علماء الفيزياء الفلكية: الثقوب السوداء يمكن أن تصنع الذهب عشوائيا!

ربما للكون طرق أكثر لتكوين العناصر الثقيلة، ويتطلب إنشاء معادن مثل الذهب والفضة والثوريوم واليورانيوم ظروفا نشطة، مثل انفجار مستعر أعظم أو الاصطدام بين النجوم النيوترونية.

ومع ذلك، تظهر ورقة جديدة أن هذه العناصر يمكن أن تتشكل في دوامات الفوضى التي تدق ثقبا أسود نشطًا حديث الولادة، حيث يبتلع الغبار والغاز من الفضاء المحيط به.

وفي هذه البيئات القاسية، يجب أن يسهل معدل الانبعاث العالي للنيوترينوات تحويل البروتونات إلى نيوترونات – ما ينتج عنه فائض من الأخير المطلوب للعملية التي تنتج عناصر ثقيلة.

وقال عالم الفيزياء الفلكية، أوليفر جست، من مركز GSI Helmholtz لأبحاث الأيونات الثقيلة في ألمانيا: “في دراستنا، حققنا بشكل منهجي ولأول مرة في معدلات تحويل النيوترونات والبروتونات لعدد كبير من تكوينات القرص عن طريق محاكاة حاسوبية متقنة، ووجدنا أن الأقراص غنية جدا بالنيوترونات طالما كانت هناك ظروف معينة”.

وفي البداية، بعد الانفجار العظيم، لم يكن هناك الكثير من العناصر تطفو حولها. حتى ولدت النجوم وبدأت في تحطيم النوى الذرية معا في نواتها، وكان الكون عبارة عن خلطة من الهيدروجين والهيليوم في الغالب.

وأدى الاندماج النووي النجمي إلى تشبع الكون بعناصر أثقل، بدءا من الكربون وصولا إلى الحديد بالنسبة للنجوم الأكثر ضخامة.

ولكن الحديد هو المكان الذي يصطدم فيه الاندماج الأساسي بالعقبة. وتتجاوز الحرارة والطاقة اللازمتان لإنتاج الحديد عن طريق اندماج الطاقة التي تولدها العملية، ما يتسبب في انخفاض درجة الحرارة الأساسية، ما يؤدي بدوره إلى موت النجم في المستعر الأعظم.

وتكون الانفجارات نشطة للغاية لدرجة أن الذرات، عند اصطدامها بالقوة، يمكنها التقاط النيوترونات من بعضها البعض.

وهذا ما يسمى عملية الالتقاط السريع للنيوترونات، أو عملية r؛ يجب أن يحدث بسرعة كبيرة، بحيث لا يكون هناك وقت لحدوث التحلل الإشعاعي قبل إضافة المزيد من النيوترونات إلى النواة.

ومن غير الواضح ما إذا كانت هناك سيناريوهات أخرى يمكن أن تحدث فيها عملية r، لكن الثقوب السوداء حديثة الولادة هي مرشح واعد. وعلى وجه التحديد، عندما يندمج نجمان نيوترونيان، وتكون كتلتهما المجمعة كافية لقلب الجسم المشكل حديثا إلى فئة الثقب الأسود.

والانهيار هو احتمال آخر: الانهيار الجاذبي لنواة نجم ضخم إلى ثقب أسود ذي كتلة نجمية.

وفي كلتا الحالتين، يُعتقد أن الثقب الأسود الصغير محاط بحلقة مادة كثيفة وساخنة، تدور حول الثقب الأسود وتتغذى فيه، مثل الماء في البالوعة. وفي هذه البيئات، تنبعث النيوترينوات بكثرة، وافترض علماء الفلك منذ فترة طويلة أن التخليق النووي لالتقاط r يمكن أن يحدث نتيجة لذلك.

وأجرى جست وزملاؤه مجموعة واسعة من عمليات المحاكاة لتحديد ما إذا كان هذا هو الحال بالفعل. وقاموا بتغيير كتلة الثقب الأسود ودورانه، وكتلة المادة المحيطة به، بالإضافة إلى تأثير العوامل المختلفة على النيوترينوات. ووجدوا أنه إذا كانت الظروف مناسبة تماما، فيمكن أن يحدث التخليق النووي لعملية r في هذه البيئات.

وقال للتو: “العامل الحاسم هو الكتلة الكلية للقرص. كلما زاد حجم القرص، زاد عدد النيوترونات التي تتكون من البروتونات من خلال التقاط الإلكترونات تحت انبعاث النيوترونات، وهي متاحة لتخليق العناصر الثقيلة عن طريق عملية r. ومع ذلك، إذا كانت كتلة القرص عالية جدا، يلعب التفاعل العكسي دورا متزايدا بحيث يتم استعادة المزيد من النيوترينوات بواسطة النيوترونات قبل مغادرتها للقرص. ثم يتم تحويل هذه النيوترونات مرة أخرى إلى بروتونات، ما يعيق عملية r”.

وهذه البقعة الحلوة التي يتم فيها إنتاج العناصر الثقيلة بغزارة هي كتلة قرصية تتراوح بين 1 و10% من كتلة الشمس. وهذا يعني أن اندماج النجوم النيوترونية بكتل قرصية في هذا النطاق يمكن أن يكون عبارة عن مصانع للعناصر الثقيلة.

وقال عالم الفيزياء الفلكية أندرياس بوسوين من GSI: “هذه البيانات غير كافية حاليا. ولكن مع الجيل التالي من المسرعات، مثل مرفق أبحاث البروتون والأيونات (FAIR)، سيكون من الممكن قياسها بدقة غير مسبوقة في المستقبل. إن التفاعل المنسق جيدا للنماذج النظرية والتجارب والملاحظات الفلكية سيمكن الباحثين في السنوات القادمة من اختبار اندماج النجوم النيوترونية كأصل لعناصر عملية r”.

ونُشر البحث في الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.

المصدر: ساينس ألرت