برخورد ستارگان چگونه سنگین ترین عناصر جهان را تشکیل داد؟

ساختار درونی ستارگان نوترونی هنوز یک راز باقی مانده است. شاید بخش بزرگی از این ستارگان از نوترون ها و بخشی از سطح آنها از پروتون هایی تشکیل شده باشد که در پوسته هسته های سنگین تر قرار دارند. اما فضای داخلی آنها می تواند حتی عجیب تر باشد. در اعماق یک ستاره نوترونی، ماده می تواند شکل عجیبی به خود بگیرد و از سوپی از کوارک ها و گلوئون ها (ذراتی که ماده معمولی را تشکیل می دهند) به دریایی از هایپرون ها متشکل از کوارک های عجیب تغییر کند.

لاتیمر و شروم نشان دادند که وقتی یک ستاره نوترونی با سیاهچاله برخورد می کند، ماده غنی از نوترون به بیرون پرتاب می شود. اما تا سال 1982، دانشمندان موافق سناریوی برخورد دو ستاره نوترونی بودند. در حالی که برخی از محققان در حال کار برای درک چگونگی این برخوردها و تأثیر آنها بر ایجاد عناصر جدید بودند، برخی دیگر در تلاش بودند تا نوع نور حاصل از برخورد دو ستاره نوترونی را پیش بینی کنند. برخی افراد ارتباط بین برخورد ستاره های نوترونی و انفجار پرتو گاما را نشان داده اند. انفجارهای پرتو گاما انفجارهایی با انرژی بالا در فضا هستند که انفجارهای پرتوهای گاما را ساطع می کنند. از آنجایی که هسته‌های فرآیند r ناپایدار هستند و تحت واپاشی رادیواکتیو قرار می‌گیرند، می‌توانند مواد اطراف خود را گرم کرده و باعث شعله‌های الکترومغناطیسی شوند که حاوی ردپایی از عناصر تولید شده است. در سال 2010، برایان متزگر و همکارانش اصطلاح “کیلونووا” را برای اشاره به چنین شراره هایی ابداع کردند، زیرا آنها تقریبا 1000 برابر روشن تر از یک فلاش معمولی نوا هستند.

در گذشته، شواهد به پیشرفت‌های نظری محدود می‌شد، اما در چند سال گذشته، دانشمندان توانسته‌اند ادغام اجرام سنگین، به‌ویژه ستاره‌های نوترونی را مشاهده کنند.

سمفونی کیهانی

در سال 2015، رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) برای اولین بار امواج گرانشی را از ادغام دو سیاهچاله به نام GW150914 مشاهده کرد. پس از چند سال، LyGo و رصدخانه شریکش Virgo برخوردهای بیشتری را بین سیاهچاله های دوتایی مشاهده کردند. سپس در پاییز 2017، شایعاتی مبنی بر کشف اولین برخورد ستاره نوترونی توسط جفت لئو-ویرجو منتشر شد. بر اساس این خبر، اخترشناسان یک انفجار کوتاه پرتو گاما و چیزی شبیه به کیلونووا را مشاهده کردند. این کشف بسیاری از فیزیکدانان را هیجان زده کرد.

به زودی، LIGO و تلسکوپ های مختلف در سراسر جهان مشاهده یک موج گرانشی به نام GW170817 مرتبط با سیگنال های الکترومغناطیسی را اعلام کردند. مدت کوتاهی پس از کشف این رویداد، نزدیک به 70 مقاله در مورد آن در سایت آرشیو که پایگاهی برای انتشار اولین نسخه مقالات علمی است، منتشر شد. این رویداد پیش درآمدی برای وعده “نجوم پیام رسان چندگانه” بود که توانایی دیدن یک پدیده کیهانی از طریق “پیام رسان” های مختلف و ترکیب این اطلاعات برای دستیابی به درک کامل تر از رویداد است. این اولین باری بود که اخترشناسان امواج گرانشی و نور، از جمله نور پرتو گاما، نور پرتو ایکس، نور رادیویی و طیف مرئی را از یک منبع نجومی مشاهده کردند.

منبع امواج مشاهده شده توسط Lygo-Virgo برخورد یک جفت ستاره نوترونی در فاصله تقریباً 130 میلیون سال نوری از زمین بود. این فاصله ممکن است طولانی به نظر برسد، اما برای یک منبع موج گرانشی، فاصله نزدیک است. جزئیات سیگنال، مانند فرکانس و قدرت امواج، در طول زمان تغییر کرد. به این ترتیب محققان توانستند وزن هر ستاره نوترونی را برابر با 1.17 تا 1.6 برابر جرم خورشید با شعاع 11 تا 12 کیلومتر تخمین بزنند.

با رسیدن سیگنال امواج گرانشی، ستاره شناسان از تلسکوپ های موجود کمک گرفتند. برخلاف رویدادهای موج گرانشی قبلی، LyGo و Virgo مکان GW170817 را به ناحیه کوچک‌تری از آسمان محدود کردند. درست 1.7 ثانیه پس از رسیدن موج گرانشی، تلسکوپ های پرتو گامای Fermi-GBM و INTERGAL یک انفجار ضعیف پرتو گاما را شناسایی کردند که تنها چند ثانیه در جهت GW170817 طول کشید. این کشف برای اولین بار ارتباط بین ادغام ستاره های نوترونی و انفجارهای کوتاه پرتو گاما را ثابت کرد.

با این حال، داستان به اینجا ختم نشد. تصاویر گرفته شده توسط تلسکوپ 1 متری Henrietta Sopes در رصدخانه لاس کامپاناس شیلی منبع جدیدی از نور را در کهکشان درخشان قدیمی NGC 4993 نشان می دهد. با شکستن نور به رنگ های تشکیل دهنده آن و بررسی طیف آن، اخترشناسان به این نتیجه رسیدند که عناصر سنگین در یک کهکشان درخشان تشکیل شده اند. رویداد کیلونوا

چگونگی تغییر طیف کیلونوا در طول زمان نیز شگفت‌انگیز بود. طول موج‌های کوتاه‌تر نور، که آبی‌تر هستند، ابتدا به اوج رسیدند و طول‌موج‌های قرمز طولانی‌تر بعداً غالب شدند. این پیک ها را می توان بر اساس ترکیب و سرعت اولیه ماده ساطع شده از ادغام توصیف کرد. یک کیلونوا آبی از یک فوران سریع تولید می شود که عمدتاً از عناصر سبک تر تشکیل شده است و هیچ لانتانیدی ندارد. لانتانیدها عناصر فلزی جدول تناوبی از لانتانیم تا لوتسیم را تشکیل می دهند که در برابر نور آبی بسیار مات هستند. از سوی دیگر، کیلونوا قرمز نیاز به آزاد شدن آهسته مواد حاوی مقدار زیادی از عناصر سنگین، به ویژه لانتانیدها دارد.