الآثار الأولى المحتملة لنجوم الكون المبكرة – التراث اليومي

ربما اكتشف علماء الفلك البقايا الكيميائية القديمة للنجوم الأولى التي أضاءت الكون.

باستخدام تحليل جديد لكوازار بعيد رصده تلسكوب جيميني نورث الذي يبلغ طوله 8.1 متر في هاواي ، والذي يديره NOIRLab التابع لمؤسسة العلوم الوطنية ، اكتشف العلماء نسبة غير عادية من العناصر التي قالوا إنها يمكن أن تأتي فقط من الحطام الذي أنتجوه. استهلاك انفجار نجم من الجيل الأول كتلته 300 كتلة شمسية.

ربما تكونت النجوم الأولى عندما كان عمر الكون 100 مليون سنة ، أي أقل من واحد بالمائة من عمره الحالي. كانت هذه النجوم الأولى – التي تسمى السكان 3 – ضخمة جدًا لدرجة أنها مزقت نفسها عندما أنهت حياتها كمستعرات عظمى ، وبذرت الفضاء بين النجوم بمزيج فريد من العناصر الأثقل. ومع ذلك ، على الرغم من عقود من البحث الدؤوب من قبل علماء الفلك ، لا يوجد دليل مباشر على هذه النجوم البدائية.

من خلال تحليل واحد من أبعد الكوازارات المعروفة باستخدام تلسكوب Gemini North ، وهو أحد تلسكوبين متطابقين يشكلان مرصد الجوزاء الدولي الذي تديره NSF NOIRLab ، يعتقد علماء الفلك الآن أنهم حددوا بقايا الانفجار الأول. نجم الجيل. باستخدام طريقة مبتكرة لاكتشاف العناصر الكيميائية في الغيوم المحيطة بالكوازارات ، لاحظوا تركيبة غير عادية للغاية – 10 مرات أكثر من الحديد من المغنيسيوم مقارنة بنسبة هذه العناصر الموجودة في شمسنا.

التفسير الأكثر ترجيحًا للعلماء لهذه الميزة اللافتة للنظر هو أن المادة قد تركها نجم الجيل الأول الذي انفجر على شكل مستعر أعظم ثنائي غير مستقر. لم تُلاحظ أبدًا هذه الإصدارات القوية بشكل ملحوظ من انفجارات المستعر الأعظم ، ولكن يُعتقد أنها نهاية حياة النجوم الضخمة التي تزيد كتلتها عن 150 إلى 250 ضعف كتلة الشمس.

تحدث انفجارات المستعرات الأعظمية الزوجية غير المستقرة عندما تتحول الفوتونات الموجودة في قلب النجم تلقائيًا إلى إلكترونات وبوزيترونات – المادة المضادة موجبة الشحنة المقابلة للإلكترون. يقلل هذا التغيير من ضغط الإشعاع داخل النجم ، مما يسمح له بالتغلب على الجاذبية ويؤدي إلى الانهيار والانفجار اللاحق.

على عكس المستعرات الأعظمية الأخرى ، لا تترك هذه الأحداث الدرامية أي بقايا نجمية مثل نجم نيوتروني أو ثقب أسود ، وبدلاً من ذلك تقذف كل موادها في محيطها. هناك طريقتان فقط للعثور على أدلة عنها. الأول هو التقاط مستعر أعظم ثنائي غير مؤكد ، وهي مصادفة بعيدة الاحتمال. طريقة أخرى هي تحديد توقيعهم الكيميائي من المادة التي يقذفونها في الفضاء بين النجوم.

في أبحاثهم ، استخدم علماء الفلك مطياف الجوزاء القريب من الأشعة تحت الحمراء (GNIRS) لتحليل نتائج الملاحظات السابقة التي تم التقاطها بواسطة تلسكوب جيميني نورث الذي يبلغ طوله 8.1 متر. يقسم مطياف الضوء المنبعث من الأجرام السماوية إلى الأطوال الموجية المكونة له ، والتي تحمل معلومات حول العناصر التي تحتوي عليها الكائنات. الجوزاء هو أحد التلسكوبات القليلة من حجمه المجهزة لإجراء مثل هذه الملاحظات.

ومع ذلك ، فإن استنتاج مقدار كل عنصر موجود هو محاولة صعبة لأن سطوع خط في الطيف يعتمد على العديد من العوامل غير وفرة العنصر.

تغلب اثنان من المؤلفين المشاركين في التحليل ، يوزورو يوشي وهيروكي سامشيما من جامعة طوكيو ، على هذه المشكلة باستخدام كثافة الأطوال الموجية في طيف الكوازار لتقدير وفرة العناصر هناك. باستخدام هذه الطريقة لتحليل طيف الكوازار ، اكتشفوا هم وزملاؤهم نسبة منخفضة من المغنيسيوم إلى الحديد.

وقال يوشي: “كان من الواضح لي أن المستعر الأعظم المرشح لهذا سيكون مستعر أعظم غير مستقر لزوج من نجم سكان 3 ، حيث ينفجر النجم بأكمله دون ترك أي بقايا”. “لقد سررت وفوجئت إلى حد ما عندما اكتشفت أن المستعر الأعظم غير المستقر لنجم أكبر بمقدار 300 مرة من كتلة الشمس ينتج نسبة من المغنيسيوم إلى الحديد تتفق مع أدنى قيمة حصلنا عليها للكوازار.”

تم إجراء عمليات البحث عن أدلة كيميائية لجيل سابق من نجوم المجموعة الثالثة عالية الكتلة من قبل بين النجوم في هالة درب التبانة ، وقدم عام 2014 دليلًا مؤقتًا على الأقل. ومع ذلك ، يعتقد يوشي وزملاؤه أن النتيجة الجديدة توفر إشارة واضحة على زوج من المستعرات الأعظمية غير المستقرة بناءً على نسبة وفرة المغنيسيوم إلى الحديد المنخفضة للغاية الموجودة في هذا الكوازار.

إذا كان بالفعل مصدر أحد النجوم الأولى وبقايا مستعر أعظم غير محدد ، يمكن أن يساعد الاكتشاف في ملء صورتنا لكيفية تشكل المادة في الكون اليوم. لاختبار هذا التفسير بشكل كامل ، هناك حاجة إلى مزيد من الملاحظات لمعرفة ما إذا كانت الكائنات الأخرى لها خصائص مماثلة.

لكن يمكننا العثور على بصمات كيميائية أقرب إلى الوطن. على الرغم من أن النجوم الثالثة الأكثر كثافة سكانية قد ماتت جميعًا منذ فترة طويلة ، إلا أن البصمات الكيميائية التي تتركها وراءها في المواد المقذوفة تدوم طويلاً وقد تستمر حتى اليوم. هذا يعني أنه يمكن لعلماء الفلك اكتشاف إشارات انفجارات المستعرات الأعظمية الزوجية غير المستقرة للنجوم طويلة العمر التي لا تزال مغروسة في المادة الموجودة في كوننا المحلي.

“الآن نحن نعرف ما الذي نبحث عنه ؛ قال عالم الفلك تيموثي بيرس من جامعة نوتردام: “لدينا مسار”. “إذا حدث ذلك في بداية الكون ، فيجب أن يكون لدينا ، وسنجد دليلاً على ذلك”.

اتحاد جامعات البحث في علم الفلك (AURA)

https://doi.org/10.48550/arXiv.2207.11909

رصيد الصورة: NOIRLab / NSF / AURA / J. دا سيلفا / آلة الفضاء