عندما تصطدم النجوم النيوترونية، فإنها تنتج انفجاراً، على عكس ما كان يعتقد حتى وقت قريب، يكون هذا الانفجار على شكل كرة مثالية. على الرغم من أن إمكانية تحقيق هذا الشكل الكروي لا تزال لغزاً بالنسبة إلى علماء الفيزياء، إلا أن الاكتشاف قد يوفر مفتاحاً جديداً للفيزياء الأساسية وقياس عمر الكون. تم الاكتشاف من قبل علماء الفيزياء الفلكية من جامعة كوبنهاغن وتم نشره للتو في مجلة Nature.
كيلونوفا هي الانفجارات العملاقة التي تحدث عندما يدور نجمان نيوترونيان حول بعضهما البعض ويصطدمان أخيراً - هي المسؤولة عن تكوين أشياء كبيرة وصغيرة في الكون، من الثقوب السوداء إلى الذرات الموجودة في الحلقة الذهبية بإصبعك واليود في أجسامنا. إنها تؤدي إلى أقصى الظروف الفيزيائية في الكون، وفي ظل هذه الظروف القاسية، يخلق الكون أثقل عناصر الجدول الدوري، مثل الذهب والبلاتين واليورانيوم.
لكن لا يزال هناك الكثير مما لا نعرفه عن هذه الظاهرة العنيفة. عندما تم اكتشاف كيلونوفا على بعد 140 مليون سنة ضوئية في عام 2017، كانت هذه هي المرة الأولى التي يتمكن فيها العلماء من جمع بيانات مفصلة. لا يزال العلماء في جميع أنحاء العالم يفسرون البيانات من هذا الانفجار الهائل، بما في ذلك ألبرت سنيبين وداراتش واتسون من جامعة كوبنهاغن، اللذان قاما باكتشاف مفاجئ.
"لديك نجمان مضغوطان للغاية يدوران حول بعضهما البعض 100 مرة في الثانية قبل الانهيار. يقول حدسنا، وجميع النماذج السابقة، إن سحابة الانفجار الناتجة عن الاصطدام يجب أن يكون لها شكل مسطح وغير متماثل إلى حد ما"، كما يقول ألبرت سنيبين، طالب الدكتوراه في معهد نيلز بور والمؤلف الأول للدراسة المنشورة في مجلة Nature.
لهذا السبب فوجئ هو وزملاؤه في البحث عندما اكتشفوا أن هذا ليس هو الحال على الإطلاق بالنسبة إلى كيلونوفا من عام 2017. إنه متماثل تماماً وله شكل قريب من الكرة المثالية.
لم يتوقع أحد أن يبدو الانفجار هكذا. ليس من المنطقي أن يكون كروياً، لكن حساباتنا تظهر ذلك بوضوح. ربما يعني هذا أن النظريات والمحاكاة الخاصة بالكيلونوفا التي كنا ندرسها على مدار الـ 25 عاماً الماضية، تفتقر إلى فيزياء مهمة، كما يقول داراش واتسون، الأستاذ المشارك في معهد نيلز بور والمؤلف الثاني في الدراسة.
لغز الشكل الكروي
لكن كيف يمكن أن يكون الكيلونوفا كروياً هو لغز حقيقي. وفقاً للباحثين، يجب أن تكون هناك فيزياء غير متوقعة:
"الطريقة الأكثر ترجيحاً لجعل الانفجار كروياً، هي إذا انفجرت كمية هائلة من الطاقة من مركز الانفجار، وإلا لكان شكل الانفجار غير متماثل. لذا يخبرنا الشكل الكروي أنه من المحتمل أن يكون هناك قدر كبير من الطاقة في قلب الاصطدام، وهو أمر غير متوقع" كما يقول ألبرت سنيبين.
عندما تصطدم النجوم النيوترونية، فإنها تتحد لفترة وجيزة كنجم نيوتروني واحد مفرط الكتلة، والذي ينهار بعد ذلك متحولاً إلى ثقب أسود. يتكهن الباحثون فيما إذا كان هذا الانهيار هو السبب في إخفاء جزء كبير من السر: "ربما يتم إنشاء نوع من "القنبلة المغناطيسية" في اللحظة التي يتم فيها إطلاق الطاقة من المجال المغناطيسي الهائل للنجم النيوتروني الهائل عندما ينهار النجم في ثقب أسود. يمكن أن يتسبب إطلاق الطاقة المغناطيسية في توزيع المادة الموجودة في الانفجار بشكل كروي أكثر. في هذه الحالة، قد تكون ولادة الثقب الأسود نشطة للغاية" كما يقول داراتش واتسون.
ومع ذلك، فإن هذه النظرية لا تفسر جانباً آخر من اكتشافات الباحثين. وفقاً للنماذج السابقة، في حين أن جميع العناصر المنتجة أثقل من الحديد، فإن العناصر الثقيلة للغاية، مثل الذهب أو اليورانيوم، يجب أن تتشكل في أماكن مختلفة في الكيلونوفا عن العناصر الأخف مثل السترونتيوم أو الكريبتون، ويجب طردها في اتجاهات مختلفة. من ناحية أخرى اكتشف الباحثون العناصر الأخف فقط التي يتم توزيعها بالتساوي في الفضاء. لذلك فهم يعتقدون أن الجسيمات الأولية الغامضة، النيوترينوات، التي لا يزال الكثير غير معروف عنها، تلعب أيضاً دوراً رئيسياً في هذه الظاهرة.
"الفكرة البديلة هي أنه في غضون جزء من الثانية من حياة النجم النيوتروني فائق الكتلة، فإنه ينبعث بقوة كبيرة، وربما يتضمن عدداً كبيراً من النيوترينوات. يمكن أن تتسبب النيوترينوات في تحويل النيوترونات إلى بروتونات وإلكترونات، وبالتالي تخلق عناصر أخف بشكل عام. هذه الفكرة فيها أيضاً عيوب، لكننا نعتقد الآن أن النيوترينوات تلعب دوراً أكثر أهمية مما كنا نعتقد" كما يقول ألبرت سنيبين.
مسطرة كونية جديدة
شكل الانفجار مثير أيضاً لسبب مختلف تماماً. هناك قدر كبير من النقاش بين علماء الفيزياء الفلكية حول مدى سرعة توسع الكون. تخبرنا السرعة، من بين أشياء أخرى، عن عمر الكون. والطريقتان الموجودتان لقياسه يختلفان بنحو مليار سنة. هنا قد يكون لدينا طريقة ثالثة يمكن أن تكمل القياسات الأخرى ونختبرها مقابل القياسات الأخرى، كما يقول ألبرت سنيبين.
ما يسمى بـ "سلم المسافة الكونية" هو الطريقة المستخدمة اليوم لقياس مدى سرعة نمو الكون. يتم ذلك ببساطة عن طريق حساب المسافة بين الأجسام المختلفة في الكون، والتي تعمل كدرجات على السلم.
يقول داراتش واتسون: "إذا كانت ساطعة وكروية في الغالب، وإذا عرفنا مدى بُعدها، فيمكننا استخدام كيلونوفا كطريقة جديدة لقياس المسافة بشكل مستقل - نوع جديد من المسطرة الكونية"، ويتابع: "إن معرفة الشكل أمر بالغ الأهمية هنا، لأنه إذا كان لديك جسم غير كروي، فإنه ينبعث بشكل مختلف، اعتماداً على زاوية الرؤية الخاصة بك. يوفر الانفجار الكروي دقة أكبر في القياس".
ويؤكد أن هذا يتطلب بيانات من المزيد من كيلونوفا. ويتوقعون أن تكتشف مراصد ليغو المزيد من كيلونوفا في السنوات القادمة.
تم إجراء التحليلات على بيانات من kilonova AT2017gfo من عام 2017. هذه البيانات هي الأشعة فوق البنفسجية والضوء البصري والأشعة تحت الحمراء من مطياف X-shooter على التلسكوب الكبير جداً في المرصد الأوروبي الجنوبي، جنباً إلى جنب مع التحليلات السابقة لموجات الجاذبية وموجات الراديو والبيانات من تلسكوب هابل الفضائي.
ظاهرة كيلونوفا
النجوم النيوترونية هي نجوم مضغوطة للغاية تتكون أساساً من النيوترونات. يبلغ قطرها حوالي 20 كيلومتراً فقط، ولكن يمكن أن تزن مرة ونصف إلى مرتين من وزن الشمس. يمكن أن تزن ملعقة صغيرة من مادة النجوم النيوترونية بقدر ما يزن جبل إيفرست.
عندما يصطدم نجمان نيوترونيان، تحدث ظاهرة كيلونوفا. هذا هو اسم الانفجار الهائل الذي أحدثه الاندماج. إنها كرة نارية مشعة تتوسع بسرعة هائلة، وتتكون في الغالب من عناصر ثقيلة تشكلت في الاندماج وعواقبه - العناصر الأخف وزناً والثقيلة جداً - والتي يتم إخراجها في الفضاء.
تم التنبؤ بالظاهرة في عام 1974 وتم رصدها وتحديدها بوضوح لأول مرة في عام 2013. في عام 2017 تم الحصول على بيانات مفصلة من كيلونوفا لأول مرة، عندما نجحت كاشفات LIGO (في الولايات المتحدة الأمريكية) و Virgo (في أوروبا) بشكل مثير في قياس جاذبية موجات من كيلونوفا AT2017gfo ، التي كانت في مجرة تبعد 140 مليون سنة ضوئية.
----