اصطدام النجوم النيوترونية “منجم ذهب” للعناصر الثقيلة – المصدر الكوني الرئيسي للذهب والبلاتين

أنتجت الروابط بين نجمين نيوترونيين على مدى 2.5 مليار سنة الماضية عناصر أثقل من الروابط بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء.

تتشكل معظم العناصر الأخف من الحديد في مركز النجوم. يغذي المركز الأبيض الساخن للنجم اندماج البروتونات ، ويضغطها تدريجيًا معًا لتكوين مكونات أثقل. ولكن بعيدًا عن الحديد ، فإن العلماء في حيرة من أمرهم بشأن ما سيؤدي إلى العناصر الأثقل من الذهب والبلاتين وبقية الكون ، والتي يتطلب تكوينها طاقة أكثر من النجم.

بحث جديد من قبل باحثين في مع وجامعة نيو هامبشاير أحد المصدرين المشكوك فيهما منذ فترة طويلة للمعادن الثقيلة هو منجم ذهب وليس الآخر.

تم نشر هذه الدراسة اليوم (25 أكتوبر 2021) رسائل في الفيزياء الفلكية، على مدى 2.5 مليار سنة الماضية ، تم الإبلاغ عن المزيد من المعادن الثقيلة التي تم إنتاجها في نظام ثنائي النجم النيوتروني روابط أو تصادمات بين نجمين نيوترونيين بدلاً من روابط بين نجم نيوتروني و a الثقب الأسود.

قارنت هذه الدراسة أولاً نوعي السندات من حيث إنتاجهما من المعادن الثقيلة ، وتشير إلى أن النجوم النيوترونية الثنائية قد تكون المصدر الكوني للذهب والبلاتين والمعادن الثقيلة الأخرى التي نراها اليوم. ستساعد هذه النتائج العلماء على تحديد معدل إنتاج المعادن الثقيلة في جميع أنحاء الكون.

قال Hsin-Yu Chen ، المؤلف الرئيسي لحجر بريد في معهد كاولي التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “ما يسعدنا قرارنا هو أنه لسبب ما يمكننا القول إن النجوم النيوترونية الثنائية هي منجم ذهب أكثر من كونها ثقبًا أسودًا للنجم النيوتروني روابط.

المؤلفون المشاركون لسن هم سلفادور فيتيل ، الأستاذ المساعد للفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وفرانس أويس فوغارت من الأمم المتحدة.

فلاش فعال

عندما تخضع النجوم للاندماج النووي ، هناك حاجة إلى الطاقة لدمج البروتونات لتكوين عناصر أثقل. النجوم قادرة على إصدار مكونات أخف تتراوح من الهيدروجين إلى الحديد. ومع ذلك ، فإن الجمع بين 26 بروتونًا في الحديد سيجعل الطاقة أقل.

يقول فيتيل: “إذا كنت تريد تجاوز الحديد وإنشاء عناصر أثقل مثل الذهب والبلاتين ، فأنت بحاجة إلى طريقة أخرى لرمي البروتونات معًا”.

يعتقد العلماء أن المستعرات الأعظمية قد تكون بديلاً. إذا انهار نجم كبير في مستعر أعظم ، فإن الحديد في مركزه سوف يتحد مع العناصر الأخف في أقصى السقوط لتشكيل عناصر أثقل.

ومع ذلك ، في عام 2017 ، تم تأكيد مرشح واعد ، وهو ارتباط نجمي نيوتروني ثنائي ، لأول مرة ليكو و Virgo ، مختبرات الموجات الثقالية في الولايات المتحدة وإيطاليا ، على التوالي. تم أخذ الكواشف موجات الجاذبية، أو 130 مليون سنة ضوئية من الأرض ، تموجات من الزمكان تشكلت عن طريق اصطدام نجمين نيوترونيين – النوى المنهارة لنجوم ضخمة في الكون مليئة بالنيوترونات والمواد الكثيفة.

بعث الارتباط الكوني ضوءًا متوهجًا بتوقيعات المعادن الثقيلة.

يقول تشين: “كمية الذهب التي يتم إنتاجها في المركب تساوي أضعاف كتلة الأرض”. لقد غيرت الصورة تمامًا. تُظهر الرياضيات أن النجوم النيوترونية الثنائية هي طريقة أكثر فاعلية لإنشاء عناصر أثقل مقارنة بالمستعرات الأعظمية.

منجم ذهب ثنائي

تساءلت تشين وزملاؤها: كيف يمكن مقارنة اتصالات النجوم النيوترونية بالتصادم بين نجم نيوتروني وثقب أسود؟ هذا نوع آخر من الاتصال اكتشفه LIGO و Virgo وقد يكون مصنعًا للمعادن الثقيلة. في ظل ظروف معينة ، يُفترض أن الثقب الأسود قد يتحلل إلى نجم نيوتروني ، مما يؤدي إلى شرارة وإصدار معادن ثقيلة قبل ابتلاع الثقب الأسود تمامًا.

شرع الفريق في تحديد كمية الذهب والمعادن الثقيلة الأخرى التي يمكن أن ينتجها كل نوع من السبائك عادةً. من أجل تحليلهم ، ركزوا على نتائج Lego و Virgo حتى تاريخ ارتباطين ثنائي بين النجوم النيوترونية واتصالين بين النجم النيوتروني والثقب الأسود.

قدّر الباحثون أولاً كتلة كل جسم عند كل رابط وسرعة دوران كل ثقب أسود ، وإذا كان الثقب الأسود كبيرًا جدًا أو بطيئًا جدًا ، فسوف يبتلع نجمًا نيوترونيًا قبل أن تتاح له فرصة إنتاج الكتلة. لقد قرروا أن مقاومة كل نجم نيوتروني من العناصر تتأثر. كلما ارتفع نجم المقاومة ، انخفض انبعاث المكونات الثقيلة. قاموا أيضًا بتقييم عدد المرات التي يحدث فيها اتصال مقارنة بآخر بناءً على ملاحظات LIGO و Virgo والمختبرات الأخرى.

أخيرًا ، استخدم الفريق عمليات المحاكاة العددية لفوشارد لحساب متوسط ​​الذهب والمعادن الثقيلة الأخرى التي سيشكلها كل رابط ، مع إعطاء مجموعات مختلفة من الكتلة ، والدوران ، وحجم الاضطراب ، ومعدل الحدوث.

في المتوسط ​​، وجد الباحثون أن الروابط الثنائية بين النجوم النيوترونية تشكل معادن ثقيلة تزيد بمقدار ضعفين إلى 100 مرة عن الروابط بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء. بناءً على تحليلهم ، تشير التقديرات إلى حدوث أربعة اتصالات على مدار 2.5 مليار سنة الماضية. خلال هذه الفترة ، استنتجوا أن العناصر الأثقل تم إنتاجها عن طريق الروابط الثنائية بين النجوم النيوترونية من الاصطدامات بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء.

إذا كانت الثقوب السوداء تحتوي على حلقات أكثر وكتلة أقل ، فإن المقاييس ستفضل اتصال الثقب الأسود بالنجم النيوتروني. ومع ذلك ، لم يلاحظ العلماء بعد هذه الأنواع من الثقوب السوداء في الوصلتين اللتين تم اكتشافهما حتى الآن.

يأمل سين وزملاؤه أنه مع استئناف ملاحظات LIGO و Virgo العام المقبل ، ستؤدي المزيد من النتائج إلى تحسين تقديرات الفريق للمعدل الذي يشكل به كل رابط مكونات أثقل. تساعد هذه النسب العلماء في تحديد عمر المجرات البعيدة ، بناءً على وفرة مكوناتها المختلفة.

يقول فيتيل: “يمكنك استخدام المعادن الثقيلة تمامًا مثلما نستخدم الكربون في التخلص من بقايا الديناصورات اليوم”. “نظرًا لأن كل هذه الأحداث لها نسب جوهرية مختلفة وناتج عناصر أثقل ، يمكن أن تؤثر على كيفية ربط الختم الزمني بالمجرة. لذلك ، يمكن لهذا النوع من الدراسة تعزيز هذه التحليلات.

ملحوظة: “المساهمة المقارنة في إنتاج المعادن الثقيلة من الروابط الثنائية بين النيوترونات والنجوم النيوترونية وعمليات اندماج الثقوب السوداء” رسائل في الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac26c6

تم تمويل هذا البحث جزئيا ناسامؤسسة العلوم الوطنية ومختبر LIGO.