تخليق نووي

طبقا لنظرية الانفجار العظيم حدث تخليق نووي Nucleosynthesis في الانفجار العظيم خلال الثلاثة دقائق الأولى حيث تولد الهيدروجين-1 و الديوتيريوم-2 و الهيليوم-4 من البروتونات و النيوترونات التي هي بدورها مكونة من كواركات و جلوونات . كما توجد آثار بسيطة من الليثيوم و البيريليوم تكونت أيضا خلال الانفجار العظيم .

• أما ما نجده في الطبيعة من عناصر أثقل من الهيليوم ، مثل الكربون و النحاس و الحديد ، فقد تكونت معظمها في النجوم التي هي أفران لصنع تلك المواد عن طريق الاندماج النووي ، والتفاعلات النووية التي تؤدي إلى توليد تلك العناصر في أفران النجوم هو موضوع أخر .

• وهناك العناصر الأثقل من الحديد ، وهذه تم اندماجها وتكوينها أثناء انفجار النجوم عند انتهاء عمرها بحدوث سوبرنوفا .

3 دقائق بعد الانفجار العظيم

نجد في الكون ذرة ديوتريوم واحدة من بين 100.000 ذرة هيدروجين. ورغم أن تلك النسبة ضعيفة جدا إلا أن الديوتريوم يشكل بترتيبه السابع بين جميع العناصر الموجودة في الكون واحد من العناصر (الكثيرة). و نواة ذرة الديوتريوم تربطها روابط ضعيفة نسبيا ، وهي تحتوي على 1 بروتون و 1 نيوترون ²H) ، ويسمى الديوتريوم أيضا الهيدروجين الثقيل . وهو يتحلل في أفران النجوم ذات حرارة تبلغ عشرات الملايين من الدرجات ويتحول إلى عناصر أخرى ثقيلة. نشأ هذا العنصر أثناء الانفجار العظيم في درجة حرارة عالية ، وسمح له الانتفاخ السريع الذي حدث خلال 100 ثانية الأولى بانخفاض درجة الحرارة بحيث احتفظ الديوتيوم بكميته .

وتبلغ كمية الهيليوم-4 في الكون بين 23 % و 30 % ، بجانب نحو 70 % هيدروجين. كما تنتج أفران النجوم عنصر الهيليوم بواسطة الاندماج النووي للهيدروجين ، إلا أن الهيليوم المتكون بهذه الطريقة يظل حبيسا في النجم ، ولا يستطيع تفسير تلك الكمية الهائلة الموجودة في الكون من هذا العنصر .

ونجد الهيليوم بنسبة بين 23 % و 30 % في أجواء المجرات بصرف النظر عن اختلاف أنواعها ، ولا يوجد ما يفسر وجود الهيليوم هو الآخر بنسبته هذه إلا أن يكون قد خُلّق أثناء الانفجار العظيم .

ويعرف العلماء تفاعلا نوويا وهو التشتيت spallation ، وفيه تصتدم أشعة جاما ذات الطاقة العالية جدا بأنوية ذرات مثل الكربون والنيتروجين والأكسجين وتشتت مافيها من بروتونات و نيوترونات ولا يتبقى سوي أنوية خفيفة مثل الليثيوم ⁶Li, ⁷Li > , والبريليوم sup>9Be> ، والبورون sup>10B ، ¹¹B > كما ينتج الهيليوم والهيدروجين خلال هذه التفاعلات ، ولكن كميات تلك العناصر الناتجة قليلة جدا ولهذا فتفاعل التشتت هو الآخر لايستطيع تفسير النسب الموجودة في الكون من الهيدروجين والهيليوم والديوتريوم وتواجدها منذ الدقائق الأولي للانفجار العظيم بهذه النسب . ومن المهم بخصوص الليثيوم و البريليوم و البورون ، انها لا تُنتج في النجوم وتبقى إذ سرعان أن تُستهلك خلال الاندماج النووي وتدخل في تكوين العناصر الثقيلة فيها .

وبفضل معرفتنا للتفاعلات النووية التي تحدث في النجوم بالإضافة إلى التخليق النووي الذي حدث خلال الانفجار العظيم يمكننا فهم نسب جميع العناصر الموجودة في الكون .

توالي التخليق

يبدأ التخليق النووي عندما تنخفض درجة حرارة الانفجار العظيم إلى درجة 10⁹ كلفن ، ومن المفترض أن يكون ذلك بعد الدقيقة الأولى من الانفجار .

قبل ذلك خلال الدقيقة الأولى كانت درجة الحرارة 10¹⁰ كلفن ، وكانت الفوتونات و النيوترنوات ونقيض النيوترنوات و الباريونات و النيوترونات و البروتونات ، وكذلك الإلكترونات و البوزيترونات في حالة توازن تبعا للتفاعلات :

• ${\text{n}}+\nu _{\text{e}}\leftrightarrow {\text{p}}+{\text{e}}^{-}$
• ${\text{n}}+{\text{e}}^{+}\leftrightarrow {\text{p}}+\nu _{\text{e}}$
• ${\text{n}}\leftrightarrow {\text{p}}+{\text{e}}^{-}+{\overline {\nu _{\text{e}}}}$

وكانت النسبة بين عدد البروتونات والنيوترونات مطابقة ل توزيع ماكسويل-بولتزمان ، أي أن:

• ${\frac {n_{\text{p}}}{n_{\text{n}}}}={\text{e}}^{-{\frac {E_{\text{p}}-E_{\text{n}}}{kT}}}={\text{e}}^{-{\frac {{\Delta }mc^{2}}{kT}}}$

وانفصلت النيوترينوات عند درجة حرارة 10¹⁰ كلفن . وكذلك اختفى نقيض النيوترينوات واختل التوازن . وباختلال التوازن أصبحت النسبة بين عدد البروتونات إلى عدد النيوترونات n_p/n_n تساوي 6 (أي نيوترون واحد لكل 6 بروتونات ) . ثم تغيرت تلك النسبة بالتحلل بيتا للنيوترون حيث يصدر إلكترونا (β-) و يصبح بروتونا ${\text{n}}\rightarrow {\text{p}}+{\text{e}}^{-}+\nu _{\text{e}}$

و يتحلل النيوترون بعمر النصف مقداره 889,1 ثانية .

فتحسنت بذلك النسبة بين البروتونات والنيوترونات .

وعند درجة حرارة 10⁹ كلفن بسبب تمدد واتساع الكون النشأ السريع ، بدأت تتكون أنوية الديوتريوم طبقا للتفاعل : (${\text{n}}+{\text{p}}\rightarrow {\text{D}}+\gamma$) وكان بعض منها يتحلل ثانيا بفعل الفوتونات ذات الطاقة العالية .

ولم تستقر تلك الأنوية إلا عند انخفاض درجة الحرارة إلى 10⁹ كلفن . وأصبحت النسبة بين البروتونات والنيوترونات n_p/n_n ≈ 7 وبدأ تخليق الأنوية الخفيفة طبقا للتفاعلات النووية الآتية:

(γ : فوتون جاما )

${\begin{matrix}{\text{p}}+{\text{n}}&\rightarrow &{\text{D}}+\gamma \\{\text{D}}+{\text{n}}&\rightarrow &^{3}\,{\text{H}}+\gamma \\{\text{D}}+{\text{p}}&\rightarrow &^{3}\,{\text{He}}+\gamma \\{\text{D}}+{\text{D}}&\rightarrow &^{3}\,{\text{H}}+{\text{p}}\\{\text{D}}+{\text{D}}&\rightarrow &^{3}\,{\text{He}}+{\text{n}}\\{\text{D}}+{\text{D}}&\rightarrow &^{4}\,{\text{He}}+\gamma \\^{3}\,{\text{H}}+{\text{p}}&\rightarrow &^{4}\,{\text{He}}+\gamma \\^{3}\,{\text{He}}+{\text{n}}&\rightarrow &^{3}\,{\text{H}}+{\text{p}}\\^{3}\,{\text{He}}+{\text{n}}&\rightarrow &^{4}\,{\text{He}}+\gamma \\^{3}\,{\text{H}}+{\text{D}}&\rightarrow &^{4}\,{\text{He}}+{\text{n}}\\^{3}\,{\text{He}}+{\text{D}}&\rightarrow &^{4}\,{\text{He}}+{\text{p}}\\^{3}\,{\text{He}}+^{3}{\text{He}}&\rightarrow &^{4}\,{\text{He}}+2{\text{p}}\\^{4}\,{\text{He}}+{\text{D}}&\rightarrow &^{6}\,{\text{Li}}+\gamma \\^{4}\,{\text{He}}+^{3}{\text{H}}&\rightarrow &^{7}\,{\text{Li}}+\gamma \\^{4}\,{\text{He}}+^{3}{\text{He}}&\rightarrow &^{7}\,{\text{Be}}+\gamma \\^{6}\,{\text{Li}}+{\text{n}}&\rightarrow &^{7}\,{\text{Li}}+\gamma \\^{6}\,{\text{Li}}+{\text{p}}&\rightarrow &^{7}\,{\text{Be}}+\gamma \\^{7}\,{\text{Li}}+{\text{p}}&\rightarrow &^{4}\,{\text{He}}+\gamma \\^{7}\,{\text{Be}}+{\text{n}}&\rightarrow &^{7}\,{\text{Li}}+{\text{p}}\\^{7}\,{\text{Be}}+{\text{e}}^{-}&\rightarrow &^{7}\,{\text{Li}}+\gamma \\\end{matrix}}$

بعد مرور زمن يقدر ب 1000 ثانية وبسبب مرحلة الانتفاخ السريع للكون ، انخفضت درجة الحرارة وكذلك انخفضت الكثافة إلى درجة ضعيفة بحيث لا تسمح باستمرار الاندماج النووي لتوليد عناصر خفيفة أخرى وانتهى التخليق .

• يحدث فيما بعد ، بعد زيادة حجم الكون وانخفاض درجة حرارته بعد مرور نحوا من 380.000 سنة بعد الانفجار العظيم أن تتجمع جزء من المادة المخلقّة سابقا مكونة مجرات و نجوم ويبدأ الكون يتخذ شكلا بنائيا . في هذا الوقت تبدأ النجوم الأولى في تصنيع العناصر الثقيلة من الهيدروجين والهيليوم بواسطة تفاعلات الاندماج النووي .

اقرأ أيضا

• انفجار عظيم
• اندماج نووي