تخليق العناصر في المستعرات العظمى

في خزان يحوي ثلاثة أطنان من الزينون السائل، مدفونًا في أعماق الأرض، تحرك شيء ما ذات مرة. ليس الزينون نفسه، بل إحدى نواته الذرية: تلقت دفعة بطاقة 248 ألف إلكترون فولت وارتدت، مثل كرة بلياردو أصابتها كرة غير مرئية.

النجم النيوتروني هو بقايا فائقة الكثافة بعد انفجار نجم ضخم. المادة فيه مضغوطة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته قد تزن مليارات الأطنان. في هذه الظروف القاسية، يمكن للبروتونات والنيوترونات المألوفة أن تعيد ترتيب نفسها، منتجة جسيمات جديدة تُعرف بالهايبرونات.

عندما ينفجر نجم ضخم كمستعر أعظم، تتشكل نوى ثقيلة في أعماقه خلال ثوانٍ معدودة. ومن بينها التيتانيوم-44، وهو نظير مشع يبعث أشعة غاما لسنوات بعد ذلك. تعتمد كمية التيتانيوم-44 المتبقية على تفاعل نووي واحد: يلتقط البروتون نواة الفاناديوم-45، محولاً إياها إلى كروم-46. يشبه هذا بابًا ضيقًا يهرب من خلاله جزء من التيتانيوم من سلسلة التخليق.

النجم النيوتروني هو بقايا مضغوطة لنجم ضخم بعد انفجار مستعر أعظم. المادة فيه مضغوطة إلى الكثافة النووية: ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن مثل جبل. في هذه الظروف القصوى، تكون البروتونات والنيوترونات متراصة، وتحت ضغط هائل قد تولد هيبرونات — وهي باريونات تحتوي على كوارك غريب.

القمة الدوّارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن الهواء حولها يبدأ بالدوران بتناغم معها. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف الثقب الأسود: إذا كان دوّارًا، فيمكنه نقل طاقته إلى الجسيمات القريبة منه. تُسمى هذه العملية بالإشعاع الفائق (superradiance) — وهي تشبه صدى الصوت في الجبال، لكن بدلًا من الصوت تولد جسيمات جديدة.

في مجرة السيجار البعيدة، هناك منارة غير عادية. إنها لا تضيء بالمعنى المألوف — بل تولد أشعتها في سحابة ملتهبة حول ثقب أسود يبتلع مادة نجم مجاور. تُسمى هذه الأجسام مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع. لمعانها في الأشعة السينية قوي لدرجة أنه يطغى على مجرات بأكملها. هذه السحابة — الهالة — تشبه مرجلًا يغلي. فيه تتخبط جسيمات البلازما بسرعات هائلة، وتتصادم وتتسارع.

نجم ضخم يستنفد وقوده — وينهار قلبه في أجزاء من الثانية. يولد مستعر أعظم، ومعه وابل قصير لكن قوي من النيوترينوات. هذه الجسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، لذا تنطلق بحرية حاملة معلومات عن الكارثة. لكن في رحلتها التي تمتد لآلاف السنين الضوئية، قد تتغير تحولاتها من نوع إلى آخر تحت تأثير مجال بعيد المدى جديد.

انفجار المستعر الأعظم المستعر الأعظم يقذف الطبقات الخارجية للنجم المحتضر. ويبقى اللب - نجم نيوتروني النجم النيوتروني، معبأ في كرة بحجم مدينة. تنبأ بوجود هذه النجوم في عام 1934 العالم Fritz Zwicky.

انهيار نواة النجم يشبه انضغاط نابض: المادة تسقط إلى الداخل، وفي المركز يولد نجم نيوتروني. لكن السقوط لا يكون مستقيمًا تمامًا. في الطبقات الخارجية المغلية، تنقل الدوامات العشوائية الدوران إلى الغاز الساقط — فيلتف قرص حول الجسم المركزي. هذا القرص ليس نهرًا هادئًا. إنه ينبض: يقوى تارة ويخفت تارة أخرى. المادة التي لا تملك دورانًا تستمر في السقوط عليه من الأعلى، لكن القرص لا يختفي.

كرة البلياردو تصطدم بأخرى في ظلام دامس. صوت الاصطدام وقعقعة الكرات الساقطة في الجيوب — هذا كل ما يُسمع. هكذا تقريبًا يدرس الفيزيائيون تفاعلات الجسيمات الأولية عند طاقات لا يستطيع أي مسرع أرضي إنتاجها. في العمل الجديد، حوّل الفيزيائيون الفلكيون مجرات بأكملها إلى مختبرات عملاقة، وأصبحت الكيلومترات المكعبة من الجليد في القارة القطبية الجنوبية ومياه البحر الأبيض المتوسط كواشف.

في يونيو 2024، سجل التلسكوب الراديوي CHIME من المصدر FRB 20240114A أكثر من 700 تدفق راديوي في الساعة. مثل هذا المكرر فائق النشاط يفرغ في ساعة واحدة تقريبًا كل الطاقة المغناطيسية لـ النجم المغناطيسي العادي (نجم نيوتروني ذو مجال فائق القوة).

في مراكز العديد من المجرات لا تختبئ فقط الثقوب السوداء فائقة الضخامة، بل أيضًا سحب هائلة من المادة غير المرئية. إذا كانت هذه المادة تتكون من جسيمات فائقة الخفة، فإنها قادرة على التجمع في كتل كثيفة — نوع من "النجوم" المصنوعة من المادة المظلمة.

في مركز كل ذرة توجد نواة — كرة كثيفة من البروتونات والنيوترونات. هذه الجسيمات لا تتزاحم عشوائيًا، بل تملأ مستويات طاقة صارمة تشبه طوابق ناطحة سحاب. عندما يمتلئ طابق معين بالكامل، تصبح النواة مستقرة بشكل خاص — يسمي الفيزيائيون هذا العدد السحري. أثقل هذه الأعداد في النوى المستقرة هو 126 نيوترونًا.

مصنع قديم، حيث بدلًا من الآلات توجد أنوية ذرية، وحوله يغلي إشعاع النيوترينو. عندما يستنفد نجم ضخم وقوده، تنضغط نواته مئة مرة، وترتفع درجة الحرارة إلى مليارات الدرجات.

كرتان فائقتا الكثافة، كل منهما بحجم مدينة، تدوران في رقصة. كتلتهما أقل من كتلة الشمس، لكن بداخلهما مادة مضغوطة إلى حدود لا يمكن تصورها. إحداهما نجم نيوتروني، والأخرى نجم غريب يتكون بالكامل من الكواركات (الجسيمات الأولية التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات). عندما يصطدمان، يصبح الفرق مسموعًا. النجم الغريب يحافظ على شكله حتى اللحظة الأخيرة.

عندما يصطدم نجمان نيوترونيان — النوى فائقة الكثافة لنجوم ميتة — يولد كيلونوفا: انفجار أكثر سطوعًا بألف مرة من المستعر العادي. إنه مسبك كوني حقيقي. داخل سحابة ملتهبة تندفع بسرعات تقارب سرعة الضوء، يقوم سيل هائل من النيوترونات بتحويل أنوية الذرات إلى ذهب وبلاتين وأوزميوم. لكن المرحلة المتأخرة من هذه الأحداث ظلت لغزًا طويلًا.

الطفل الساخن والبالغ البارد – نفس النجم النيوتروني يبدو مختلفًا. فبمجرد ولادته في انفجار مستعر أعظم، يكون محمىً إلى عشرات المليارات من الدرجات. ولكن مع مرور الوقت، يبرد وينكمش مثل المعدن المبرد. بالنسبة للنجم PSR J1012+5307، يعني هذا الانتقال انكماش نصف قطره إلى النصف تقريبًا.

اصطدام نجمين نيوترونيين هو بمثابة معمل كوني تُصاغ فيه أثقل عناصر الجدول الدوري خلال ثوانٍ. في عام 2017، التقطت الكواشف موجات ثقالية من هذا الاندماج، ورصدت التلسكوبات وميضًا — كيلونوفا (kilonova). يتغذى توهجها على اضمحلال الأنوية غير المستقرة التي وُلدت في عملية الالتقاط السريع للنيوترونات (r-process). لكن لهذا المعمل الكوني مساعدين صامتين لم يُنتبه إليهم من قبل.

قدرٌ يغلي على نار قوية: الفقاعات تحمل حبيبات من القاع إلى السطح. آلية مشابهة تعمل على النجم النيوتروني. إذ يتراكم الهيدروجين والهيليوم من النجم المجاور، ويقوم من حين لآخر بانفجار نووي قوي — توهجًا سينيًا.

منافيخ الحداد تنفخ النار بقذف الهواء بقوة. في الفضاء، تلعب موجة الصدمة من المستعر الأعظم — وهو مفهوم قدمه فريتز زفيكي — دور هذه المنافيخ: فهي تدرك فقاعة عملاقة من الجسيمات المشحونة والمجالات المغناطيسية، المتشكلة حول النجم النيوتروني الدوّار — النباض، فتضغطها ويعزز المجال المغناطيسي.

الكون مليء باللامرئي. نعرف عن المادة المظلمة من دوران المجرات وعدسات الجاذبية، لكن طبيعتها تفلت منا منذ قرن. أحد أكثر الافتراضات جرأة، الذي طرحه ستيفن هوكينغ، يقول: قد تتكون المادة المظلمة من ثقوب سوداء بدائية — أجسام وُلدت في بوتقة الكون المبكر الحارقة قبل النجوم الأولى.

النجم النيوتروني هو عدسة جاذبية تتركز فيها محاولاتنا لرؤية المادة المظلمة. عبر مادته فائقة الكثافة، كما لو كنا ننظر عبر زجاج غريب، نبحث عن الأكسيون - ذلك الجسيم المراوغ القادر على تفسير الكتلة الخفية للكون.

في مكان ما في الانتفاخ المجري، يتربص نجم ضخم خامل، على وشك استبدال احتراقه الهادئ بانهيار. يستنفذ لبّه وقوده، وفي جزء من الثانية يولد نجم نيوتروني أو ثقب أسود، قاذفًا 10⁵⁸ نيوترينو – أي معظم طاقة الانفجار تقريبًا.

نجمان محترقان بحجم الأرض — لكن كل منهما أثقل من الشمس — يدوران في مدارين متقاربين بشكل متزايد، حتى يصطدم أحدهما بالآخر. يطلق الاصطدام انفجارًا نوويًا حراريًا، ويولد مستعر أعظم من النوع Ia. هذه التوهجات بمثابة منارات كونية لقياس المسافات في الكون. ومع ذلك، لا تزال تفاصيل نشأتها موضع جدل. في الدراسة الجديدة، حسب العلماء كيفية توهج سحابة الغاز بعد مئات الأيام من الاصطدام.

قدرٌ يغلي فيه عصيدة، وبدلًا من الحبوب توجد طبقات من الأكسجين والسيليكون، والنار تحته على وشك أن تنطفئ، فينهار النجم على نفسه. حتى الآن، كان طهاة الفيزياء الفلكية يستخدمون وصفة مبسطة: يفترضون أن الفقاعات والدوامات في العصيدة تخضع لنفس متوسط درجة الحرارة عبر العمق كله. لكن العصيدة الحقيقية اتضح أنها أكثر نزقًا.

مصباح لا يحترق بل يتوهج أكثر فأكثر حتى يفجر كامل التركيبة. هكذا تقريبًا تموت أضخم النجوم في الكون. عندما ترتفع حرارة نواة النجم إلى مليارات الدرجات، تبدأ أزواج من الجسيمات في التولد — الإلكترونات ونقيضاتها البوزيترونات. تستهلك هذه العملية الطاقة التي كانت تدعم النجم، فينهار، لكن ليس بهدوء، بل بانفجار نووي حراري هائل. يُطلق على هذا الحدث اسم المستعر الأعظم غير المستقر زوجيًا.

مترجم في مفاوضات مهمة يتحول فجأة إلى لغة أخرى، فيتغير المعنى كليًا. هذا ما تفعله النيوترينوات في أعماق نجم يحتضر. تولد هذه الجسيمات الخفية بأعداد هائلة عندما ينضغط قلب النجم إلى كتلة بحجم مدينة. لكن في طريقها إلى الخارج، قد تغير النيوترينوات نوعها — يسمي الفيزيائيون هذا بتحول النكهة (flavor). ومن كيفية تحولها يعتمد ما إذا كان النجم سينفجر أم ينهار بصمت إلى ثقب أسود.

عندما اقترب المذنب بين النجمي 3I/ATLAS من الشمس، توهج ذيله ببريق معدني - وكأن علبة معدنية مليئة بالنيكل والحديد قد فُتحت. وبتحليل الضوء إلى ألوانه، رصد الفلكيون خطوط هذه المعادن باستخدام التحليل الطيفي. كانت المعادن معبأة في جزيئات طيارة - هي الكربونيلات، مركبات مع أول أكسيد الكربون.

مترجم في منتصف القاعة يبدأ فجأة في نقل الرسالة بالعكس. هذا تقريبًا ما قد يفعله النيوترينو — الجسيم الشبح الذي لا يكاد يتفاعل مع المادة — إذا اعترضت طريقه سحابة من المادة المظلمة فائقة الخفة. أظهر مؤلفو الدراسة أن النيوترينو في مثل هذه السحابة يمكن أن يتحول إلى نقيضه، النيوترينو المضاد، وهذا ليس مجرد فضول نظري.

النجوم التي تفوق كتلة شمسنا بعشرات المرات لا تموت كما كنا نعتقد سابقًا. فقد أظهرت النمذجة الحاسوبية أن نواها غالبًا لا تنفجر على هيئة مستعر أعظم، بل تنهار سريعًا إلى ثقب أسود. الأمر أشبه بكعكة ينهار وسطها فجأة، فتنسحب معظم العجينة إلى الداخل كما لو كانت في قمع، ولا تتطاير إلا بضع قطرات إلى الخارج. وهذا حال النجم أيضًا: معظم المادة تسقط فيه، ولا تتناثر.

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

سكين مطبخ عادي مصنوع من النيوبيوم عند درجة −258 °م يبدأ فجأة في توصيل التيار الكهربائي دون أدنى فقدان. هكذا تعمل الموصلية الفائقة، ويمكن "تشغيلها" مباشرة على سطح المعدن إذا قصفناه بالليزر في جو من النيتروجين.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم منفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. على سطحه أحيانًا يندلع حريق نووي حراري: الغاز المتراكم ينفجر مثل قنبلة هيدروجينية هائلة. بعد الانفجار يبقى رماد — خليط من العناصر الثقيلة التي ترتفع إلى السطح وتشكل غلافًا جويًا حارًا.

كشاف قوي يسلط ضوءه عبر ضباب كثيف. لا يُرى الشعاع نفسه، لكن الضباب يبدأ في التوهج بضعف – مما يكشف عن وجود الكشاف. مبدأ مشابه يعمل مع النيوترينوات: جسيمات شبه خفية تولد عندما تصطدم بروتونات سريعة من مجرات بعيدة بإشعاع الخلفية الكونية المنتشر (وهو خلفية ميكروية ضعيفة متبقية من الانفجار العظيم).

اصطدام نواتي رصاص في مصادم الهادرونات الكبير يشبه رمي كيسين ثقيلين مملوءين بالكرات على بعضهما البعض. عادةً، تتناثر الكرات في كل اتجاه، لكن في بعض الأحيان يمر أحد الكيسين قريبًا جدًا بحيث لا تتصادم الكرات، بل تتبادل النظرات فقط.

الكثافة في مركز النجم النيوتروني هائلة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته تزن مثل وزن جبل. يحاول الفيزيائيون منذ زمن طويل فهم مقدار الكتلة التي يمكن أن يصل إليها مثل هذا النجم قبل أن ينهار إلى ثقب أسود. اعتمد الحد الكلاسيكي، الذي اشتُق في السبعينيات (1970)، على افتراض أن المادة في النواة تصبح غير قابلة للانضغاط (صلبة) فقط عند كثافات عالية جدًا.

الثقوب السوداء الصغيرة التي نشأت بعد نشأة الكون مباشرة، يجب أن تتبخر - تطلق كتلتها على شكل جسيمات غير مرئية. هذا ما تنبأ به ستيفن هوكينغ، وكان هذا 'تبخر هوكينغ' يسهم في توسع الكون الفتي. لكن إذا وُجدت جسيمات خارج نطاق الفيزياء المألوفة، فقد تتكثف سحابة حول ثقب أسود دوَّار.

في أعماق نجم ضخم قبل انفجاره، تتوزع الطبقات فوق بعضها مثل طبقات البصلة. أحيانًا تختلط طبقتان متجاورتان — طبقة الكربون وطبقة الأكسجين. يشبه ذلك اختلاط طبقات المرق والخضار في قدر الحساء إذا حرّكتها بملعقة. هذا الاختلاط يغيّر العناصر الكيميائية التي سيقذفها النجم إلى الفضاء عند الانفجار.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده، ينهار قلبه، ويندفع جدار صدمة إلى الخارج. ولكن قبل أن يتمزق النجم، قد تولد في أعماقه جسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع المادة العادية. إذا اضمحلت هذه الجسيمات إلى ضوء، فإن الطاقة تتسرب إلى الغاز الكثيف حول النجم. هذا الغاز، مثل بطانية، يلف النجم. الطاقة المحقونة تسخنه، فيبدأ الغاز بالتوهج مثل مصباح ساخن. يمكن رصد هذا الضوء قبل الوميض الرئيسي.

في أعماق النجم المحتضر قبل انفجار المستعر الأعظم، تجري تفاعلات نووية تحدد أي العناصر الكيميائية ستنتشر في الفضاء. أحد هذه التفاعلات هو اصطدام نواة الأكسجين مع بروتون، ينتج عنه نواة النيتروجين وجسيم ألفا (نواة الهيليوم).