الأقزام البيضاء، والعناصر الثقيلة

ينتمي المستعر الأعظم SN 2005E إلى نوع جديد ونادر نسبيًا من النجوم المتفجرة. ويعتقد العلماء أن الضوء الضعيف نسبيًا لهذه المستعرات الأعظمية يجعل من الصعب اكتشافها، لكنها في الواقع كثيرة جدًا، ولها مساهمة كبيرة في تكوين عناصر معينة في الكون - خاصة الكالسيوم والتيتانيوم.

ليست كل الانفجارات متساوية. تنقسم النجوم التي تموت في انفجار عادة إلى مجموعتين: النجوم الشابة العملاقة التي تنهار تحت ثقلها الهائل وترمي طبقاتها الخارجية في كل مكان، والنجوم الأكبر سنا، التي لها كتلة مماثلة لكتلة شمسنا، والتي تخضع لهجوم نووي حراري. انفجار. لكن الانفجار النجمي المعروف باسم SN 2005E، الذي تم تسجيله في يناير 2005، لا يتناسب مع أي من هاتين المجموعتين. وذلك بحسب التحليل الذي أجراه الدكتور أفيشاي جال يام وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور حجاي بنيامين بيرتس من قسم فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية في معهد وايزمان للعلوم، وشركائهم البحثيين.

ووجد العلماء أن الانفجار لم يقذف سوى كمية صغيرة من المواد تعادل تقريبا ثلث كتلة شمسنا، وأنه حدث في مجرة ​​واحدة في منطقة لا تتشكل فيها النجوم. عند انفجار نجم عملاق تنبعث كمية أكبر بكثير من المادة، ومن الطبيعي أن يحدث ذلك في المنطقة التي تولد فيها النجوم (وذلك لأن النجوم العملاقة تتميز بعمر قصير، ولا تبتعد عن مكانها) مكان الميلاد). من ناحية أخرى، فإن الحدث أيضًا لا يتناسب مع نمط الانفجار النووي الحراري النموذجي: فقد أطلق القليل جدًا من الإشعاع، والمواد المتناثرة منه تضمنت عناصر ليست نموذجية للانفجارات النووية الحرارية الأخرى. وأظهر التحليل الطيفي للمادة المشتتة أنها تحتوي على خمسة إلى عشرة أضعاف الكالسيوم الموجود في انفجارات النجوم الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، يبدو أنه تم العثور هناك أيضًا على نسبة عالية نسبيًا من نظائر التيتانيوم المشعة، وفي مقال نشر في مجلة الطبيعة العلمية، ذكر الدكتور بيرتس والدكتور جال يام أن الانفجار غير العادي يتوافق مع نموذج في وهو نجم مدمج من النوع المسمى بالقزم الأبيض "يسرق" طبقة سميكة من الهيليوم من نجم مجاور. ووفقا لهذا النموذج، يتعرض النجم لنوع خاص من الانفجار النووي الحراري، الذي يدمر الهيليوم لكنه لا يدمر بقية القزم الأبيض. من ناحية أخرى، في نوع شائع من المستعرات الأعظم يسمى Ia، والذي يتضمن أيضًا قزمًا أبيض (يحتوي بشكل أساسي على الكربون والأكسجين)، ينفجر النجم إلى قطع بعد "سرقة" المواد من مضيفه.

قادت هذه النتائج العلماء إلى استنتاج مفاده أن المستعر الأعظم SN 2005E ينتمي إلى نوع جديد ونادر نسبيًا من النجوم المنفجرة. ويعتقد العلماء أن الضوء الضعيف نسبيا لهذه المستعرات الأعظمية يجعل من الصعب اكتشافها، لكنها في الواقع كثيرة جدا، ولها مساهمة كبيرة في خلق عناصر معينة في الكون - وخاصة الكالسيوم والتيتانيوم.

المجرات القزمة والنجوم العملاقة

ماذا يحدث عندما ينفجر نجم عملاق أكبر من شمسنا بمئات المرات؟ وقد تم تطوير نظرية في هذا الصدد منذ سنوات، لكن أول ملاحظة لمثل هذا الانفجار لم تتم إلا مؤخرًا، من قبل فريق من العلماء من إسرائيل وألمانيا والولايات المتحدة وإنجلترا والصين، بقيادة الدكتور أفيشي جال يام من معهد وايزمان للعلوم. وقد تابع الفريق مثل هذا الانفجار (المستعر الأعظم) لمدة عام ونصف، ووجد أن الرصد يتوافق مع التوقعات الناشئة عن نظرية انفجار النجوم التي تبلغ كتلتها 150 مرة أو أكثر كتلة شمسنا. هذه النتائج، التي قد توسع فهمنا فيما يتعلق بالحدود الطبيعية لحجم النجوم، وكذلك فيما يتعلق بعمليات خلق العناصر في الكون، نشرت مؤخرا في مجلة الطبيعة العلمية.

يقول الدكتور أفيشي جال يام من قسم فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية في معهد وايزمان للعلوم: "السر يكمن في التوازن". "خلال حياة النجم، يتم الحفاظ على التوازن بين قوة الجاذبية التي تسحب مادته إلى الداخل، والحرارة الناتجة عن التفاعل النووي في مركزه، والتي تدفع المادة إلى الخارج. في المستعرات الأعظمية التي نعرفها، تلك الموجودة في النجوم الأكبر بـ 100 إلى 10 مرة من شمسنا، يبدأ التفاعل النووي باندماج الهيدروجين في الهيليوم، كما هو الحال في شمسنا. لكن في النجوم التي ينفد فيها الهيدروجين، يستمر الاندماج النووي للعناصر الأثقل، حتى يتحول قلب النجم إلى الحديد. عند هذه النقطة، بما أن ذرات الحديد لا تندمج بسهولة، ينتهي التفاعل النووي، ويختل التوازن. وفي غياب القوة الدافعة نحو الخارج، تتولى الجاذبية زمام الأمور، وتنهار كتلة النجم نحو الداخل. وأثناء الانهيار، يتم إطلاق الكثير من الطاقة، مما يسبب انفجارًا، ويلقي النجم بطبقاته الخارجية في اتساع الكون".

لكن العملية الفيزيائية التي تحدث في النجم العملاق مختلفة. في هذه النجوم، تتولد الفوتونات (جسيمات الضوء) نشطة للغاية لدرجة أنها قد تندمج مع بعضها البعض وتشكل أزواجًا من الجسيمات: الإلكترونات والجسيمات المقابلة لها، البوزيترونات. أي أن الجسيمات ذات الكتلة (الإلكترونات والبوزيترونات) تنشأ من الفوتونات التي ليس لها كتلة، والتي تستمد الطاقة من النجم. مرة أخرى، اختل التوازن، لكن هذه المرة ينهار النجم في مرحلة يتكون قلبه فيها من الأكسجين، وليس الحديد. ينفجر الأكسجين الساخن المضغوط في تفاعل نووي حراري سريع يدمر مركز النجم بالكامل، تاركًا وراءه غبار النجوم المتوهج فقط. "تم حساب نماذج "المستعرات الأعظمية المزدوجة" منذ عقود، على سبيل المثال من قبل البروفيسور زلمان بركات والبروفيسور جدعون رافافي من الجامعة العبرية، والبروفيسور غيورا شابيف من التخنيون"، يقول الدكتور غال يام، "ولكن لا أحد عرف ما إذا كانت الانفجارات الضخمة تحدث بالفعل في الطبيعة. المستعر الأعظم الجديد الذي اكتشفناه يناسب هذه النماذج."

ومن خلال تحليل المعلومات التي جمعوها من المستعر الأعظم الجديد، قدر العلماء حجم النجم، ووجدوا أن كتلته أكبر بحوالي 200 مرة من كتلة الشمس. وهذه النتيجة مثيرة للاهتمام بشكل خاص، لأنه حتى الآن يعتقد العديد من العلماء أنه لا توجد في الجزء الذي نعيش فيه من الكون نجوم يتجاوز حجمها حوالي 150 كتلة شمسية، ومن الممكن أن يكون هناك قيد فيزيائي معين يحد من مدى النجوم. تشير النتائج التي توصل إليها بحث الدكتور جال يام وشركائه في البحث إلى أن النجوم العملاقة نادرة بالفعل، لكنها موجودة. بل إنه من الممكن أن تكون هناك نجوم أكبر حجمًا - يصل حجمها إلى 1,000 مرة حجم الشمس - موجودة في الكون الشاب. يقول الدكتور باولو مازالي من معهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية في ألمانيا، الذي قاد الدراسة النظرية للانفجار: "هذه هي المرة الأولى التي تمكنا فيها من تحليل ملاحظات مثل هذا النجم الضخم المتفجر". "لقد تمكنا من قياس كميات العناصر الجديدة التي نشأت في هذا الانفجار، بما في ذلك النيكل المشع المتشكل حديثًا، والذي تبلغ كتلته أكثر من خمسة أضعاف كتلة الشمس. وقد تكون مثل هذه الانفجارات "مصانع" مهمة لإنتاج المعادن الثقيلة في الكون". يقع المستعر الأعظم العملاق المرصود في مجرة ​​صغيرة، لا يتجاوز حجمها جزءًا من مائة من حجم مجرتنا. ويعتقد العلماء أن مثل هذه المجرات القزمة قد تكون -لأسباب مختلفة- موطنًا لمثل هذه النجوم العملاقة. الدكتور جال يام: "إن اكتشاف وتحليل هذا الانفجار الفريد أعطانا رؤى جديدة حول الأبعاد القصوى التي يمكن أن تصل إليها مثل هذه النجوم الضخمة، والطريقة التي تساهم بها هذه النجوم العملاقة في تكوين العناصر الموجودة في عالمنا. ونأمل أن نوسع فهمنا إلى أبعد من ذلك عندما نجد أمثلة جديدة لمثل هذه النجوم. ولتحقيق هذه الغاية، بدأنا مؤخرًا إجراء مسوحات جديدة في مناطق كبيرة وغير معروفة من الكون".