عندما اكتشفت البشرية أخيرا التصادم بين نجمين نيوترونيين في عام 2017، تأكدت نظرية طويلة الأمد حول تشكيل عناصر أثقل من الحديد.
واعتقد الباحثون أنه أصبح لدينا إجابة عن سؤال حول كيفية انتشار هذه العناصر – بما في ذلك الذهب – في جميع أنحاء الكون.
ولكن تحليلا جديدا كشف عن مشكلة هامة، حيث وجدت نماذج التطور الكيميائي للمجرة الجديدة، أن اصطدامات النجوم النيوترونية لا تقترب من إنتاج وفرة من العناصر الثقيلة الموجودة في مجرة درب التبانة اليوم.
وقالت عالمة الفيزياء الفلكية أماندا كاراكاس، من جامعة موناش ومركز ARC للتميز في 3 أبعاد (ASTRO 3D) في أستراليا: “اندماج النجوم النيوترونية لم ينتج ما يكفي من العناصر الثقيلة في بداية حياة الكون، وما زالت لا تنتج الآن، بعد 14 مليار سنة. وبشكل عام، لا توجد تصادمات كافية تحدث لتفسير وفرة هذه العناصر حول اليوم”.
وتشكلت النجوم الأولى عندما جمعت الجاذبية كتلا من مواد الهيدروجين والهيليوم. وفي أجزاء الاندماج النووي في قلبها، شكلت هذه النجوم الهيدروجين إلى هيليوم. ثم الهيليوم إلى الكربون. وهكذا، تُدمج العناصر الأثقل والأثقل حيث تنفد العناصر الأخف منها حتى إنتاج الحديد.
ويمكن للحديد نفسه أن يندمج، لكنه يستهلك كميات هائلة من الطاقة – أكثر مما ينتج عن هذا الاندماج – لذا فإن لب الحديد هو نقطة النهاية.
وقال كاراكاس: “يمكننا التفكير في النجوم على أنها أواني ضغط عملاقة حيث يتم تكوين عناصر جديدة. التفاعلات التي تصنع هذه العناصر توفر أيضا الطاقة التي تحافظ على سطوع النجوم لمليارات السنين. ومع تقدم النجوم في العمر، فإنها تنتج عناصر أثقل وأثقل مع تسخين نواها”.
ولإنشاء عناصر أثقل من الحديد – مثل الذهب والفضة والثوريوم واليورانيوم – يلزم إجراء عملية سريعة لالتقاط النيوترونات. ويمكن أن يحدث هذا في انفجارات نشطة حقا، والتي تولد سلسلة من التفاعلات النووية التي تصطدم فيها النوى الذرية بالنيوترونات لتكوين عناصر أثقل من الحديد.
ولكن، يجب أن يحدث ذلك بسرعة كبيرة، بحيث لا يكون هناك وقت لحدوث الانحلال الإشعاعي قبل إضافة المزيد من النيوترونات إلى النواة.
ونحن نعلم الآن أن انفجار كيلونوفا الناتج عن اصطدام نجم نيوتروني، هو بيئة نشطة بما فيه الكفاية لحدوث إعادة العملية. وهذا ليس محل نزاع. ولكن من أجل إنتاج كميات هذه العناصر الأثقل التي نلاحظها، نحتاج إلى حد أدنى من تكرار تصادمات النجوم النيوترونية.
ولمعرفة مصادر هذه العناصر، قام الباحثون ببناء نماذج التطور الكيميائي للمجرة، لجميع العناصر المستقرة من الكربون إلى اليورانيوم، باستخدام أحدث الملاحظات الفيزيائية الفلكية والوفرة الكيميائية المتاحة في مجرة درب التبانة. واشتملت على عوائد التخليق النووي النظرية ومعدلات الأحداث.
ووضعوا عملهم في جدول دوري يوضح أصول العناصر التي قاموا بتصميمها. ومن بين النتائج التي توصلوا إليها، وجدوا أن تردد اصطدام النجوم النيوترونية غير موجود، من بداية الكون حتى الآن. وبدلا من ذلك، يعتقدون أن نوعا من المستعر الأعظم يمكن أن يكون مسؤولا.
وتحدث المستعرات الأعظمية المغناطيسية، عندما ينهار قلب نجم هائل سريع الدوران مع مجال مغناطيسي قوي. ويُعتقد أيضا أنها نشطة بما يكفي لإجراء عملية البحث. وإذا كانت نسبة صغيرة من المستعرات الأعظمية للنجوم بين 25 و50 كتلة شمسية هي مغناطيسية، فإن ذلك يمكن أن يشكل الفرق.
وقال كاراكاس: “حتى أكثر التقديرات تفاؤلا لتواتر الاصطدام بالنجوم النيوترونية، لا يمكنها ببساطة تفسير الوفرة الهائلة لهذه العناصر في الكون. وكانت هذه مفاجأة. يبدو أن المستعرات الأعظمية الدوارة ذات المجالات المغناطيسية القوية، هي المصدر الحقيقي لمعظم هذه العناصر”.
ووجد بحث سابق أن نوعا من المستعر الأعظم يمكن أن ينتج أيضا عناصر ثقيلة. ويحدث هذا عندما ينتقل نجم يدور بسرعة تزيد عن 30 كتلة شمسية، إلى مستعر أعظم قبل أن ينهار في ثقب أسود. ويُعتقد أن هذه أكثر ندرة من تصادمات النجوم النيوترونية، لكنها قد تكون مساهما- فهي تتطابق تماما مع النتائج الأخرى التي توصل إليها الفريق.
ووجدوا أن النجوم الأقل كتلة من ثماني كتل شمسية، تنتج الكربون والنيتروجين والفلور ونصف العناصر الأثقل من الحديد. وتنتج النجوم الأكبر من ثماني كتل شمسية معظم الأكسجين والكالسيوم اللازمين للحياة، وكذلك معظم العناصر المتبقية بين الكربون والحديد.
وأوضح عالم الفيزياء الفلكية، شياكي كوباياشي، من جامعة هيرتفوردشاير في المملكة المتحدة: “بصرف النظر عن الهيدروجين، لا يوجد عنصر واحد يمكن أن يتشكل إلا بنوع واحد من النجوم. ويتم إنتاج نصف الكربون من النجوم المحتضرة ذات الكتلة المنخفضة، ولكن النصف الآخر يأتي من المستعرات الأعظمية. ونصف الحديد يأتي من المستعرات الأعظمية العادية للنجوم الضخمة، لكن النصف الآخر يحتاج إلى شكل آخر، يُعرف باسم المستعرات الأعظمية من النوع Ia، يتم إنتاجها في الأنظمة الثنائية للنجوم منخفضة الكتلة”.
وهذا لا يعني بالضرورة أن نسبة 0.3% المقدرة من الذهب والبلاتين على الأرض تعود إلى اصطدام نجم نيوتروني قبل 4.6 مليار سنة، لها قصة أصل مختلفة. وليس بالضرورة أن تكون القصة كاملة.
ولكننا اكتشفنا موجات الجاذبية لمدة خمس سنوات فقط. ويمكن أن نجد، مع تحسن معداتنا وتقنياتنا، أن تصادمات النجوم النيوترونية أكثر تواترا مما نعتقد في الوقت الحالي.
