تم تفسير التركيب غير العادي لأقدم النجوم من خلال الانهيارات

عندما يموت نجم ضخم، فإنه ينفجر على شكل مستعر أعظم، مما يؤدي إلى تشتت العناصر عبر الفضاء والتي تولد فيما بعد نجومًا وكواكب وكائنات حية جديدة. تقليديًا، تم تصميم مثل هذه الانفجارات على أنها كروية تمامًا، لكن الملاحظات الفعلية أشارت إلى أن الصورة أكثر تعقيدًا. تقذف بعض المستعرات الأعظمية المواد في المقام الأول على شكل نفاثات تتشكل على طول محور دوران النجم عندما ينهار ويتحول إلى ثقب أسود. هذه هي الأحداث التي يطلق عليها علماء الفلك اسم “الانهيارات” – وهي أحد مصادر انفجارات أشعة جاما الطويلة، والتي تعد من بين أكثر التوهجات نشاطًا في الكون. تكمن المشكلة في أن النماذج الكروية القياسية لم تقم بعمل جيد في إعادة إنتاج التركيب الكيميائي المرصود في المجرات وعناقيدها. وكان من الصعب بشكل خاص تفسير نسب السيليكون والكبريت والأرجون والكالسيوم بالنسبة للحديد، وكذلك محتوى النيكل والمنغنيز. لمعرفة ذلك، أجرى فريق دولي من علماء الفلك سلسلة من عمليات المحاكاة الحاسوبية ثنائية الأبعاد للنجوم التي تبلغ كتلتها 20 و30 و40 كتلة شمسية. في النموذج الجديد، شقت نفاثات من المادة الساخنة طريقها عبر أحشاء نجم يحتضر. على عكس المستعر الأعظم الكروي العادي، تركزت الطاقة هنا في مخروط ضيق. أدى هذا إلى خلق مناطق شديدة الحرارة ذات إنتروبيا عالية، وهي الظروف التي تجري فيها التفاعلات النووية بشكل مختلف. ونتيجة لذلك، تشكلت نسب غير عادية من العناصر الكيميائية.

أظهرت الحسابات أن شكل الانفجار يؤثر بشكل مباشر على العناصر التي سيتم إطلاقها في الفضاء. بالنسبة للنجوم الأقل ضخامة، دمرت الطائرة النجم بالكامل تقريبًا، وظل الانفجار متماثلًا نسبيًا. لكن بالنسبة للنجوم الأكثر ضخامة، تغيرت الصورة بشكل جذري: فقد سقط جزء كبير من المادة مرة أخرى في الثقب الأسود المتشكل، وهرب الباقي من النجم في تيارين قويين عبر القطبين. في ظل هذه الظروف، يتم تصنيع العناصر الثقيلة مثل الزنك والكوبالت بكفاءة خاصة. تبين أن العنصر الأساسي هو الزنك، الذي يوجد فائض منه في بعض النجوم البارزة في درب التبانة – ويوجد منه أكثر بكثير مما يمكن أن تنتجه المستعرات الأعظم العادية. من الطبيعي أن تخلق النجوم المنهارة “شذوذات الزنك” المماثلة. في بداية الكون، من المحتمل أن تكون مثل هذه الانفجارات قد حدثت بشكل متكرر أكثر مما هي عليه اليوم. ومن خلال مقارنة نتائج المحاكاة مع البيانات التي تم الحصول عليها باستخدام تلسكوب هيتومي للأشعة السينية، الذي قام بقياس التركيب الكيميائي لعنقود برشاوس، أحد أكبر الأجسام في محيط مجرتنا، أظهر علماء الفلك أن نماذج الانفجار غير المتماثلة تفسر بشكل أفضل النسب العناصرية المرصودة من السيناريوهات الكروية التقليدية.

ثم تم دمج نتائج عمليات المحاكاة في نموذج للتطور الكيميائي لمجرة درب التبانة. اتضح أنه دون مراعاة مثل هذه الانفجارات، من الصعب إعادة إنتاج توزيع العناصر في النجوم من مختلف الأعمار. وفقًا للحسابات، فإن ما يقرب من 20 إلى 30 بالمائة من النجوم الضخمة في التاريخ المبكر للمجرة يمكن أن تنفجر على شكل انهيارات. وفي الوقت نفسه، مع زيادة محتوى العناصر الثقيلة في درب التبانة، أصبحت هذه الأحداث أقل: فقد فقدت النجوم الغنية بالمعادن المزيد من المادة والزخم الزاوي، ولهذا السبب لم تتمكن من تشكيل نفاثات قوية. يربط العمل العلمي المنشور في مجلة الفيزياء الفلكية عدة ألغاز في وقت واحد – أصل انفجارات أشعة جاما، والتطور الكيميائي للمجرات، وتكوين أقدم النجوم. وفي الواقع، أظهر مؤلفوها أن شكل الانفجار النجمي لا يقل أهمية عن قوته. وهذا يعني أن تاريخ التخصيب الكيميائي للكون هو أكثر “غير متماثل” مما كان يعتقد قبل بضع سنوات فقط.