قام الباحثون بتركيب خمسة نظائر جديدة يمكن أن تساعد في جلب النجوم إلى الأرض، وإقناع العلماء بالاقتراب خطوة أخرى من فهم كيف يمكن للاصطدامات بين النجوم الميتة فائقة الكثافة أن تخلق عناصر ثقيلة مثل الذهب والفضة.
النظائر هي ثوليوم-182، ثوليوم-183، يتربيوم-186، يتربيوم-187 ولوتيتيوم-190؛ هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تصنيعها على الأرض. تم إنشائها في مرفق حزم النظائر النادرة (FRIB) في جامعة ولاية ميشيغان (MSU)، ويمثل خطوة نحو بناء ذرات على الأرض والتي عادة ما يتم إنشاؤها فقط في بيئة شديدة الاضطراب حول اندماج النجوم الميتة المعروفة باسم النجوم النيوترونية.
وقالت ألكسندرا جاد، المديرة العلمية لـ FRIB والأستاذة في قسم الفيزياء وعلم الفلك بجامعة ولاية ميشيغان، في بيان: “هذا هو الجزء المثير”. “نحن واثقون من قدرتنا على الاقتراب أكثر من تلك النوى المهمة للفيزياء الفلكية.”
متعلق ب: ماذا يحدث عندما تصطدم النجوم النيوترونية؟ قد يعرف علماء الفلك أخيرا
ما هو النظائر؟
يتم تعريف كل عنصر كيميائي في الجدول الدوري بعدد البروتونات الموجودة في نواته الذرية. على سبيل المثال، يحتوي الهيدروجين دائمًا على بروتون واحد، ويحتوي الهيليوم دائمًا على بروتونين، ويحتوي الحديد على 26. لا يمكن أن يحتوي الهيدروجين على بروتونين، ولا يمكن أن يحتوي الحديد على 25؛ إذا فعلوا ذلك، فلن يكونوا هيدروجين أو حديد بعد الآن.
ومع ذلك، يتم ربط البروتونات في النوى الذرية بواسطة النيوترونات، ويمكن أن يختلف عدد هذه الجسيمات دون تغيير طبيعة العنصر. تسمى النوى التي تحتوي على أعداد مختلفة من النيوترونات نظائر العنصر. لذلك، تشمل نظائر الحديد الحديد-54 الذي يحتوي على 26 بروتونًا و28 نيوترونًا، والحديد-56 الذي يحتوي على 26 بروتونًا و30 نيوترونًا، والحديد-57 الذي يحتوي على 26 بروتونًا و31 نيوترونًا.
ومع ذلك، فإن النظائر الخمسة التي تم تصنيعها حديثًا مثيرة للاهتمام، لأنها لا تحدث بشكل شائع على كوكبنا. في الواقع، لم يكونوا كذلك قط وجد على كوكبنا من قبل.
وقال برادلي شيريل، الأستاذ الجامعي المتميز في كلية العلوم الطبيعية بجامعة ولاية ميشيغان ورئيس قسم فصل النظائر النادرة المتقدمة في FRIB، في البيان: “ربما تكون هذه هي المرة الأولى التي توجد فيها هذه النظائر على سطح الأرض”. “أحب أن أرسم تشبيهًا بالقيام برحلة. لقد كنا نتطلع إلى الذهاب إلى مكان لم نذهب إليه من قبل، وهذه هي الخطوة الأولى. لقد غادرنا المنزل، وبدأنا في الاستكشاف.”
النظائر فائقة الثقل والعناصر فائقة الثقل
يمكن اعتبار النجوم بشكل عام بمثابة أفران نووية تعمل على تشكيل عناصر الكون، بدءًا من اندماج الهيدروجين إلى الهيليوم، والذي يتم دمجه بعد ذلك لتكوين النيتروجين والأكسجين والكربون.
يمكن للنجوم الأكثر ضخامة في عالمنا أن تشكل عناصر في الجدول الدوري وصولاً إلى الحديد، لكن العلماء يعتقدون أنه حتى هذه الأفران النجمية القوية ليست كافية بما يكفي لإنشاء عناصر أثقل من ذلك. ولكن ماذا لو انضم نجمان إلى أفرانهما؟ وبعنف إلى حد ما في ذلك؟
المشكلة هي أنه عند الموت، تُترك النجوم الضخمة بنواتها المصنوعة من الحديد والتي لم تعد قادرة على الاندماج في عناصر أثقل، كما تتوقف الطاقة التي دعمت هذه النجوم ضد الدفع الداخلي لتأثيرات جاذبيتها. يؤدي هذا إلى انهيار النوى حيث يتم تفجير الطبقات الخارجية بعيدًا عن طريق انفجارات السوبرنوفا القوية.
ومع ذلك، يمكن إيقاف هذا الانهيار عندما تتحول الإلكترونات والبروتونات الموجودة في هذه النوى إلى بحر من النيوترونات، والتي يتم منعها من التكدس معًا من خلال جانب من جوانب فيزياء الكم يسمى “الانحطاط”. يمكن التغلب على ضغط الانحطاط هذا إذا كان لدى قلب النجم كتلة كافية، مما يؤدي إلى انهيار كامل وتكوين ثقب أسود. لكن في بعض الأحيان لا توجد كتلة كافية. وتبقى تلك النجوم النيوترونية الميتة فائقة الكثافة.
علاوة على ذلك، فإن نهاية هذه العملية لا تمثل نهاية الاندماج النووي للنجوم النيوترونية إذا كانت موجودة في نظام ثنائي مع نجم ضخم آخر انهار أيضًا في النهاية ليولد نجمًا نيوترونيًا. نظرًا لأن هذه النجوم فائقة الكثافة التي تتراوح كتلتها بين مرة أو مرتين كتلة الشمس محشورة في عرض حوالي 12 ميلًا (20 كيلومترًا) تدور حول بعضها البعض، فإنها تبعث تموجات في الزمكان تسمى موجات الجاذبية.
تحمل موجات الجاذبية تلك الزخم الزاوي من النظام، مما يتسبب في تجمع النجوم النيوترونية معًا وإصدار المزيد من موجات الجاذبية بكثافة أكبر. يستمر هذا حتى يتحطم الاثنان معًا في النهاية.
ومن غير المستغرب، نظرًا لطبيعتها المتطرفة، أن تصادمات النجوم النيوترونية الثنائية تخلق بيئة عنيفة للغاية. على سبيل المثال، يؤدي هذا الحدث إلى نشر مادة غنية بالنيوترونات، ويُعتقد أن هذه المادة مهمة لتخليق الذهب والعناصر الثقيلة الأخرى.
وذلك لأن هذه النيوترونات الحرة يمكن أن يتم انتزاعها بواسطة نوى ذرية أخرى في البيئة فيما يسمى بعملية الالتقاط السريع أو “عملية r”. ثم تصبح هذه النوى الذرية الجشعة أثقل، مما يؤدي إلى خلق نظائر فائقة الثقل وغير مستقرة. ومن المتوقع أن تتحلل هذه النظائر غير المستقرة في النهاية إلى عناصر مستقرة، مثل الذهب، وهي أخف من العناصر فائقة الثقل ولكنها لا تزال أثقل من الحديد.
وقال شيريل: “ليس الأمر مؤكداً، لكن الناس يعتقدون أن كل الذهب الموجود على الأرض تم الحصول عليه من اصطدامات النجوم النيوترونية”. وفي واقع الأمر، وجد تلسكوب جيمس ويب الفضائي مؤخرًا أفضل دليل حتى الآن على هذه النظرية.
إذًا، كيف يمكننا معرفة ما إذا كانت هذه العملية تحدث على وجه اليقين؟
إذا تمكن العلماء من إعادة إنشاء العناصر فائقة الثقل المشاركة في عملية r، فسيتمكنون من فهم عملية إنشاء الذهب والعناصر الثقيلة الأخرى بشكل أفضل. للأسف، إنشاء الثوليوم-182، والثوليوم-183، والإيتربيوم-186، والإيتربيوم-187، واللوتيتيوم-190. هذه النظائر، التي تتشكل عن طريق إطلاق شعاع من أيونات البلاتين على هدف من الكربون في FRIB، قد لا تكون موجودة في حطام اصطدامات النجوم النيوترونية، ولكن وجودها على الأرض هو بالتأكيد خطوة نحو خلق تلك العناصر الانتقالية فائقة الثقل التي عاشت لفترة وجيزة على كوكبنا. الكوكب لمعرفة ما إذا كانت ستؤدي إلى عناصر مثل الذهب.
قصص ذات الصلة:
– النجوم النيوترونية “المستحيلة” يمكن أن تفسر الومضات الغريبة
– كيف غمرت اصطدامات النجوم النيوترونية الأرض بالذهب والمعادن الثمينة الأخرى
– أقوى انفجار لأشعة جاما على الإطلاق يمكن أن يساعد في الكشف عن كيفية ولادة الثقوب السوداء
وفي المستقبل، فإن الفهم الأفضل لهذه النظائر المتكونة حديثًا يمكن أن يكون له أيضًا آثار مهمة على الفيزياء النووية.
واختتم غيد كلامه قائلاً: “ليس من المفاجئ وجود هذه النظائر، ولكن بعد أن أصبح لدينا هذه النظائر، لدينا زملاء سيكونون مهتمين للغاية بما يمكننا قياسه بعد ذلك”. “لقد بدأت بالفعل في التفكير فيما يمكننا القيام به بعد ذلك فيما يتعلق بقياس نصف عمرها، وكتلتها، وغيرها من الخصائص.”
نُشر بحث الفريق يوم الخميس (15 فبراير) في مجلة Physical Review Letters.