طلای انگشتر و آهن خون شما در کدام ستاره ساخته شده است؟

مهبانگ فقط سبک‌ترین عنصرها را ساخت: هیدروژن، هلیوم و ردّی از لیتیم. کیهان در چند دقیقه آن‌قدر سرد و رقیق شد که هسته‌ها دیگر به هم نمی‌رسیدند. جز بریلیم و بور، که پرتوهای کیهانی از شکستن هسته‌های بزرگ‌تر می‌سازند، هر چه سنگین‌تر از این‌هاست، از کربن تا آهن خون، در ستاره‌ها و بقایای آن‌ها ساخته شد: ستاره با جوش دادن هسته‌های سبک به هم می‌درخشد و خاکستر هر سوخت، سوخت مرحلهٔ بعد است. این زنجیره به آهن که برسد می‌ایستد، چون جوش دادن آهن دیگر انرژی آزاد نمی‌کند، انرژی می‌گیرد؛ هستهٔ ستارهٔ پرجرم فرو می‌ریزد و ابرنواختر رخ می‌دهد.

عنصرهای سنگین‌تر از آهن با گرفتن نوترون ساخته می‌شوند. اگر نوترون‌ها آرام و یکی‌یکی برسند (فرایند s، در غول‌های سرخ پیر)، هستهٔ ناپایدار فرصت دارد پیش از نوترون بعدی با واپاشی بتا به هسته‌ای پایدار تبدیل شود؛ باریم و سرب بیشتر این‌طور ساخته شده‌اند. اگر سیلی از نوترون در چند ثانیه بریزد (فرایند r، در برخورد ستاره‌های نوترونی)، هسته‌های بسیار سنگین مثل طلا، پلاتین و اورانیوم ساخته می‌شوند. چنین برخوردهایی کمیاب‌اند، و این یکی از دلیل‌های کمیابی طلاست.

رنگ‌های هر خانه سهم شش کارخانهٔ کیهانی از اتم‌های همان عنصر در سامانهٔ خورشیدی است، یعنی در ابری که خورشید و زمین ۴٫۶ میلیارد سال پیش از آن ساخته شدند. این سهم‌ها از جدول تناوبی هسته‌زایی جنیفر جانسون، اخترشناس دانشگاه ایالتی اوهایو، در مقالهٔ مروری او در مجلهٔ Science آمده‌اند (Johnson 2019، Science 363، صفحهٔ ۴۷۴) و با اندازه‌گیری مساحت هر رنگ در هر خانهٔ نمودار آن مقاله خوانده و به درصد درست گرد شده‌اند. سهم فرایندهای s و r در عنصرهای سنگین‌تر از استرانسیم در جدول جانسون بر پایهٔ برآورد سنجیده‌شدهٔ این دو فرایند در خورشید است (Arlandini و همکاران، ۱۹۹۹)، و ما آن را عنصربه‌عنصر با برآورد تازه‌تر Prantzos و همکاران (۲۰۲۰) سنجیده‌ایم: برای بیشتر عنصرها اختلاف چند درصد است و برای ایتریم، نیوبیم، مولیبدن، لانتان و ایتربیم ده تا بیست درصد. تنها جایی که از جدول جانسون جدا شده‌ایم تلوریم است: جدول او بیش از نیمی از تلوریم را کار فرایند s می‌داند، ولی دو هم‌جای تلوریم که فقط فرایند r می‌سازدشان به‌تنهایی دوسوم آن‌اند؛ پس عدد Prantzos را گرفته‌ایم (۱۹ درصد s). این عددها دقیق‌تر از چند درصد نیستند و خاستگاه بعضی عنصرها هنوز بحث‌برانگیز است: سهم ستاره‌های کم‌جرم و پرجرم در کربن، و خاستگاه عنصرهای میان نیکل و زیرکونیم: جانسون گالیم تا روبیدیم را یکسره کار ستاره‌های پرجرم می‌داند و برآوردهای دیگر بخشی از آن را کار فرایند r. یک ساده‌سازی را هم مثل خود جانسون پذیرفته‌ایم: همهٔ فرایند r به ادغام ستاره‌های نوترونی نسبت داده شده، در حالی که شاید بخشی از آن کار گونه‌های کمیابی از ابرنواخترهای پرجرم باشد.

لغزندهٔ زمان یک نمایش ساده است، نه مدل کامل تحول شیمیایی. مهبانگ در دقیقه‌های نخست کارش را تمام می‌کند. هر کارخانهٔ دیگر از زمانی آغاز می‌کند که ستاره‌هایش می‌توانند به آنجا برسند: ابرنواخترهای پرجرم از حدود ۱۵۰ میلیون سالگی کیهان، ادغام‌های نوترونی و پرتوهای کیهانی حدود ۵۰ میلیون سال بعد، و کوتوله‌های سفید و غول‌های سرخ با تأخیر چند صد میلیون ساله، چون ستاره‌های سبک‌تر آهسته‌تر پیر می‌شوند. هر کارخانه به نسبت آهنگ ستاره‌زایی کیهان کار می‌کند، که در این نمایش حدود سه میلیارد سال پس از مهبانگ به اوج می‌رسد، و همه به مقدارشان در زمان زایش خورشید بهنجار شده‌اند. نوار زیر هر خانه نشان می‌دهد چه اندازه از سهم امروز هر کارخانه تا آن لحظه ساخته شده بود، با مقیاس لگاریتمی تا ردهای کوچک هم دیده شوند. کیهان واقعی یکدست نیست و برخی کهکشان‌ها بسیار زودتر از میانگین غنی شدند.

پویانمایی راه هر عنصر نمادین است و مقیاس ندارد: کارخانه‌هایی را نشان می‌دهد که دست‌کم یک‌دهم آن عنصر را ساخته‌اند، به ترتیب سهم، و رنگ اتم‌های کوچک در صحنه‌های بعدی همان رنگ کارخانه‌هاست. مقدار هر عنصر در بدن از «انسان مرجع» کمیسیون بین‌المللی حفاظت پرتوی (ICRP، نشریهٔ ۲۳) برای بزرگسالی ۷۰ کیلوگرمی است، و پالایهٔ «عنصرهای بدن» سهم هر کارخانه از جرم بدن را از ضرب همین مقدارها در سهم‌های جدول حساب می‌کند. عنصرهایی که هم‌جای ماندگاری ندارند (تکنسیم، پرومتیم، پولونیم تا اکتینیم، پروتاکتینیم و نپتونیم) راه‌راه نشان داده شده‌اند: ستاره‌ها آن‌ها را هم می‌سازند، ولی چیزی از آن تا امروز نمانده است. پلوتونیم را، مثل جدول جانسون، کار ادغام ستاره‌های نوترونی نشان داده‌ایم، چون پلوتونیم ۲۴۴ در ابر زایش خورشید بود؛ ولی تا امروز تقریباً همه‌اش واپاشیده است. از عنصر ۹۵ به بعد تولید معمول آن‌ها آزمایشگاهی است. درصدهای خاستگاه، سهم‌های تقریبی یک جدول مرجع از مادهٔ ابر زایش خورشیدند؛ درصدهای جهان‌شمول یا فراوانی امروزی هر نقطهٔ کیهان نیستند. همهٔ فرایند r الزاماً از ادغام ستاره‌های نوترونی نیست و سهم برخی منابع، از جمله انفجارهای ستاره‌ای ویژه، هنوز محل پژوهش است. «ساخت انسان» برای عنصرهای بسیار سنگین به تولید معمول آزمایشگاهی اشاره دارد؛ ردهای طبیعی بعضی از آن‌ها یا تولید ستاره‌ای کوتاه‌عمر را نفی نمی‌کند. بازهٔ ساخت انسان در مدل زمان، صد سال اخیر است.