عندما ينفجر نجم نيوتروني، يتم إنشاء الذهب على نطاق واسع

انفجار مغناطيسي قوي يكشف عن مصدر غير متوقع للذهب والبلاتين، ويقدم حلاً للغز عمره 20 عامًا

في بحث رائد، ربط العلماء إشارة غامضة من عام 2004 بانفجار قوي لنجم مغناطيسي - نجم نيوتروني ذو مجال مغناطيسي قوي للغاية - والذي خلق كميات هائلة من العناصر الثقيلة، بما في ذلك الذهب والبلاتين، وقد يكون مسؤولاً عن حوالي 10٪ من إمدادات هذه العناصر في مجرتنا. يتحدى هذا الاكتشاف الافتراض القائل بأن الاصطدام بين النجوم النيوترونية فقط هو القادر على إنتاج مثل هذه العناصر، ويطرح ألغازًا جديدة حول ملايين "مصانع الإنتاج" النجمية التي لم يتم اكتشافها بعد.

أخيرًا، حصل البشر على إشارة نادرة لمصنع جديد لإنتاج العناصر الثقيلة: وهج عملاق من نجم مغناطيسي - نجم نيوتروني ذو مجال مغناطيسي أقوى بتريليونات المرات من المجال المغناطيسي للأرض. وتشير النماذج المستخدمة لحساب كمية المواد المنتجة إلى أن مثل هذه الانفجارات قد تشكل ما يصل إلى 10% من الكمية العالمية من الذهب والبلاتين.

يبدأ اللغز بانفجار ساطع تم رصده في ديسمبر/كانون الأول 2004 بواسطة تلسكوب فضائي: أطلق النجم المغناطيسي موجات ضوئية وإشعاعات جسيمية بكثافة تعادل ما تنتجه الشمس في مليون سنة. وعلى الرغم من أن الوهج الرئيسي تم اكتشافه بسرعة، إلا أن إشارة ضعيفة أخرى تم اكتشافها بعد حوالي عشر دقائق ظلت غير قابلة للتفسير - حتى الدراسة الحالية.

تمكن فريق من الباحثين في مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية في معهد فلاترون في نيويورك مؤخرا من فك شفرة الحرف الثاني الذي يشير إلى نشوء العناصر الثقيلة، بما في ذلك الذهب والبلاتين. وبحسب حساباتهم، فإن الوهج الذي حدث عام 2004 خلق كتلة من العناصر الثقيلة تبلغ كتلتها نحو نصف كتلة الأرض. وتعد هذه الورقة البحثية، التي نشرت في 29 أبريل/نيسان في مجلة The Astrophysical Journal Letters، ثاني وثيقة على الإطلاق توثق التكوين المباشر لهذه العناصر: الأولى كانت في اصطدام نجمين نيوترونيين في عام 2017.

يقول برايان ميتزجر، أحد كبار العلماء في المركز وعضو هيئة التدريس بجامعة كولومبيا: "هذه هي المرة الثانية فقط التي نرى فيها أدلة مباشرة على مكان تشكل هذه العناصر". "وهذه قفزة كبيرة في فهم كيفية تشكل العناصر الثقيلة."

العناصر المحيطة بنا لم تكن دائما في مكانها: الهيدروجين والهيليوم وبعض الليثيوم تم إنشاؤها في الانفجار الكبير، ولكن جميع العناصر الأخرى تقريبا تم إنشاؤها داخل النجوم أثناء حياتها أو وفاتها العنيفة. يتم إنشاء العناصر الأثقل من الحديد في عمليات "التقاط النيوترونات السريع" (عملية r) التي تحدث فقط في البيئات القاسية حيث يوجد فائض من النيوترونات الحرة. حتى الآن، افترض العلماء أن مواقع عملية r الرئيسية هي المستعرات العظمى واصطدامات النجوم النيوترونية.

أظهرت الملاحظات التي أجريت عام 2017 أن اصطدام نجمين نيوترونيين يخلق بيئة مناسبة لعملية r، ولكن كثافة الحدث المنخفضة لم تكن كافية لتفسير جميع العناصر الثقيلة في المجرة. وحتى في ذلك الوقت، كان هناك افتراض بأن النجوم المغناطيسية قد تقدم مساهمة كبيرة.

كيف تُنتج التوهجات المغناطيسية معادن ثقيلة

في عام 2024، حسب ميتزجر وزملاؤه أن التوهجات العملاقة قد تقذف المواد من قشرة النجم المغناطيسي إلى الفضاء، حيث قد يكون من الممكن أن تنتج تفاعلات عملية r عناصر ثقيلة. يقول أنيرود باتيل، طالب الدكتوراه في جامعة كولومبيا وقائد الدراسة الجديدة: "من المدهش أن نعتقد أن بعض المعادن الثمينة المثبتة في هواتفنا وأجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا تم إنشاؤها في ظل مثل هذه الظروف القاسية".

وتظهر النماذج أن الوهج ينتج نوى مشعة ثقيلة يؤدي تحللها إلى عناصر مستقرة مثل الذهب، وإلى انبعاث هالة من أشعة جاما، مما جعل من الممكن - في الماضي - تحديد العملية.

رسالة منسية يتم إعادة تفسيرها

وفي عام 2024، قام الباحثون أيضًا بتحليل انفجار أشعة غاما الإضافي الذي تم اكتشافه في عام 2004، واتضح أن هذا هو الإشعاع الناتج عن تحلل النوى المشعة الناتجة عن الانفجار. ويقول ميتزجر: "لقد تم نسيان هذه الحالة على مر السنين، لكن نماذجنا تطابقت مع هذه الإشارة تمامًا".

وبناء على بيانات عام 2004، يقدر الباحثون أن الوهج أنتج نحو 2 مليون مليار تريليون كيلوغرام من العناصر الثقيلة (حوالي كتلة المريخ). ومن هذا نستنتج أن ما بين 1% إلى 10% من جميع عناصر عملية r في مجرتنا تم إنشاؤها في التوهجات المغناطيسية. وقد تأتي النسبة المتبقية من الاصطدامات، ولكن مع وجود وهج واحد فقط واصطدام واحد موثق، فمن الصعب تحديد التوزيع الدقيق.

الصلة بالتاريخ المجري المبكر

ويضيف باتيل: "الأمر المثير للاهتمام هو أن مثل هذه الانفجارات العملاقة يمكن أن تحدث في وقت مبكر من تاريخ المجرة". "قد يفسرون لماذا تحتوي المجرات الصغيرة على عناصر أثقل من تلك التي تنتجها تصادمات النجوم النيوترونية وحدها."

وستساعد الملاحظات المستقبلية التي ستتم بواسطة التلسكوبات المتخصصة، مثل مطياف كومبتون التابع لوكالة ناسا، والذي سيتم إطلاقه في عام 2027، في التقاط المزيد من التوهجات في الوقت الحقيقي. ومع ذلك، لتأكيد عملية r، يجب توجيه تلسكوب فوق بنفسجي نحو المصدر خلال 10 إلى 15 دقيقة من اكتشاف أشعة جاما - وهو تحد علمي يتطلب استجابة فورية.

للمادة العلمية