قام العلماء بتحليل انفجار طويل بشكل غير عادي من الإشعاع عالي الطاقة، المعروف باسم انفجار أشعة غاما (GRB)، وحددوا أنه نشأ من اصطدام نجمين نيوترونيين فائقي الكثافة. والأهم من ذلك أن هذه النتيجة ساعدت الفريق على ملاحظة وميض الضوء المنبعث من نفس الحدث الذي يؤكد أن هذه الاندماجات هي المواقع التي تخلق عناصر مثل الذهب.
أتاحت الملاحظات، التي تم إجراؤها باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) وتلسكوب هابل الفضائي، للعلماء رؤية الذهب والعناصر الثقيلة مشكَّلة، مما قد يساعدنا على فهم أفضل لكيفية توليد أحداث اندماج النجوم النيوترونية القوية هذه البيئات الوحيدة المضطربة في الكون. يكفي لخلق عناصر أثقل من الحديد، مثل الفضة والذهب مما ينتج عنه وميض من الضوء يسمى كيلونوفا.
قالت إليونورا تروخا، عضو فريق البحث وعالمة الفيزياء الفلكية بجامعة روما، لموقع Space.com: “كان من المثير دراسة كيلونوفا كما لم نرها من قبل باستخدام أعين هابل وJWST القوية”. “هذه هي المرة الأولى التي تمكنا فيها من التحقق من أن المعادن الأثقل من الحديد والفضة قد تم تصنيعها حديثا أمامنا”.
متعلق ب: يمكن أن تكشف “مواطن الخلل” في النجوم الميتة عن أصول رشقات الراديو السريعة
لقد ارتبطت انفجارات GRB، التي تعد أقوى انفجارات الطاقة في الكون المعروف، باندماجات النجوم النيوترونية من قبل، لكن هذا الاكتشاف مختلف.
ويمكن تقسيم هذه الظواهر إلى مجموعتين. من ناحية، هناك انفجارات أشعة غاما الطويلة التي تدوم أكثر من ثانيتين، ومن ناحية أخرى، هناك انفجارات أشعة غاما القصيرة التي تدوم أقل من ثانيتين. في حين ارتبطت اندماجات النجوم النيوترونية بتدفقات أشعة جاما القصيرة، يُعتقد أن انفجارات أشعة جاما الطويلة تحدث نتيجة لانهيار النجوم الضخمة وليس نتيجة لمثل هذه الاصطدامات.
استمر الانفجار الساطع والطويل للغاية، المسمى GRB 230307A، والذي تم اكتشافه بواسطة الأجهزة الموجودة على متن مهمة فيرمي التابعة لناسا في مارس 2023، لمدة 200 ثانية؛ كان هذا بمثابة ثاني أكثر انفجارات GRB نشاطًا على الإطلاق. يبدو أنه مرتبط بالكيلونوفا، المسمى AT2017gfo، واندماج النجم النيوتروني الذي حدث على بعد حوالي 8.3 مليون سنة ضوئية، مما يخالف اتفاقية GRB المعتادة ويتحدى النظريات حول كيفية إطلاق هذه الانفجارات من الإشعاع عالي الطاقة.
قال يو هان يانغ، قائد فريق البحث وعالم الفيزياء الفلكية بعد الدكتوراه في جامعة روما، لموقع Space.com: “من الصعب أن نتصور أن مدة انفجارات GRB الناشئة عن عمليات الاندماج الثنائية المدمجة يمكن أن تمتد إلى عشرات الثواني”.
قد يكون اكتشاف أشعة جاما بمثابة منجم ذهب كوني
تشبه النجوم الأفران النجمية التي تشكل العناصر الموجودة في الجدول الدوري، بدءًا من الاندماج النووي للهيدروجين مع الهيليوم في قلبها، واستمرارًا مع اندماج الهيليوم مع العناصر الأثقل مثل النيتروجين والأكسجين والكربون.
يمكن للنجوم الأكثر ضخامة، والتي تبلغ كتلتها حوالي 7 إلى 8 أضعاف كتلة الشمس، أن تشكل العناصر وصولاً إلى الحديد في قلوبها. بمجرد امتلاء نواة النجم بهذا العنصر، يتوقف الاندماج. وهذا أيضًا يقطع خط الطاقة الخارجي الذي كان يدعم النجم ضد جاذبيته لملايين، أو في بعض الأحيان مليارات السنين. ثم تنهار نوى هذه النجوم الضخمة تحت هذه الجاذبية الساحقة، مما يؤدي إلى تفجير طبقاتها الخارجية في انفجارات المستعرات الأعظم.
يؤدي هذا الانهيار إلى تحويل قلب النجم، وسحق الإلكترونات والبروتونات إلى بحر من النيوترونات المتدفقة، وهي جسيمات موجودة في النوى الذرية والتي نادرًا ما توجد “بحرية”. ومع ذلك، في هذا البحر، يتم منع النيوترونات من الضغط بالقرب من بعضها البعض من خلال مبدأ كمي يسمى ضغط انحطاط النيوترونات، والذي يمكن التغلب عليه بكتلة كافية لإنشاء ثقب أسود. لكن في بعض الأحيان لا توجد كتلة كافية لنشوء الثقب الأسود.
تُركت تلك النوى النجمية الميتة التي ليس لديها كتلة للتغلب على ضغط الانحلال على شكل أجسام عرضها 12 ميلًا (20 كيلومترًا) وكتلتها تتراوح بين مرة أو مرتين كتلة الشمس. ومع ذلك، هناك طريقة يمكن للنجوم النيوترونية أن تساهم بها بعناصر أثقل من الحديد في الكون.
ليست كل النجوم النيوترونية موجودة بمفردها.
بعضها يجتاز الكون في أنظمة ثنائية للنجوم النيوترونية، مما يعني أن لديهم نجمًا نيوترونيًا آخر في براثن الجاذبية. عندما تدور هذه النجوم الميتة حول بعضها البعض، فإنها تشكل نسيجًا من الفضاء يرن بتموجات تسمى موجات الجاذبية التي تحمل تدريجيًا الزخم الزاوي من النظام.
يؤدي هذا إلى دوران النجوم النيوترونية معًا، مما يؤدي إلى انبعاث موجات الجاذبية بشكل أسرع مع مرور الوقت و”تسريب” المزيد من الزخم الزاوي جنبًا إلى جنب. وفي النهاية، يتصادم الاثنان ويندمجان. يؤدي هذا الاصطدام إلى انفجار أشعة غاما ويرسل رذاذًا من المواد الغنية بالنيوترونات التي تساعد في تكوين العناصر الأثقل في الجدول الدوري.
تستحوذ النوى الذرية الأخرى حول هذه الاصطدامات على النيوترونات الحرة عبر عملية التقاط النيوترونات السريعة، أو عملية r، وتصبح عناصر فائقة الثقل تعيش لفترة وجيزة تسمى “اللانثانيدات”. ثم تتحلل تلك اللانثانيدات بسرعة إلى عناصر أخف (على الرغم من أن العناصر لا تزال أثقل من الرصاص). ويتسبب هذا الاضمحلال في انبعاث الإشعاع، وهو الضوء الذي نراه من الأرض على شكل “كيلونوفا”. وبالتالي، فإن تتبع تطور الكيلونوفا يمكن أن يساعد في متابعة تكوين عناصر مثل الذهب والفضة.
وقال يانغ: “إن اندماج النجوم النيوترونية يمكن أن يؤدي إلى خلق بيئة مثالية لتصنيع العناصر الثقيلة على نطاق واسع، وهو أمر يتجاوز حاليًا الإبداع الاصطناعي”. “إن دراسة اندماج النجوم النيوترونية تساعدنا على إعادة كتابة الفصول الغامضة من التخليق النووي.”
الخيمياء الكونية في العمل
على مدار أسابيع أو أشهر، أوضح يانج أن الكيلونوفا تشمل نطاقًا واسعًا من السلوكيات. تعتمد هذه السلوكيات على تركيبة المادة المقذوفة ونوع البقايا المتكونة في مركز موقع الاندماج.
لا تمتد عمليات رصد معظم الكيلونوفا إلى هذه الأوقات المتأخرة من تطورها، لكن AT2017gfo كان مختلفًا. ولكن لسوء الحظ، كانت بيانات الرصد المتأخرة لـ AT2017gfo، والتي تم جمعها باستخدام تلسكوب سبيتزر الفضائي، محدودة. لقد قدمت فقط إشارات ضعيفة ملوثة بالمجرة المضيفة للكيلونوفا وقدمت تغطية غير كافية في أطوال موجية مختلفة من الضوء.
وأوضح تروخا: “خلال الأيام القليلة الأولى، لا يتأثر سلوك الكيلونوفا بتركيبته الكيميائية”. “يستغرق الأمر أسابيع للكشف عن المعادن التي تشكلت في الانفجار، ولم تتح لنا الفرصة للتحديق في الكيلونوفا لفترة طويلة.”
وقد أعاقت هذه القيود العلماء من السعي إلى فهم الكيلونوفا بشكل أفضل والعمليات التي تخلقها.
ومع ذلك، في حالة AT2017gfo، سمحت الحساسية والتغطية المتعددة الألوان لرصدات تلسكوب جيمس ويب الفضائي وهابل ليانغ وزملائه بمراقبة لمعان هذا الكيلونوفا في أوقات متأخرة.
وقال يانغ: “لقد تتبعنا تطور الحدث العابر المرتبط بـ GRB 230307A لمدة تصل إلى شهرين بعد الانفجار والتقطنا التطور الكامل من اللون الأزرق إلى الأحمر لهذا العابر، والذي يمكن تصنيفه على أنه كيلونوفا”. “لقد اكتشفنا انحسار نصف قطر الغلاف الضوئي في أوقات متأخرة. ويقدم انحسار نصف قطر الغلاف الضوئي دليلاً على إعادة تركيب العناصر الثقيلة، مثل اللانثانيدات، التي تحدث في عملية التبريد. هناك حاجة إلى عناصر عملية r الثقيلة لإنتاج البيانات المرصودة.”
قصص ذات الصلة:
– قد يساعد النهج الجديد العلماء على رؤية ما بداخل النجم النيوتروني
– قد تكون النجوم النيوترونية بحجم مدينة أكبر مما كنا نعتقد
– أثقل نجم نيوتروني تم رصده على الإطلاق يقوم بتمزيق رفيقه
وهذا يؤكد أن اندماج النجوم النيوترونية يؤدي إلى تكوين عناصر أثقل من الذهب، ويؤكد أيضًا أن انفجارات أشعة جاما الطويلة يمكن أن تأتي من اندماج النجوم النيوترونية. ويعتقد أنها لم تحل لغز السبب وراء إطلاق هذا الاندماج لنجم نيوتروني مثل هذه الانفجارات الطويلة بشكل غير عادي.
وقال يانغ: “يثبت هذا الحدث أن انفجارات GRB طويلة الأمد القادمة من عمليات الاندماج الثنائية المدمجة ليست حدثًا مصادفة”، مضيفًا أن هناك الكثير من الأسئلة التي لا يزال يتعين الإجابة عليها حول هذه الأحداث. “ما هي الاكتشافات المفيدة التي يمكن أن تقدمها ملاحظات الكيلونوفا في وقت متأخر عن التخليق النووي؟
“إننا نتطلع إلى عمليات رصد مشتركة لانفجارات أشعة جاما طويلة الأمد والكيلونوفات وموجات الجاذبية في المستقبل، والتي ستساعد في كشف الألغاز حول مثل هذه القيم المتطرفة.”
نُشر بحث الفريق يوم الأربعاء (21 فبراير) في مجلة Nature.