الانفجارات الطويلة جدًا تتحدى نظرياتنا حول الكوارث الكونية | مجلة كوانتا

في 11 ديسمبر 2021، اصطدم شعاع من أشعة جاما – وهو الشكل الأكثر نشاطًا للضوء – بالقمر الصناعي سويفت التابع لناسا. وفي غضون 120 ثانية، استدار القمر الصناعي نحو الانفجار ورصد الجمر المتوهج لكارثة كونية. وبعد عشر دقائق، انطلقت التنبيهات إلى علماء الفلك حول العالم.

من بينهم كان جيليان راستينجاد، طالب دراسات عليا في جامعة نورث وسترن. بالنسبة لرستنيجاد ومعاونيها، بدا انفجار أشعة جاما هذا مشابهًا بشكل غريب لانفجار غير عادي من عام 2006. استدعى راستنجاد مرصد جيميني في هاواي، وقام بتجنيد الباحثين هناك للتحديق بعمق في رقعة السماء التي جاء منها الانفجار. وبعد بضعة أيام، عندما بدأت الغيوم في الظهور، تولت باحثة في مرصد MMT في أريزونا المهمة، وبذلت قصارى جهدها لإبقاء التلسكوب موجهًا على بقعة الضوء المتلاشية على بعد مليار سنة ضوئية.

وقال راستنجاد إن ذلك لم يكن بالأمر الهين بالنظر إلى أن الطقس كان يتقلب هناك أيضاً. "لقد وجدت لنا ثقبًا في السحب حوالي الساعة الرابعة صباحًا كل يوم."

وبحلول الوقت الذي انتهت فيه سلسلة الملاحظات بعد أسبوع أو نحو ذلك، كان لدى راستنجاد وزملائها فكرة جيدة عن السبب الذي أطلق أشعة جاما تلك عبر الكون. وبينما كانوا يشاهدون، أصبحت آثار الانفجار أكثر احمرارًا - وهي علامة لا لبس فيها على أنه في الحطام، تم تشكيل ذرات ثقيلة مثل الذهب والبلاتين. المصدر الرئيسي لهذه الخيمياء الكونية هو الاصطدامات التي تشمل النجوم النيوترونية، وهي النوى الكثيفة بشكل لا يمكن تصوره للشمس الميتة.

المشكلة الوحيدة هي أن مثل هذا الاستنتاج بدا مستحيلاً. يعتقد علماء الفيزياء الفلكية أنه عندما تندمج النجوم النيوترونية، فإن الأمر كله ينتهي في جزء من الثانية. لكن سويفت سجل قصفًا لأشعة جاما استمر لمدة 51 ثانية لا نهاية لها نسبيًا، وهي عادة علامة على نوع مختلف تمامًا من الدراما الكونية.

ومنذ ذلك الحين، حدد علماء الفلك المزيد من الأحداث المشابهة. حدث آخرها في شهر مارس، عندما استمر ثاني ألمع انفجار لأشعة جاما تم اكتشافه على الإطلاق لمدة 35 ثانية. مرة أخرى، لاحظ علماء الفلك الآثار الحمراء لاصطدام نجم نيوتروني. كما قاموا بتجنيد تلسكوب جيمس ويب الفضائي لدراسة الانفجار الغريب ورصدت علامات وجود عنصر التيلوريوم الثقيل في الغبار المترسب.

تجلب سلسلة الملاحظات معًا لغزًا جديدًا إلى مجال من علم الفلك اعتبره معظم الباحثين مستقرًا: ما الذي يجعل هذه الأحداث العنيفة المفترضة السريعة تطلق أشعة جاما لفترة طويلة؟ إنه لغز سيتعين على علماء الفيزياء الفلكية حله إذا أرادوا تحقيق الهدف الأكثر طموحًا المتمثل في فهم أصول جميع العناصر المختلفة في الكون، والتي يولد الكثير منها من هذه الانفجارات العنيفة.

قال: "لقد كنت متحمسًا حقًا لرؤية هذا". دانييل كاسن، عالم فيزياء فلكية بجامعة كاليفورنيا في بيركلي ومتخصص في الانفجارات الكونية. "لقد شكل لغزًا حقيقيًا."

الحرب الباردة والانفجارات الرائعة

واليوم، يلتقط سويفت انفجارًا لأشعة جاما كل بضعة أيام. لكن الانفجارات لم تكن معروفة حتى ذروة الحرب الباردة، عندما ظهرت من العدم. في الستينيات، أطلقت القوات الجوية الأمريكية الأقمار الصناعية فيلا للتأكد من التزام الاتحاد السوفيتي بحظر تجارب الأسلحة النووية. إذا قام السوفييت بتفجير قنبلة نووية في الفضاء، فسيكون من المستحيل إخفاء وميض أشعة جاما الناتج - موجات ضوئية نشطة قصيرة مثل نواة الذرة -.

ولم تكتشف الأقمار الصناعية أي انتهاكات سوفيتية. لكن بين عامي 1969 و1972، تزايدت هذه الظاهرة 16 ومضات غامضة من أشعة جاما التي قرر الباحثون في مختبر لوس ألاموس الوطني أنها ذات "أصل كوني".

وفي العقود التالية، تولت وكالة ناسا التحقيق. أطلقت وكالة الفضاء أ قمر صناعي مخصص لصيد الانفجارات وفي عام 1991، وعلى مدى السنوات التسع التالية، اكتشف ما يقرب من 3,000 انفجار من أشعة جاما. وجاءت الأحداث على نوعين: قصيرة وطويلة. استمرت معظم الدفقات القصيرة لمدة أقل من ثانية، في حين استمرت العديد من الدفقات الطويلة لمدة دقيقة أو أكثر (يأتي الخط الفاصل بين النكهتين في حوالي ثانيتين).

أيًا كان السبب وراء هذه الانفجارات فقد بدا كارثيًا؛ وفي أقل من نصف مدة أغنية البوب، أصدرت طاقة تعادل ما تنتجه شمسنا على مدى مليارات السنين. ما الذي يمكن أن يتوهج بهذه السطوع؟ لم يكن علماء الفيزياء الفلكية متأكدين في البداية، لكن الطاقات الهائلة المعنية أشارت إلى كوارث نهاية العالم. وألمحت الفترتان إلى نوعين من الكوارث، واحدة أسرع تدوم حوالي ثانية واحدة وواحدة أبطأ (إلى حد ما) تتكشف على مدار دقيقة.

اكتشف علماء الفلك أصل الانفجارات الأبطأ أولاً. في أواخر التسعينيات، عندما تحسن الباحثون في تحديد الاتجاه الذي جاءت منه الانفجارات، بدأوا في التقاط الشفق الذي يشير إلى انفجارات كونية. ثم، في عام 1990، شاهد علماء الفلك وهم يراقبون شفقًا قريبًا الألعاب النارية الرائعة من المستعر الأعظم بعد أيام فقط من انفجار طويل لأشعة جاما: كان الانفجار بمثابة إشارة إلى المرحلة الأولى من موت نجم عملاق.

إن فهم الكارثة الأسرع سيستغرق عقدًا آخر وأدوات أكثر دقة. أثبتت أداة الاختراق أنها القمر الصناعي سويفت التابع لناسا. تم إطلاق سويفت في عام 2004، وهو يتميز بلوحة رصاص منقوشة بطول متر يمكنها التقاط أشعة جاما من مساحة واسعة من السماء. والأهم من ذلك، أنها تمتلك أيضًا قدرة فريدة على تدوير زوج من التلسكوبات الموجودة على متنها بسرعة في اتجاه أي انفجارات فلكية. (وفقًا للتقاليد بين علماء سويفت، تم تطوير تقنية التوجيه والإطلاق هذه جزئيًا لمشروع دفاعي آخر من الحرب الباردة: مبادرة الدفاع الاستراتيجي لرونالد ريغان - المعروفة بشكل غير رسمي باسم "حرب النجوم" - والتي كانت تهدف إلى إسقاط الصواريخ النووية في منتصف الرحلة. )

باستخدام سويفت، أصبح بإمكان علماء الفلك الآن رؤية انفجار في غضون دقيقتين، وهي سرعة كافية لالتقاط الشفق الناتج عن انفجارات أشعة غاما القصيرة لأول مرة. أثناء مشاهدة الوميض الأولي يتلاشى، رأى علماء الفلك أيضًا علامات على حدوث انفجار تلا ذلك، وهو انفجار أصبح أكثر احمرارًا بمرور الوقت. وسرعان ما حسب علماء الفيزياء الفلكية أن هذا الاحمرار كان متوقعًا بعد اندماج نجم نيوتروني (والذي يمكن أن يكون اصطدامًا بين نجمين نيوترونيين أو بين نجم نيوتروني وثقب أسود). مثل هذا الاصطدام من شأنه أن يطرد الحطام الذي يحجب الأطوال الموجية الأقصر والأكثر زرقة للضوء. إن مطابقة تلك الانفجارات، التي يطلق عليها اسم الكيلونوفا، مع ومضات أشعة غاما القصيرة التي سبقتها، قدمت دليلا ظرفيا قويا على أن اندماج النجوم النيوترونية كان بمثابة الكارثة القصيرة.

أدلة مباشرة جاء ذلك في 17 أغسطس 2017. اصطدم نجمان نيوترونيان قريبان وهزا نسيج الزمكان، مما أدى إلى إنتاج موجات جاذبية يمكن لمرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) اكتشافها. ومن خلال قراءة المعلومات المشفرة في تلك التموجات، قام العلماء لاحقًا بحساب كتل الأجسام المتصادمة ومعرفة أنها كانت نجومًا نيوترونية. بعد وصول موجات الجاذبية مباشرة، التقط تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي انفجارًا لأشعة جاما مدته ثانيتان. وفي الأيام التالية، رأى علماء الفلك احمرار الكيلونوفا في نفس المكان الذي انفجرت فيه أشعة جاما. ال ثلاث ملاحظات متتالية لم يترك مجالًا كبيرًا للشك: يمكن أن تأتي الانفجارات القصيرة من اندماج النجوم النيوترونية.

قال: "لقد عزز هذا كل شيء". بريان ميتزجر، عالم فيزياء فلكية في جامعة كولومبيا وأحد المنظرين الذين توقعوا لأول مرة الشكل الذي ستبدو عليه الكيلونوفا بعد الاندماج. "[كنا نظن] حسنًا، هذه الصورة منطقية حقًا.""

وقد بدأت هذه الصورة تتكسر الآن.

تطور الفصل الثالث

في البداية جاء رستنجاد انفجار مدته 51 ثانية في أواخر عام 2021. بدا الأمر أشبه بانفجار قريب طويل من عام 2006، والذي بدا، على نحو محير، وكأنه يفتقر إلى المستعر الأعظم. ولكن باستخدام الأدوات الحديثة والفهم الأعمق لما يجب البحث عنه، تمكن راستنجاد وزملاؤه من رؤية ما لم يتمكن علماء الفلك في عام 2006 من رؤيته: أعقب انفجار 2021 كيلونوفا حمراء خافتة.

حفزت هذه الملاحظة أندرو ليفان من جامعة رادبود لإعادة النظر في انفجار غامض مدته 64 ثانية كان محيرًا بشأنه منذ عام 2019. وقد انفجر الانفجار في قلب مجرة ​​قديمة حيث توقفت ولادة النجوم وموتها (على شكل مستعرات أعظم) منذ دهور. فى يونيو، جادل ليفان ومعاونوه أن التفسير الأكثر ترجيحًا لانفجارها الطويل هو أن جثتين نجميتين - واحدة منهما على الأقل ربما كانت نجمًا نيوترونيًا - قد وجدتا بعضهما البعض واندمجتا.

والآن، قدم تلسكوب جيمس ويب الفضائي أوضح رؤية حتى الآن لما يأتي بعد انفجار غير طبيعي. عندما وصل الانفجار الذي استغرق 35 ثانية إلى الأرض في 7 مارس، كانت لوحة سويفت المستشعرة لأشعة غاما تواجه اتجاهًا مختلفًا. تم اكتشاف الأشعة النشطة بشكل رئيسي بواسطة فيرمي، الذي ربطها بأنها ثاني ألمع انفجار لأشعة جاما على الإطلاق (بعد حدث تسجيل الأرقام القياسية في 2022).

بدلًا من سويفت، استخدم علماء الفلك أسطولًا من المركبات الفضائية بين الكواكب (بما في ذلك مجسات المريخ وعطارد) لتحديد موقع الانفجار. في الأيام التي تلت ذلك، عندما رصدت التلسكوبات الموجودة على الأرض مرة أخرى احمرارًا مميزًا للكيلونوفا، أطلق ليفان بسرعة طلبًا طارئًا لمراقبة الحدث في الوقت الفعلي تقريبًا بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي. قال ليفان: “لحسن الحظ بالنسبة لنا، قالوا نعم”. "لقد سمح لنا ذلك بالحصول على تلك الملاحظات بعد حوالي شهر من الانفجار الأولي".

قام تلسكوب جيمس ويب الفضائي بجمع كمية كبيرة من البيانات من حقل الحطام المتصاعد. لا تستطيع التلسكوبات البصرية الرؤية بعمق في سحابة الكيلونوفا السميكة، وذلك على وجه التحديد للسبب الذي جعل هذا الحدث يأسر علماء الفيزياء الفلكية: فهو يقذف ذرات عملاقة تحجب الضوء من خلال سلسلة غامضة من الأحداث المعروفة باسم r-عملية.

تقوم النجوم عادةً بدمج ذرات الهيدروجين لتكوين الهيليوم، ثم تقوم لاحقًا بدمج الذرات الأخف في ذرات أثقل إلى حد ما مثل الأكسجين والكربون. ال rإن العملية هي إحدى الطرق الوحيدة للقفز مباشرة إلى أثقل العناصر الموجودة في الطبيعة. وذلك لأن اصطدام نجم نيوتروني يخلق دوامة كثيفة من النيوترونات. وفي ظل هذه الفوضى، تشق النيوترونات طريقها بشكل متكرر إلى النوى الذرية، لتشكل ذرات غير مستقرة ومشعة إلى حد كبير. وعندما تتحلل النيوترونات الموجودة في هذه الذرات، فإنها تتحول إلى بروتونات. إذا حصلت على 78 بروتونًا، فهذه ذرة بلاتين. إذا حصلت على 79 بروتونًا، فهذا ذهب.

تعمل الذرات الضخمة التي تشكلها غبار النجم النيوتروني على حجب الضوء المرئي وتألق في الغالب في ضوء الأشعة تحت الحمراء. ولهذا السبب كان تلسكوب جيمس ويب الفضائي - وهو تلسكوب يعمل بالأشعة تحت الحمراء - مناسبًا تمامًا للنظر في سحابة كيلونوفا. وقال ميتزجر: "لم نرصد كيلونوفا باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي من قبل". "إنها الأداة المثالية."

في الحطام، رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي ذرات التيلوريوم (52 بروتونًا)، مما يؤكد أن اندماج النجوم النيوترونية يمكن أن يشكل العناصر الثقيلة إلى حد ما في نهاية الصف الخامس من الجدول الدوري. وقال ليفان: "إنه عنصر أثقل بكثير من العناصر التي رأيناها من قبل".

لكن في الوقت نفسه، تضيف ملاحظة تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى الإدراك المتزايد بأنه، بغض النظر عن مدى احتمالية حدوث ذلك في السابق، فإن الاندماجات التي تشمل النجوم النيوترونية يمكن أن تنتج انفجارات طويلة من أشعة جاما. والسؤال الآن هو: كيف؟

الأجسام الكثيفة، رشقات نارية طويلة

تطلق المستعرات الأعظم انفجارات طويلة من أشعة جاما لأن الانفجارات النجمية بطيئة وفوضوية نسبيًا. يبدأ موت نجم عملاق بانهيار مركزه في ثقب أسود. بعد حدوث ذلك، تتدفق كمية كبيرة من المواد النجمية الخارجية - ربما تعادل كتلة عدة شموس - إلى داخل الثقب الأسود، مطلقة نفاثات قوية من الجسيمات التي تطلق أشعة جاما في الفراغ لمدة تصل إلى عدة دقائق.

وعلى النقيض من ذلك، من المفترض أن تنتهي عمليات اندماج النجوم النيوترونية في لمح البصر. يقوم النجم النيوتروني بتعبئة كتلة الشمس أو نحو ذلك في كرة ناعمة صغيرة يبلغ عرضها بضعة أميال فقط. عندما يصطدم اثنان من تلك الأجرام السماوية الكثيفة - أو عندما يصطدم أحدهما بثقب أسود - تنهار المادة إلى ثقب أسود. خلال هذا التشنج الأخير، يتم إلقاء كمية أقل بكثير من المواد المتبقية في المدار مقارنة بحالة انهيار النجوم. وبينما يحجب الثقب الأسود هذه الوجبة الخفيفة، التي قد يكون وزنها أقل من وزن الشمس بعشر مرات، فإنه يزود بالطاقة لفترة وجيزة نفاثات (وانفجارات أشعة جاما) تدوم أعشارًا من الثانية.

تتعارض الملاحظات الجديدة من ليفان ورستنجاد وآخرين مع هذه الصورة السريعة والواضحة لاندماج النجوم النيوترونية. وقال: "ليس من المنطقي أن يكون هناك دفقة مدتها 10 ثوانٍ من نظام يعيش جزءًا من الثانية فقط". خام جوتليب، عالم فيزياء فلكية حاسوبية في معهد فلاتيرون ولم يشارك في عمليات الرصد.

أحد الاحتمالات هو أن شيئًا أكبر وأكثر فوضوية من النجوم النيوترونية يرسل هذه الانفجارات الدائمة. على وجه الخصوص، فإن مدتها الأطول تتناسب بشكل طبيعي مع اندماج قزم أبيض - وهو نوع أكبر من الجثة النجمية التي تُترك خلفها عندما ينفد وقود نجم صغير - وثقب أسود أو نجم نيوتروني. وينتج عن هذا السيناريو المزيد من المادة المحيطة بالثقب الأسود. ولكن من غير الواضح ما إذا كانت الاصطدامات التي تشمل الأقزام البيضاء ستنتج الأنواع الصحيحة من انفجارات أشعة جاما، أو حتى الكيلونوفا. وقال كاسن من بيركلي: "إن الظاهرة برمتها لم تتم دراستها كثيرًا". "نحن نعمل على ذلك الآن."

هناك خيار آخر وهو أن انفجارات أشعة جاما الطويلة لا تأتي من احتضان الثقوب السوداء حديثة الولادة على الإطلاق. بدلًا من ذلك، إذا قمت بتحطيم نجمين نيوترونيين صغيرين معًا وتدور النقطة الناتجة بسرعة كافية، فقد تقاوم الانهيار إلى ثقب أسود لبضع دقائق. سيكون الجسم قصير العمر عبارة عن نجم نيوتروني ممغنط للغاية - "نجم مغناطيسي" - من شأنه أن يصدر انفجارًا أطول لأشعة جاما مع تباطؤ دورانه. ساعد ميتزجر في بلورة هذا السيناريو، لكنه يعتبره فكرة متطرفة. قال: "ما زلت متشككًا في ذلك نوعًا ما".

وقال ميتزجر إن الاحتمال الأكثر تحفظًا هو أن عمليات الاندماج التي تشمل النجوم النيوترونية هي أكثر فوضوية مما يعتقده علماء الفيزياء الفلكية. خلال الصيف، محاكاة مفصلة من التعاون الذي قاده جوتليب اقترح أن هذا قد يكون هو الحال غالبًا. على وجه الخصوص، عندما يلتقي نجم نيوتروني خفيف بثقب أسود ثقيل بما فيه الكفاية، يلتف النجم النيوتروني للداخل ويمزقه الثقب الأسود على مدى مئات المدارات، تاركًا قرصًا أثقل من المواد التي يحتاج الثقب الأسود إلى عشرات الثواني لاستهلاكها. . أثناء محاكاة الاصطدامات بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداءوجد جوتليب وميتزجر وزملاؤهما أن الأقراص الأثقل التي تحرك انفجارات أشعة جاما الأطول كانت شائعة جدًا.

في الواقع، وفي تطور مثير للسخرية، لم تنتج عمليات المحاكاة التي أجروها الدفقات القصيرة التي يتم ملاحظتها في كثير من الأحيان بنفس السهولة التي أنتجت بها الدفقات الطويلة، مما يثير تساؤلات حول ما الذي يغذي الدفقات القصيرة بالضبط.

قال جوتليب: "نحن لا نفهم هذه الأشياء [بشكل كامل]". "أعتقد أن هذه ربما تكون المشكلة الأكبر الآن."

سد الثغرات

لمعرفة ما الذي يحدث بالفعل عند تصادم النجوم الميتة، سيحتاج علماء الفلك إلى مضاعفة جهودهم لإنشاء كتالوج تفصيلي لانفجارات أشعة جاما، نظرًا لأن ما افترضوا أنه مجموعة من الانفجارات التي تحركها المستعرات الأعظم يبدو الآن مختلطة مع عدد غير معروف من عمليات اندماج النجوم النيوترونية. سيتطلب ذلك البحث عن الكيلونوفا - وهي علامة الاصطدام - بعد كل من الانفجارات الطويلة والقصيرة. إذا استمر التمييز بين الطويل والقصير، فقد يكون ذلك علامة على أن هناك أكثر من طريقة لطهي الكيلونوفا.

وقال راستنجاد: "إننا نتعلم أنه في أي وقت يكون هناك حدث قريب نسبياً، علينا أن نسعى إليه".

وسيلعب مرصد LIGO أيضًا دورًا حاسمًا. كان المرصد غير متصل بالإنترنت لإجراء ترقيات خلال هذه الانفجارات الغريبة الأخيرة، لكنه حاليًا في منتصف تشغيله الرابع للاستماع إلى الاصطدامات البعيدة. إذا تمكن مرصد LIGO من التقاط موجات الجاذبية القادمة من انفجار طويل لأشعة غاما، فسيعرف العلماء ما إذا كانت النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء متورطة في الأمر. وهذا سيسمح لهم أيضًا باستبعاد الأقزام البيضاء، والتي لا تجعل موجات الجاذبية قابلة للاكتشاف بواسطة LIGO. وقد تقدم الاهتزازات التفصيلية للأمواج في المراصد المستقبلية تلميحات حول ما إذا كان المنتج المباشر نجمًا مغناطيسيًا أم ثقبًا أسود.

قال ميتزجر: “ستكون [موجات الجاذبية] هي الطريقة الوحيدة الحاسمة للمضي قدماً في هذه المسألة”.

ومن خلال استشعار أصوات الجاذبية الناتجة عن اندماج النجوم النيوترونية، ومراقبة انفجارات أشعة جاما والكيلونوفات، قد يحقق علماء الفيزياء الفلكية في نهاية المطاف هدفهم طويل المدى المتمثل في تفسير أصل كل مادة في الكون بشكل كامل، من الهيدروجين إلى البلاتين إلى البلوتونيوم. للقيام بذلك، يحتاجون إلى معرفة أنواع الاندماجات التي تحدث، ومدى تكرار كل نوع، والعناصر التي ينتجها كل نوع وبأي كميات، وما هو الدور الذي تلعبه الأحداث الأخرى مثل المستعرات الأعظم. إنها مهمة شاقة بدأت للتو.

وقال ليفان: "لا يزال هناك هدف أساسي يتمثل في تحديد المواقع الفيزيائية الفلكية التي يتشكل فيها كل عنصر في الجدول الدوري". "لا تزال هناك فراغات، ولذا نعتقد أن هذا بدأ في ملء العديد من تلك الفراغات المهمة."

ملاحظة المحرر: يتم تمويل معهد فلاتيرون من قبل مؤسسة سيمونز، التي تمول أيضًا هذه المجلة المستقلة تحريريًا. ليس لمعهد فلاتيرون ولا مؤسسة سيمونز أي تأثير على تغطيتنا. مزيد من المعلومات المتاحة هنا.