الثقوب السوداء البدائية وأصل المعادن الكونينة الثقيلة

«بالتأكيد واحدة من الأشياء التي أعتقد أنها تجذب الناس إلى علم الفلك هو فهم أصل كل شيء من حولنا» -ألكسندر جي

التساؤل الذي أثار حيرة العلماء لأكثر من ستة عقود:

ما هو أصل العديد من أثمن العناصر في الجدول الدوري، مثل الذهب والفضة والبلاتين؟

يكمن تكوين المعادن الثقيلة مثل الذهب واليورانيوم في الاصطدامات الهائلة بين الثقوب السوداء البدائية والنجوم النيوترونية التي تدور بسرعة عالية جداً. أصل العديد من المعادن الثقيلة، بما في ذلك الذهب واليورانيوم، هو لغز الفيزياء الفلكية منذ فترة طويلة.  وفي حين أن دور الاندماج النووي في تشكيلها من العناصر الأخف، دوراً معروفاً، إلا أنه من غير الواضح تماماً، أماكن حدوث هذه العملية في الكون بالدرجة الكافية لإنتاج هذه الأعداد من المعادن الثقيلة التي نراها من حولنا.

«إن فهم كيفية تشكُّل عناصر (r-process) الثقيلة هي واحدة من أصعب المشاكل في الفيزياء النووية»، كما قالت آنا فريبل، أستاذ مُساعد في قسم الفيزياء.

«إن إنتاج هذه العناصر الثقيلة جدًا يأخذ الكثير من الطاقة المستحيل تقريبًا صُنعُها تجريبيًا»، وتابعت فريبل: “إن عملية صُنعِها لا تعمل على الأرض، لذلك كان علينا استخدام النجوم والأجرام الكونية كمختبرٍ لنا.”

تُشير النتائج إلى كيف يُمكن لتحديد محتويات نجوم أن يُلقي الضوء على تاريخ المجرَّة المُضيفة لهم. وهذا النهج المُلقَّب بـ (علم الآثار النجمي) يسمح بقوة لعلماء الفيزياء الفلكية معرفة المزيد حول الأوضاع في الكون المُبكِّر.

وأضافت فريبل: «أعتقد حقـًا أن هذه النتائج تفتح بابًا جديدًا لدراسة تشكيل المجرَّات مع النجوم الفردية وإلى حدٍ ما العناصر الفردية، فنحن نربط بجدِّية جداول النجوم الصغيرة جدًا مع جداول المجرَّات الكبيرة جدًا».

لا يمكن لعناصر r-process أن تتكون إلا في ظروف معينة، حيث وجود كثافة عالية من النيوترونات، هذا ليس هو الحال بالنسبة للنجوم العادية، حيث أن انصهار العناصر الثقيلة يحدث نتيجة تفاعلات بطيئة لعناصر s-process. كانت انفجارات النجوم العملاقة والاندماجات النادرة للنجوم الأكثر كثافةً في الكون، المُلقَّبة بالنجوم النيوترونية، مصادرًا أكثر تصديقًا. ولكن كان هناك نقصٌ شديدٌ في الأدلة.

المواقع المقترحة السابقة لـ r-process تشمل دمج النجوم النيوترونية وأنواع معينة من السوبرنوفا. ولكن هذا الدمج سوف ينتج عنه الموجات النيوترونية و التثاقلية التي لا يمكن ملاحظتها. وهنا يظهر تطور اضافي، وهو المجرة الصغيرة (مجرة الشبكة 2 – Reticulum II) والتي يوجد بها وفرة عالية من عناصر r-process لم نتمكن حتى الآن من تفسيرها.

يقول إنريكو راميريز رويز، أستاذ علم الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة كاليفورنيا «أنا أعمل على الاندماجات النجمية النيوترونية لفترة من الوقت، لذلك أنا مُتحمِّسٌ للغاية لرؤية النتائج». وقال راميريز رويز،: «هذه الدراسة التي هي في الواقع دليلٌ دامغٌ أن اندماجات النجم النيوتروني الغريبة كانت تحدث في وقت مُبكرٍ جدًا في تاريخ هذه المجرَّة القزمة بالذات، وعلى الأرجح في العديد من المجرَّات الصغيرة الأخرى. وبالتالي فإن اندماجات النجوم النيوترونية هي على الأرجح المسؤولة عن تراكم المواد الثمينة والتي نُسمِّيها عناصر (r-process) في جميع أنحاء الكون».