหล่านั้นได้

     งานวิจัยอีกชิ้น เผยถึงความน่าจะเป็นในการสร้างธาตุหนักว่าน่าจะก่อตัวในการหมุนวนที่วุ่นวายที่ล้อมรอบหลุมดำที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ เมื่อมันกลืนฝุ่นและก๊าซจากห้วงอวกาศรอบๆ

     ในดิสก์สะสมมวลสารเกิดขึ้นได้เมื่อดาวนิวตรอนสองดวงควบรวมกัน และมวลรวมของพวกมันเพียงพอที่จะทำให้วัตถุที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่กลายเป็นหลุมดำ ดาวที่ยุบตัวลงเองและเกิดระเบิด(collapsar) ก็เป็นอีกความเป็นไปได้หนึ่ง เมื่อแกนกลางของดาวมวลสูงมากยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงกลายเป็นหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black hole)

ภาพจากศิลปินแสดง Collapsar เป็นดาวฤกษ์มวลสูงมากที่ยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วง และระเบิด

     ในกรณีทั้งสอง คิดกันว่าหลุมดำทารกถูกล้อมไว้ด้วยวงแหวนวัสดุสารร้อนและหนาแน่นสูง ซึ่งหมุนวนไปรอบๆ หลุมดำและกลายเป็นอาหารของหลุมดำเหมือนกับน้ำที่ไหลลงท่อระบายน้ำทิ้ง ในสภาพแวดล้อมที่สุดขั้วเหล่านั้น อัตราการสร้างนิวตริโน(neutrino) ที่สูง น่าจะทำให้การเปลี่ยนโปรตอนเป็นนิวตรอนทำได้ง่ายขึ้น เป็นผลให้เกิดสภาพคล่องของนิวตรอน ซึ่งเป็นที่ต้องการในกระบวนการเพื่อสร้างธาตุหนักผ่าน r-process

    Oliver Just นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research ที่ดัมชตัดท์ ในเจอรมนี กล่าวว่า ในการศึกษาของเรา เป็นครั้งแรกที่เราสำรวจอัตราการเปลี่ยนนิวตรอนและโปรตอนในดิสก์จำนวนมากในแบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์ได้อย่างเป็นระบบ และเราก็พบว่าดิสก์นั้นอุดมด้วยนิวตรอนอย่างมากตราบเท่าที่สภาวะจำเพาะนี้เอื้ออำนวย

     Just และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ทำแบบจำลองเสมือนจริงชุดหนึ่งอย่างครบครันเพื่อตรวจสอบว่าเป็นจริงตามที่กล่าวข้างต้นหรือไม่ พวกเขาปรับแต่งทั้งมวลและการหมุนรอบตัวของหลุมดำ, มวลของวัสดุสารรอบๆ มัน และผลจากปัจจัยที่แตกต่างกันที่มีต่อนิวตริโน พวกเขาพบว่า เมื่อมีสภาวะที่เอื้อ การสังเคราะห์ธาตุใหม่ผ่าน r-process ก็เกิดขึ้นได้ในสภาพแวดล้อมเหล่านั้น ตัวตัดสินเกมก็คือมวลรวมของดิสก์ Just กล่าว

     ยิ่งดิสก์มีมวลสูงเท่าใด นิวตรอนก็ยิ่งก่อตัวขึ้นจากโปรตอนได้บ่อยขึ้นผ่านการจับอิเลคตรอนภายใต้การเปล่งนิวตริโน และมีนิวตรอนใช้เพื่อการสังเคราะห์ธาตุหนักผ่าน r-process ได้ Just กล่าว อย่างไรก็ตาม ถ้ามวลของดิสก์สูงเกินไป ปฏิกิริยาย้อนกลับก็จะแสดงบทบาทเพิ่มขึ้นจน มีนิวตริโนที่ถูกจับอีกครั้งโดยนิวตรอนมากขึ้น ก่อนที่มันจะทิ้งดิสก์ออกมา นิวตรอนเหล่านั้นก็จะถูกเปลี่ยนกลับเป็นโปรตอน ซึ่งหยุด r-process

ภาพจากศิลปินแสดงการจับนิวตรอนแบบเร็วที่เกิดขึ้นภายในดิสก์วัสดุสารรอบหลุมดำที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ ได้สร้างธาตุหนักขึ้นมารวมทั้งทองคำ, ยูเรเนียม

     จุดที่เหมาะสมที่จะผลิตธาตุหนักได้อย่างมีประสิทธิผลมากที่สุดก็คือ ดิสก์มีมวลระหว่าง 0.01 ถึง 0.1 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ผลสรุปบอกว่าการควบรวมของดาวนิวตรอนสร้างดิสก์ที่มีมวลในช่วงดังกล่าวนี้ ก็อาจเป็นจุดเริ่มโรงงานผลิตธาตุหนัก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่ทราบแน่ชัดว่า ดิสก์รอบดาวที่ยุบตัวลงเกิดขึ้นได้หรือไม่ และพบได้บ่อยแค่ไหน จึงยังตัดสินกรณีนี้ไม่ได้ นักวิจัยกล่าว

    ขั้นตอนต่อไปก็จะเป็นการตรวจสอบว่าแสงที่เปล่งออกจากการควบรวมของดาวนิวตรอน จะสามารถใช้เพื่อคำนวณมวลของดิสก์สะสมมวลสารของมันได้อย่างไร Andreas Bauswein นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research กล่าวว่า ตอนนี้ข้อมูลเหล่านี้ยังไม่เพียงพอ แต่ด้วยเครื่องเร่งอนุภาครุ่นใหม่ อย่างเช่น FAIR(Facility for Antiproton and Ion Research) ซึ่งกำลังสร้างอยู่ ก็จะเป็นไปได้ที่จะตรวจสอบได้ด้วยความเที่ยงตรงอย่างไม่น่าเชื่อในอนาคต

     การสอดประสานกันเป็นอย่างดีระหว่างแบบจำลองทางทฤษฎี, การทดลอง และการสำรวจทางดาราศาสตร์ จะช่วยให้เราเหล่านักวิจัยในหลายปีที่จะมาถึง ได้ทดสอบการควบรวมของดาวนิวตรอนในฐานะกำเนิดของธาตุ r-process ได้ งานวิจัยเผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

 

แหล่งข่าว phys.org : neutron star collisions are “goldmine” of heavy elements, study finds
                sciencealert.com : black holes could be inadvertently making gold, astrophysicists say
                sciencedaily.com : where does gold come from? New insights into element synthesis in the universe