يمكن إخفاء أسرار انفجارات النجوم المستعرة الأعظم في الغبار المتناثر عبر القمر، وقد ابتكر فريق من العلماء من المعهد الصيني للطاقة الذرية (CIAE) طريقة جديدة لكشف أدلة موت النجوم.
يمكن أن يساعد البحث العلماء في الحصول على صورة أوضح لكيفية موت النجوم وتوفير المواد للجيل القادم من النجوم والكواكب والأقمار، وأحيانًا الحياة، على الأقل عندما يتعلق الأمر بالأرض.
وتعتمد هذه التقنية على تحسين الكشف عن نظير الحديد النادر الموجود بكميات متناهية الصغر داخل الغبار القمري. تم تشكيل هذا الشكل من الحديد منذ ملايين السنين في قلوب الأجيال السابقة من النجوم الضخمة. عندما خسرت هذه النجوم معارك “شد الحبل” مع الجاذبية التي استمرت لملايين (أو مليارات) السنين، وبالتالي أنهت حياتها في انفجارات المستعرات الأعظم، تم إطلاق النظائر وانتشرت عبر الكون – بما في ذلك، كما يعتقد العلماء. ، على القمر.
متعلق ب: انظر داخل بقايا مستعر أعظم عمره 800 عام وشاهد نجمًا “زومبيًا”.
وقال قائد الفريق والباحث في CIAE Bing Guo في بيان: “اتفق فريقنا على أن الطريقة الوحيدة لتتبع أحداث المستعرات الأعظم التاريخية بدقة هي تجاوز حدود ما يمكن أن تفعله معداتنا”.
كيف تساهم المستعرات الأعظم في إعادة التدوير الكوني
عندما ولد الجيل الأول من النجوم بعد ما بين 200 مليون و400 مليون سنة من الانفجار الكبير، كان الكون مأهولًا في الغالب بالهيدروجين، مع رشة من الهيليوم. في ذلك الوقت، كان هناك عدد قليل جدًا من ذرات العناصر الأثقل من هذا، والتي يسميها علماء الفلك (بشكل مربك إلى حد ما) “المعادن”.
وهذا يعني أن النجوم الأولى، والتي تسمى بشكل متناقض نجوم المجموعة الثالثة، كانت مكونة من الهيدروجين، والقليل من الهيليوم، وبالكاد أي معادن. أثناء حياة هذه النجوم، سمحت لها عمليات الاندماج النووي في قلوبها، والتي من خلالها تحول الهيدروجين إلى هيليوم، بالتألق في الكون. كما وفرت عملية الاندماج هذه ضغط الإشعاع الخارجي الذي منع القوة الداخلية لجاذبيتها من التسبب في انهيارها.
لكن هذا يعني أنه عندما ينفد الهيدروجين في قلب هذه النجوم، تنتهي عملية التوازن بين الضغط الإشعاعي والجاذبية، وتكون الأخيرة هي الفائز الواضح. وهكذا انهارت نوى هذه النجوم بينما تطايرت طبقاتها الخارجية، حيث كان الاندماج النووي لا يزال يحدث.
بالنسبة للنجوم ذات الكتل القريبة من كتلة الشمس، يؤدي ذلك إلى تحول قلوبها النجمية إلى نجوم قزمة بيضاء، محاطة بسحابة متناثرة ومبردة تدريجيًا من مادة كانت نجمية في السابق. ومع ذلك، ليس هذا هو مصير النجوم التي تبلغ كتلتها ثمانية أضعاف كتلة الشمس على الأقل.
عندما تنهار هذه النجوم الضخمة، فإن الضغط المتولد في قلوبها يؤدي إلى الاندماج النووي للهيليوم مع عناصر أخرى أثقل. بالنسبة للنجوم الأكثر ضخامة، تتكرر هذه العملية حتى يمتلئ القلب بالحديد، وهو أثقل عنصر يمكن أن يشكله النجم.
بعد ذلك، سوف ينهار قلب النجم الضخم مرة أخرى، ويحدث انفجار سوبر نوفا. وهذا الانفجار بدوره يطلق جميع العناصر التي ولّدها النجم طوال حياته وينشرها عبر المجرة المحيطة. يصبح النجم بعد ذلك بقايا نجمية كثيفة – إما نجمًا نيوترونيًا، أو ثقبًا أسود في حالات الانهيار الكامل للجاذبية.
وحتى هذه ليست نهاية العناصر التي كونها النجم خلال حياته. تجد هذه المواد طريقها إلى السحب بين النجوم من الغاز والغبار، والتي يمكن أن تنهار في النهاية لتشكل النجوم والكواكب.
وهذه هي الطريقة التي تصبح بها الأجيال النجمية اللاحقة “غنية بالمعادن” بشكل متزايد مع مرور الوقت. يتم أيضًا دمج جميع المواد المشتتة في الكواكب الناشئة التي تدور حول هذه النجوم وأي أشكال حياة قد تكون موجودة في تلك العوالم. وهكذا، عندما يقول العلماء “أنتم نجوم”، فهذا أكثر من مجرد كلام؛ هو حقيقة.
يهتم فريق تتبع غبار القمر بتتبع عملية إعادة التدوير الكونية هذه، والتي ليست عنصرًا تم تشكيله خلال عمر النجم، بل هو نظير نادر يتم إنشاؤه أثناء المستعر الأعظم.
الحديد-60: من المستعرات الأعظم إلى القمر
تتكون الذرات من ثلاثة جسيمات: في النواة الذرية، توجد بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات محايدة، و”تدور” حول هذه النواة إلكترونات سالبة الشحنة.
يتم تعريف العناصر بعدد البروتونات الموجودة داخل نواتها الذرية. ومن ثم، فإن الذرة التي تحتوي على ستة بروتونات في نواتها تكون دائمًا كربونًا. أضف بروتونًا آخر، فيصبح ذرة نيتروجين. ومع ذلك، تتمتع العناصر بمرونة أكبر عندما يتعلق الأمر بعدد النيوترونات داخل نواتها.
يمكن أن تحتوي ذرة الكربون على ستة بروتونات وستة نيوترونات، أو يمكن أن تحتوي على ستة بروتونات وسبعة نيوترونات، أو ستة بروتونات وثمانية نيوترونات. وتسمى هذه الاختلافات المختلفة لذرات نفس العنصر “نظائر” ذلك العنصر. تسمى ذرة الكربون المكونة من ستة بروتونات وستة نيوترونات “الكربون 12″، في حين أن ذرات الكربون المكونة من ستة بروتونات وسبعة نيوترونات هي نظير الكربون “الكربون 14”.
بعض هذه النظائر، وخاصة الأثقل منها، تكون غير مستقرة وتخضع لعملية تسمى الاضمحلال الإشعاعي. تسمى الفترة التي يستغرق خلالها اضمحلال نصف كمية معينة من النظائر المشعة “نصف العمر”.
عندما تندلع المستعرات الأعظم، في بضع ثوانٍ فقط، فإنها تطلق قدرًا من الطاقة يعادل ما تحتاجه الشمس لتشع خلال مليارات السنين. وهذا يوفر الظروف اللازمة لتكوين النظائر المشعة الثقيلة. ويتطلع الفريق إلى تحسين طرق البحث عن نظير الحديد المشع المسمى “حديد-60” الموجود في الغبار القمري.
يحتوي الحديد-60 على نواة ذرية تحتوي على 26 بروتونًا و34 نيوترونًا، ويبلغ عمر النصف له حوالي 2.3 مليون سنة. في حين أن المستعر الأعظم يمكن أن ينتج الحديد 60 بكميات تعادل حوالي 10 أضعاف كتلة الأرض، إلا أن إنتاج هذا النظير داخل النظام الشمسي لا يكاد يذكر. يتوقع العلماء أنه في مجرة درب التبانة بأكملها، تحدث المستعرات الأعظم حوالي ثلاث مرات كل 100 عام، مع كون انفجارات النجوم “القريبة” أقل تواتراً، حيث تحدث مرة واحدة كل 100 عام. ملايين السنوات.
يعد العثور على الحديد-60 على الأرض، أو على القمر، مؤشرًا جيدًا على انفجار مستعر أعظم بالقرب نسبيًا من النظام الشمسي – على سبيل المثال، في غضون حوالي 100 سنة ضوئية – في التاريخ الحديث لكوكبنا البالغ من العمر 4.6 مليار سنة. يقول فريق البحث.
ومع ذلك، فإن ندرة الحديد-60 وتأثير العناصر المتداخلة الأخرى الأكثر شيوعًا، جعلت اكتشاف وفرته المنخفضة أمرًا صعبًا للغاية بالنسبة لأجهزة قياس الطيف منخفضة الحساسية. ولمواجهة ذلك، أجرى جو وزملاؤه تعديلات على منشأة المسرع الترادفي HI-13 التابعة لـ CIAE. وتضمن ذلك إضافة “مرشح Wein”، وهو جهاز يمكن استخدامه لاختيار الجسيمات المشحونة التي تتحرك بسرعات محددة، لإجراء “قياس الطيف الكتلي المسرع” (AMS).
وجد الفريق أن AMS قادر على اكتشاف الحديد 60 في عينات محاكاة بحساسية تتجاوز بكثير ما يمكن تحقيقه بواسطة التكنولوجيا المستخدمة عادةً في هذه الدراسات.
قصص ذات الصلة:
– آثار انفجار نجمين تم التقاطها في صورة جديدة مذهلة لوكالة ناسا
— تمكن علماء الفلك من إلقاء نظرة نادرة على أقدم مستعر أعظم معروف، والذي يعود تاريخه إلى العام 185
– تثير هذه المستعرات الأعظم عاصفة، وتساهم في الحياة الكونية والموت
يعتقد فريق CIAE أنه من الممكن الآن دفع حساسيات الكشف لنظام AMS الخاص بهم إلى أبعد من ذلك، وهو تطور يمكن أن يحسن بشكل كبير فهمنا للنجوم التي ماتت في انفجارات المستعرات الأعظم، حتى نتمكن من العيش.
وقال قوه “إن تركيب مرشح فيينا يمكن أن يغير قواعد اللعبة بالنسبة لنا”. “هدفنا التالي هو تحسين نظام AMS بأكمله للوصول إلى حدود اكتشاف أقل. وكل جزء من الحساسية المتزايدة يفتح عالمًا من الاحتمالات.”
نُشر بحث الفريق في 24 مايو في مجلة العلوم والتقنيات النووية.