חשיפת אלכימיית היסודות הכבדים של היקום עם מיזוגים של כוכבי ניוטרונים

גילוי פורץ דרך מקרב את האסטרונומים צעד אחד יותר לפתרון תעלומת מקורם של יסודות כבדים יותר מברזל.

צוות בינלאומי של אסטרונומים – כולל אסטרופיזיקאי מאוניברסיטת קלמסון דיטר הרטמן – השיג עדויות תצפיתיות ליצירת יסודות כבדים נדירים לאחר פיצוץ קטקליזמי שהופעל על ידי מיזוג של שני כוכבי נויטרונים.

הפיצוץ האדיר שחרר התפרצות של קרני גמא, GRB230307A, השני הבהיר ביותר ב-50 שנות תצפיות ובהיר בערך פי 1,000 מהתפרצות קרני גמא טיפוסית. GRB230307A זוהה לראשונה על ידי נאס"אטלסקופ החלל Fermi Gamma-Ray ב-7 במרץ 2023.

חשיפת מסתורי הקוסמוס

באמצעות מספר רב של טלסקופים מבוססי חלל וקרקע, כולל טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א, הטלסקופ הגדול והחזק ביותר ששוגר אי פעם לחלל, מדענים הצליחו לאתר את מקור התפרצות קרני הגמא בשמיים ולעקוב אחר כיצד הבהירות שלו השתנתה .

עם המידע שנאסף, החוקרים קבעו שההתפרצות היא תוצאה של שני כוכבי נויטרונים שהתמזגו בגלקסיה במרחק של מיליארד שנות אור מכדור הארץ ויצרו קילונובה. החוקרים צפו עדויות לטלוריום, אחד היסודות הנדירים ביותר על פני כדור הארץ.

התגלית פורצת הדרך מקרבת את האסטרונומים צעד אחד יותר לפתרון תעלומת מקורם של יסודות כבדים יותר מברזל.

"אני אסטרופיזיקאי באנרגיה גבוהה. אני אוהב פיצוצים. אני אוהב את קרני הגמא שמגיעות מהם. אבל אני גם אסטרונום שבאמת אכפת לו משאלות בסיסיות כמו איך נוצרו יסודות כבדים", אמר הרטמן.

התפרצויות קרני גמא: Windows לתוך תהליכים כוכבים

התפרצויות קרני גמא (GRB) הם התפרצויות של אור קרני גמא – הצורה האנרגטית ביותר של אור – שנמשכים בין שניות לדקות. ה-GRBs הראשונים זוהו בשנות ה-60 על ידי לוויינים שנבנו כדי לנטר ניסויים גרעיניים.

ל-GRB יש סיבות שונות.

GRBs לטווח ארוך נגרמים על ידי סופרנובות, הנקודה שבה כוכב מסיבי מגיע לסוף חייו ומתפוצץ לפרץ של אור. GRBs עם משך קצר נגרם על ידי מיזוג של שני כוכבי נויטרונים, הידועים כקילונובה, או מיזוג של כוכב ניטרונים וכן א חור שחור.

למרות ש-GRB230307A נמשך 200 שניות, מדענים ראו את צבע הזוהר המשתנה מכחול לאדום, חתימה של קילונובה.

"ההתפרצות עצמה הצביעה למעשה על אירוע ארוך, וזה היה צריך להיות מצב נורמלי מסוג סופרנובה. אבל היו לו תכונות יוצאות דופן. זה לא ממש התאים לדפוסים של התפרצויות ארוכים", אמר הרטמן. "מסתבר שהענן הרדיואקטיבי הזה, הזוהר של הקילונובה, שהיו בו כל טביעות האצבע הסינתטיות הגרעיניות האלה, הוא החתימה של מיזוג בינארי. ההתרגשות נובעת מהשימוש ב-Webb כדי לזהות טביעת אצבע כימית שציפינו להתפרצויות קצרות ולראות אותה בתוך פרץ ארוך".

תפקידם של מיזוג כוכבי ניוטרונים ביצירת אלמנטים

הרטמן אמר שהמפץ הגדול יצר מימן והליום. כל שאר היסודות נוצרו על ידי כוכבים ותהליכים במדיום הבין-כוכבי.

"חלקם מסיביים מספיק כדי להתפוצץ והם מחזירים את החומר הזה לסביבות הגזים שלהם שמאוחר יותר מייצרים כוכבים חדשים. אז, יש מחזור ביקום שגורם לנו להיות מועשרים יותר בפחמן, חנקן, חמצן, כל הדברים שאנחנו צריכים", אמר. "אנחנו קוראים לכוכבים קדרות היקום."

תגובות תרמו-גרעיניות, או היתוך, גורמות לכוכבים לזרוח. זה מוביל ברציפות לייצור של אלמנטים כבדים יותר, אמר הרטמן. אבל כשזה מגיע לברזל, לא נשארת הרבה אנרגיה לסחוט החוצה, אמר.

אז מאיפה מגיעים כל היסודות הכבדים כמו זהב ואורניום?

"ליסודות הכבדים יש מקורות מיוחדים. ישנם שני תהליכים השולטים. אחד נקרא מהיר; השני נקרא איטי. אנו מאמינים שתהליך ה-r מתרחש באותם מיזוגים של כוכבי נויטרונים", אמר הרטמן.

אישור תיאוריות עם ראיות תצפיתיות

מודלים תיאורטיים הציעו קילנובות לייצר טלוריום, אך זיהוי קו ספקטרלי על ידי ה טלסקופ החלל ג'יימס ווב סיפק ראיות ניסיוניות. קו ספקטרלי הוא קו כהה או בהיר בתוך ספקטרום רציף. הוא מיוצר על ידי מעברים בתוך אטומים או יונים.

"אנחנו חושבים שזה זיהוי די מאובטח, אבל זה לא מעבר לספק סביר כמו שהיו אומרים בבית המשפט", אמר הרטמן.

ממצאים מפורטים מהמחקר ניתן למצוא במאמר שכותרתו "ייצור אלמנטים כבדים במיזוג אובייקטים קומפקטי שנצפה על ידי JWST" שהופיע בכתב העת המדעי טֶבַע.

למידע נוסף על מחקר זה, ראה:

• אלמנטים חיוניים לחיים שחושלו בפיצוץ חלל מסיבי
• ההצצה הראשונה של ווב ליצירת אלמנטים כבדים
• חקר מפעל מתכות כבדות במרחק של 900 מיליון שנות אור

בנוסף להרטמן, חוקרים ממספר אוניברסיטאות בארצות הברית וכן מדענים מהולנד, בריטניה, איטליה, יפן, דנמרק, ספרד, שוודיה, אוסטרליה, אירלנד, צרפת, ניו זילנד, קנדה, ישראל, איסלנד, צ'כיה וגרמניה היו מעורבות.