اوپنهایمر، انفجار هسته‌ای و آتش گرفتن جو زمین!

به گزارش پایگاه خبری قرطاس، ژنرال «لسلی گرووز»(Leslie Groves) در فیلم «اوپنهایمر»(Oppenheimer) از «جولیوس رابرت اوپنهایمر»(Julius Robert Oppenheimer) می‌پرسد: «می‌گویید این احتمال وجود دارد که وقتی آن دکمه را فشار می‌دهیم، جهان را نابود کنیم؟» منظور گرووز این احتمال است که بمب اتمی در شرف منفجر شدن به عنوان بخشی از «آزمایش ترینیتی»(Trinity Test) می‌تواند یک واکنش زنجیره‌ای بی‌پایان را ایجاد کند و جو زمین را به آتش بکشد.

دو اخترفیزیک‌دان هسته‌ای، «مایکل ویشر»(Michael Wiescher) از «دانشگاه نوتردام»(University of Notre Dame) و «کارل‌ هاینز لانگانکه»(Karlheinz Langanke) از «مرکز تحقیقات یون سنگین GSI هلمهولتز»(GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research) مجذوب این پرسش شدند.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، ویشر و لانگانکه در یک پژوهش جدید بررسی کردند که اوپنهایمر و همکارانش چگونه خطر این نتیجه را زمانی که فیزیک هسته‌ای در مراحل ابتدایی خود بود، ارزیابی کردند و همچنین به بررسی این موضوع پرداختند که چگونه تجربیات و دانش آنها از «پروژه منهتن»(Manhattan Project) به سایر حوزه‌ها سرازیر شد و مزایای غیرمنتظره‌ای را برای اخترفیزیک هسته‌ای و روش تاریخ‌گذاری رادیوکربن به همراه آورد.

طراحی بمب اتمی آمریکا طی پروژه منهتن، توسط اوپنهایمر در «آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس»(LANL) در طول جنگ جهانی دوم انجام شد. این پروژه یک کار بزرگ بود که افراد مهمی در آن شرکت داشتند و سه سال طول کشید تا تکمیل شود. ویشر گفت: پروژه منهتن یک سرمایه‌گذاری بزرگ در حدود دو میلیارد دلار بود که معادل ۶۰ میلیارد دلار امروزی است. این پروژه بیش از ۱۲۵ هزار دانشمند، تکنسین، مدیر و پرسنل نظامی را به کار گرفت. بزرگترین گزینه پرهزینه مربوط به فیزیک نبود، بلکه به امکانات تولید سوخت بمب مربوط می‌شد.

بمب‌های اتمی به شکافت هسته‌ای متکی هستند؛ یعنی تقسیم شدن هسته یک ایزوتوپ رادیواکتیو به دو یا چند هسته کوچک‌تر به وسیله بمباران آن با ذرات زیر اتمی به نام نوترون. سوخت بمبی که آمریکا در سال ۱۹۴۵ روی هیروشیما انداخت، اورانیوم ۲۹۵ بود. این در حالی بود که پلوتونیوم ۲۳۹ در بمب پرتاب‌شده روی ناکازاکی به کار رفت.

بیشتر بخوانید:

من خودِ مرگ شدم، ویرانگر جهان!

ویشر توضیح داد: این شکافت، مقادیر زیادی از انرژی را آزاد می‌کند که با حدود ۴۰۰ هزار تن دینامیت برای بزرگترین بمب‌ها قابل مقایسه است. اوپنهایمر در طول ساخت بمب اتمی در آزمایشگاه لوس‌آلاموس، یک نگرانی علمی بزرگ داشت.

از نظر تئوری، گرمایش سریع هوا هنگام انفجار بمب می‌تواند باعث ایجاد واکنش‌های هم‌جوشی برعکس شکافت در جو شود؛ البته اگر سرد شدن هوا از طریق انتشار تشعشع جبران نشود. هم‌جوشی هسته‌های هیدروژن، مسئول حفظ ستاره‌هاست. در میان ایزوتوپ‌های موجود در هوا که می‌توانند تحت واکنش‌های هم‌جوشی قرار بگیرند، اوپنهایمر نگران نیتروژن ۱۴ بود که فراوان‌ترین ایزوتوپ در جو است. ویشر گفت: در آن زمان ادغام دو هسته نیتروژن ۱۴ و یک هسته هیدروژن محتمل به نظر می‌رسید.

اشتعال جو به احتمال زیاد در چند میلی‌ثانیه اول انفجار بمب بوده است؛ یعنی زمانی که گوی آتشین شفافیتی نداشت و دما همچنان در حال افزایش یافتن بود. اوپنهایمر برای سنجیدن احتمال این امر، با «آرتور هالی کامپتون»(Arthur Holly Compton) فیزیک‌دان مشهور و برنده جایزه نوبل سال ۱۹۲۷ مشورت کرد.

کامپتون به اوپنهایمر اطمینان داد که چنین رویداد شدیدی بعید است. نظر او توسط «هانس بیته»(Hans Bethe) رئیس وقت بخش تئوری در آزمایشگاه لوس‌آلاموس تایید شد و بیته گفت که شرایط دما و فشار جو به آن اندازه بالا نخواهد بود. همان طور که پیش‌بینی می‌شد، بمب پلوتونیوم ۲۳۹ در طول آزمایش ترینیتی در صحرای نیومکزیکو که فقط چند روز پیش از پرتاب روی ژاپن انجام شد، جو را مشتعل نکرد.

در گزارش پژوهشگران آزمایشگاه لوس‌آلاموس در سال ۱۹۴۶ نوشته شده است: رسیدن به چنین دماهایی غیرممکن است؛ مگر اینکه از بمب‌های شکافت یا بمب‌های گرماهسته‌ای استفاده شود که از بمب‌های مورد بررسی کنونی فراتر می‌روند.

بمب هیدروژنی

پس از بمب اتمی، سلاح‌های هسته‌ای قوی‌تری اختراع شدند. بمب‌های گرماهسته‌ای که بمب‌های هیدروژنی نیز نامیده می‌شوند، بر ترکیب تریتیوم و دوتریوم تکیه دارند که ایزوتوپ‌های سنگین‌تر هیدروژن هستند. واکنش هم‌جوشی به دمای بالایی نیاز دارد که توسط یک بمب هسته‌ای تولید می‌شود.

ویشر گفت: یک بمب هسته‌ای، انرژی بسیار بیشتری را آزاد می‌کند که معادل حدود ۲۰ میلیون تن دینامیت است. بزرگ‌ترین بمب هسته‌ای منفجرشده، «بمب تزار»(Tsar bomb) شوروی با انرژی معادل ۵۲ میلیون تن دینامیت در سال ۱۹۶۱ بود که به تنهایی سطح تشعشعات را در جو زمین دو برابر کرد.

اگرچه بمبی که فقط در یک آزمایش و برای قدرت‌نمایی توسط روسیه منفجر شد، براساس گزارش‌ها ۱۵۰۰ برابر قوی‌تر از مجموع بمب‌های هیروشیما و ناکازاکی بود اما باز هم جو را مشتعل نکرد.

ویشر در پاسخ به این پرسش که آیا می‌توان یک بمب بسیار قوی را با توانایی سوزاندن جو زمین ساخت، پاسخ داد: خوشبختانه، محدودیت‌ها هرگز آزمایش نشدند اما به طور کلی می‌توانم بگویم که چگالی جو خیلی کم است.

مزایای غیرمنتظره

اگرچه اوپنهایمر و همکارانش به درستی نامحتمل بودن اشتعال جو را مطرح کردند اما نتوانستند یک جنبه را در نظر بگیرند. ویشر توضیح داد: آنها انتشار نوترون بمب را نادیده گرفتند. این امر به بروز شار نوترونی بزرگی منجر شد که واکنش نیتروژن ۱۴ را علاوه بر نوترون به همراه داشت و کربن ۱۴ رادیواکتیو با عمر طولانی تولید کرد که اکنون به طور ایمن در بیوسفر جای گرفته است.

کربن ۱۴ توسط انسان، حیوانات و گیاهان جذب می‌شود و پس از مرگ ارگانیسم، جذب آن متوقف می‌گردد. از آنجا که ایزوتوپ پس از مرگ با سرعت قابل پیش‌بینی تجزیه می‌شود، سن بقایای ارگانیسم را تا حدود ۶۰ هزار سال پس از زمانی که موجود زنده بوده است، می‌توان با اندازه‌گیری میزان کربن ۱۴ باقی‌مانده در آن تعیین کرد.

ویشر خاطرنشان کرد که به غیر از روش تاریخ‌گذاری کربن ۱۴، ترس از اشتعال جوی به پیشرفت اخترفیزیک هسته‌ای کمک کرد. وی افزود: ترس از هم‌جوشی جوی، به اندازه‌گیری و درک بهتر واکنش‌های هم‌جوشی در ستاره‌ها منجر شد که تعیین‌کننده تکامل ستاره در مراحل پایانی یک ستاره هستند. مشاهده عناصر فوق سنگین در بقایای بمب، به پیش‌بینی توالی‌های واکنش ناشی از نوترون انجامید که مسئول تولید همه عناصر سنگین در جهان ما هستند.

اگرچه ستاره‌ها رآکتورهای هم‌جوشی کاملی هستند اما شرایط زمین بسیار راحت‌تر است. ویشر توضیح داد: در ستاره‌ها، واکنش‌های هم‌جوشی در دماهای صد میلیون درجه و چگالی حدود ۱۰ هزار تا ۱۰۰ هزار برابر چگالی جو رخ می‌دهند که بسیار بیشتر از هر واکنشی روی زمین است. بنابراین، من فکر نمی‌کنم خطر زیادی وجود داشته باشد اما در طول برنامه آزمایش اولیه، مردم نمی‌دانستند مدل‌ها و مفروضات آنها چقدر قابل اعتماد هستند. اکنون معلوم می‌شود که آنها بسیار خوب بودند.

این پژوهش در مجله «Natural Sciences» به چاپ رسید.

منبع: ایسنا