أصول الذهب الكوني من النجوم المغناطيسية

يحاول علماء الفلك تحديد الأصول الكونية لأثقل العناصر، مثل الذهب، منذ عقود. والآن، قد يشير بحث جديد يستند إلى إشارة تم الكشف عنها في بيانات البعثات الفضائية الأرشيفية إلى دليل محتمل: النجوم المغناطيسية، أو النجوم النيوترونية الممغنطة للغاية.

يعتقد العلماء أن العناصر الأخف وزناً مثل الهيدروجين والهيليوم، وحتى كمية صغيرة من الليثيوم، من المحتمل أن تكون موجودة في وقت مبكر بعد الانفجار الكبير الذي خلق الكون قبل 13.8 مليار سنة.

بعد ذلك، أطلقت النجوم المنفجرة عناصر أثقل مثل الحديد، والتي أصبحت مدمجة في النجوم والكواكب حديثة الولادة. لكن توزع الذهب، وهو أثقل من الحديد، في جميع أنحاء الكون شكّل لغزاً لعلماء الفيزياء الفلكية.

قال أنيرود باتيل، المؤلف الرئيسي للدراسة التي نُشرت يوم الثلاثاء في المجلة الفيزيائية الفلكية رسائل وطالب الدكتوراه في الفيزياء في جامعة كولومبيا في مدينة نيويورك، في بيان: "إنه سؤال أساسي جداً فيما يتعلق بأصل المادة المعقدة في الكون". "إنها أحجية ممتعة لم يتم حلها بالفعل."

في السابق، كان الإنتاج الكوني للذهب مرتبطاً فقط بتصادمات النجوم النيوترونية.

رصد علماء الفلك تصادم بين نجمين نيوترونيين في عام 2017. وأطلق هذا التصادم الكارثي تموجات في الزمكان، تُعرف باسم موجات الجاذبية، بالإضافة إلى ضوء من انفجار أشعة جاما. كما أدى حدث التصادم، المعروف باسم الكيلونوفا، إلى نشوء عناصر ثقيلة مثل الذهب والبلاتين والرصاص. وقد تم تشبيه الكيلونوفا بـ"مصانع" الذهب في الفضاء.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة إريك بيرنز، الأستاذ المساعد وعالم الفيزياء الفلكية في جامعة ولاية لويزيانا في باتون روج، إنه يُعتقد أن معظم عمليات اندماج النجوم النيوترونية حدثت فقط في السنوات العديدة الماضية.

لكن البيانات التي لم تكن مفهومة في السابق والتي تعود إلى 20 عاماً من تلسكوبات ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية تشير إلى أن التوهجات من النجوم المغناطيسية التي تشكلت قبل ذلك بكثير -خلال بدايات الكون- ربما وفرت طريقة أخرى لتكوين الذهب، كما قال بيرنز.

الزلازل على النجوم

النجوم النيوترونية هي بقايا النوى من النجوم المنفجرة، وهي كثيفة جداً لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادة النجم تزن مليار طن على الأرض. والنجوم المغناطيسية هي نوع شديد السطوع من النجوم النيوترونية ذات المجال المغناطيسي القوي للغاية.

لا يزال علماء الفلك يحاولون معرفة كيفية تشكل النجوم المغناطيسية بالضبط، لكنهم يفترضون أن النجوم المغناطيسية الأولى ظهرت على الأرجح بعد النجوم الأولى مباشرة في غضون حوالي 200 مليون سنة من بداية الكون، أو قبل حوالي 13.6 مليار سنة، كما قال بيرنز.

في بعض الأحيان، تطلق النجوم المغناطيسية من حين لآخر، وفرة من الإشعاع بسبب "الهزات النجمية".

على الأرض، تحدث الزلازل لأن نواة الأرض المنصهرة تسبب حركة في قشرة الكوكب، وعندما يتراكم ما يكفي من الضغط، ينتج عن ذلك حركة متقلبة، أو زلزال الأرض تحت قدميك. قال بيرنز إن الزلازل النجمية متشابهة.

وقال بيرنز في رسالة بالبريد الإلكتروني: "النجوم النيوترونية لها قشرة ونواة فائقة السيولة". "تؤدي الحركة تحت السطح إلى زيادة الضغط على السطح، مما قد يؤدي في النهاية إلى حدوث زلزال نجمي. في النجوم المغناطيسية تنتج هذه الزلازل النجمية رشقات قصيرة جداً من الأشعة السينية. تماماً كما هو الحال على الأرض، (يكون لديك) فترات يكون فيها نجم معين نشطاً بشكل خاص، حيث ينتج مئات أو آلاف التوهجات في غضون أسابيع قليلة. وبالمثل، يحدث بين الحين والآخر زلزال قوي بشكل خاص."

قال باتل إن الباحثين وجدوا أدلة تشير إلى أن النجم المغناطيسي يطلق المواد أثناء التوهج العملاق، لكنهم لم يجدوا تفسيراً فيزيائياً لقذف كتلة النجم.

ومن المرجح أن التوهجات تسخن وتقذف مادة القشرة الأرضية بسرعات عالية، وفقاً لـ بحث حديث أجراه العديد من المشاركين في الدراسة الجديدة، بما في ذلك مستشار باتيل براين ميتزجر، أستاذ الفيزياء في جامعة كولومبيا وكبير علماء الأبحاث في معهد فلاتيرون في مدينة نيويورك.

وقال باتيل: "لقد افترضوا أن الظروف الفيزيائية لهذا الطرد الكتلي المتفجر كانت واعدة لإنتاج العناصر الثقيلة".

Loading image...

تتبع إشارة نجمية

كان لدى فريق البحث فضول لمعرفة ما إذا كانت هناك علاقة بين الإشعاع الصادر من التوهجات النجمية المغناطيسية وتكوين العناصر الثقيلة. بحث العلماء عن أدلة في الأطوال الموجية للضوء المرئي وفوق البنفسجي. لكن بيرنز تساءل عمّا إذا كان التوهج قد يخلق أشعة غاما يمكن تتبعها أيضاً.

ونظر في بيانات أشعة جاما من آخر توهج مغناطيسي عملاق تم رصده، والذي ظهر في ديسمبر 2004، وتم التقاطه من قبل بعثة مختبر الفيزياء الفلكية لأشعة جاما المتقاعد الآن. قال بيرنز إن علماء الفلك قد وجدوا الإشارة ووصفوها، لكنهم لم يعرفوا كيفية تفسيرها في ذلك الوقت.

تطابق التنبؤ من النموذج الذي اقترحه بحث ميتزجر السابق بشكل وثيق مع الإشارة من بيانات عام 2004. كانت أشعة غاما تشبه ما اقترحه الفريق حول تكوّن وتوزيع العناصر الثقيلة في توهج نجم مغناطيسي عملاق.

كما دعمت البيانات المستقاة من جهاز RHESSI المتقاعد التابع لوكالة ناسا، أو جهاز التصوير الطيفي الشمسي عالي الطاقة "روفين راماتي" (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) والقمر الصناعي "ويند" النتائج التي توصل إليها الفريق. وقال بيرنز إن الأبحاث الطويلة الأمد الممولة فيدرالياً مكّنت هذا الاكتشاف.

"عندما قمنا في البداية ببناء نموذجنا ووضع توقعاتنا في ديسمبر 2024، لم يكن أي منا يعلم أن الإشارة موجودة بالفعل في البيانات. ولم يكن أحد منا يتخيل أن نماذجنا النظرية ستتناسب مع البيانات بشكل جيد. لقد كان موسم الأعياد مثيرًا للغاية بالنسبة لنا جميعًا". "إنه لأمر رائع للغاية أن أفكر كيف أن بعض الأشياء الموجودة في هاتفي أو حاسوبي المحمول قد تشكلت في هذا الانفجار الشديد (على مدار) تاريخ مجرتنا."

وقالت الدكتورة إليونورا تروجا، الأستاذة المشاركة في جامعة روما التي قادت اكتشاف الأشعة السينية المنبعثة من تصادم النجم النيوتروني في عام 2017، إن الدليل على تكوّن العناصر الثقيلة من حدث النجم المغناطيسي "لا يمكن مقارنته بأي حال من الأحوال بالأدلة التي جُمعت في عام 2017". لم يشارك تروجا في الدراسة الجديدة.

وقال تروجا: "إن إنتاج الذهب من هذا النجم المغناطيسي هو تفسير محتمل لتوهج أشعة غاما، وهو واحد من بين العديد من التفسيرات الأخرى كما تناقشه الورقة البحثية بصراحة في نهايتها".

وأضاف تروجا أن النجوم المغناطيسية "أجسام فوضوية للغاية". وبالنظر إلى أن إنتاج الذهب يمكن أن يكون عملية صعبة تتطلب ظروفاً معينة، فمن الممكن أن تضيف النجوم المغناطيسية الكثير من المكونات الخاطئة، مثل فائض الإلكترونات، إلى المزيج، مما ينتج عنه معادن خفيفة مثل الزركونيوم أو الفضة، بدلاً من الذهب أو اليورانيوم.

وقال تروجا: "لذلك، لن أذهب إلى حد القول بأنه تم اكتشاف مصدر جديد للذهب". "بل إن ما تم اقتراحه هو مسار بديل لإنتاجه."

يعتقد الباحثون أن التوهجات المغناطيسية العملاقة يمكن أن تكون مسؤولة عن ما يصل إلى 10% من العناصر الأثقل من الحديد في مجرة درب التبانة، ولكن يمكن أن توفر بعثة مستقبلية تقديراً أكثر دقة، كما قال باتيل.

ويمكن لبعثة كومبتون للمطياف والتصوير التابعة لناسا، أو COSI، المتوقع إطلاقها في عام 2027، متابعة نتائج الدراسة. تم تصميم التلسكوب واسع المجال لأشعة غاما لرصد التوهجات المغناطيسية العملاقة وتحديد العناصر المتولدة داخلها. وقال باتيل إن التلسكوب يمكن أن يساعد علماء الفلك في البحث عن مصادر محتملة أخرى للعناصر الثقيلة في جميع أنحاء الكون.