اندماج النجوم النيوترونية

اندماج النجوم النيوترونية هو تصادم نجمين نيوترونيين . عندما يدخل نجمان نيوترونيان في مدار متبادل، يدوران حلزونيًا نحو الداخل تدريجيًا نتيجة فقدان الطاقة المنبعثة على شكل إشعاع جاذبي . ^{[ 1 ]} وعندما يلتقيان أخيرًا، يؤدي اندماجهما إلى تكوين إما نجم نيوتروني أكثر ضخامة، أو -إذا تجاوزت كتلة البقايا حد تولمان-أوبنهايمر-فولكوف- ثقبًا أسود . يمكن أن يُولّد هذا الاندماج مجالًا مغناطيسيًا أقوى بتريليونات المرات من المجال المغناطيسي للأرض في غضون جزء من الألف من الثانية. ^{[ 2 ]} ويُنتج هذا الحدث مباشرةً انفجارًا قصيرًا لأشعة غاما (sGRB) يمكن رؤيته على مدى مئات الملايين، أو حتى مليارات السنين الضوئية . ^{[ 3 ]}

يُؤدي اندماج النجوم النيوترونية مؤقتًا إلى خلق بيئة ذات تدفق نيوتروني هائل يسمح بحدوث عملية الالتقاط النيوتروني السريع (r -process) . ^{[ 4 ]} يُفسر هذا التفاعل التخليق النووي لنحو نصف نظائر العناصر الأثقل من الحديد. ^{[ 5 ]}

تُنتج عمليات الاندماج أيضًا الكيلونوفا ، ^{[ 6 ]} وهي مصادر عابرة للإشعاع الكهرومغناطيسي المتساوي الخواص ذي الموجات الطويلة، نتيجةً للتحلل الإشعاعي لنوى عملية الالتقاط السريع للنيوترونات الثقيلة التي تُنتج وتُقذف أثناء عملية الاندماج. ^{[ 7 ]} وقد نُوقشت الكيلونوفا كموقع محتمل لعملية الالتقاط السريع للنيوترونات منذ اقتراح التفاعل لأول مرة عام 1998، ^{[ 8 ]} ولكن الآلية أصبحت مقبولة على نطاق واسع بعد رصد حدث GW170817 متعدد الوسائط عام 2017.

في 17 أغسطس/آب 2017، رصد مرصدا ليغو وفيرجو التداخليان موجة الجاذبية GW170817 ، ^{[ 9 ]} وهي موجة مرتبطة باندماج نظام نجم نيوتروني ثنائي في مجرة ​​NGC 4993 الإهليلجية الواقعة في كوكبة الشجاع على بُعد حوالي 140 مليون سنة ضوئية. ^{[ 10 ]} تزامن ظهور GW170817 مع انفجار أشعة غاما قصير (يبلغ طوله حوالي ثانيتين) ، GRB 170817A ، الذي رُصد لأول مرة بعد 1.7 ثانية من إشارة اندماج موجات الجاذبية، وحدث رصدي مرئي رُصد لأول مرة بعد 11 ساعة، وهو حدث مسح سوب للمستعرات العظمى 2017a (SSS17a). ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

أثبت التزامن المكاني والزماني بين موجات الجاذبية GW170817 وانفجار أشعة غاما GRB 170817A أن اندماج النجوم النيوترونية ينتج عنه انفجارات أشعة غاما قصيرة. كما أظهر الكشف اللاحق عن SSS17a ^{[ 16 ]} في المنطقة التي عُرف أن GW170817 وGRB 170817A قد حدثا فيها، وامتلاكه الخصائص المتوقعة لانفجار كيلونوفا ، أن اندماج النجوم النيوترونية مسؤول أيضًا عن انفجارات الكيلونوفا. ^{[ 17 ]}

في عام 2018، أفاد علماء الفلك أن انفجار أشعة غاما القصير GRB 150101B ، الذي رُصد عام 2015 من مسافة أبعد بكثير، قد يكون أيضًا ناتجًا عن اندماج نجمين نيوترونيين. وقد وُصفت أوجه التشابه بين هذا الحدث وموجة الجاذبية GW170817 من حيث انبعاثات أشعة غاما والضوء المرئي والأشعة السينية ، فضلًا عن طبيعة المجرات المضيفة المرتبطة به ، بأنها "مذهلة"، مما يشير إلى أن اندماج النجوم النيوترونية وما يصاحبه من انفجارات كيلونوفا قد يكون أكثر شيوعًا في الكون مما كان يُعتقد سابقًا. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} وفي وقت لاحق من ذلك العام، انضم مرصد زويكي للظواهر العابرة إلى شبكة التتبع لإجراء عمليات رصد لاحقة ناتجة عن أحداث موجات الجاذبية. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

في ذلك العام أيضًا، قدّم العلماء طريقة جديدة لاستخدام معلومات من أحداث موجات الجاذبية (وخاصةً تلك التي تتضمن اندماج النجوم النيوترونية مثل GW170817) لتحديد ثابت هابل ، الذي يحدد معدل تمدد الكون . ^{[ 24 ] [ 25 ]} تختلف الطريقتان السابقتان لإيجاد ثابت هابل - إحداهما تعتمد على الانزياح الأحمر والأخرى على سلم المسافات الكونية - بنسبة 10% تقريبًا. ويمكن التوفيق بين هذا الاختلاف، المعروف بتوتر هابل ، باستخدام الكيلونوفا كنوع آخر من الشموع المعيارية . ^{[ 26 ]}

في أبريل 2019، أعلن مرصدا موجات الجاذبية ليغو وفيرجو عن رصد GW190425 ، ^{[ 27 ]} وهو حدث مرشح، باحتمالية 99.94%، لاندماج نجمين نيوترونيين. وعلى الرغم من عمليات الرصد اللاحقة المكثفة، لم يتم رصد أي نظير كهرومغناطيسي له. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

في ديسمبر 2022، أفاد علماء الفلك برصد انفجار أشعة غاما GRB 211211A لمدة 51 ثانية، وهو أول دليل على انفجار أشعة غاما طويل مرتبط باندماج "جسم ثنائي مضغوط"، والذي قد يشمل نجمًا نيوترونيًا ثنائيًا. ^{[ 31 ]} وبناءً على ذلك، يُعتقد أن انفجاري أشعة غاما GRB 191019A (2019، 64 ثانية) ^{[ 32 ]} و GRB 230307A (2023، 35 ثانية) ينتميان إلى هذه الفئة الناشئة من اندماج النجوم النيوترونية باعتبارهما أصلًا لانفجارات أشعة غاما طويلة. ^{[ 33 ]} وتشمل الاستدلالات غير المباشرة رصدًا متزامنًا لانفجارات الكيلونوفا، على سبيل المثال ، اكتشاف التيلوريوم واللانثانيدات في الطيف الناتج عن حدث 2023. ^{[ 34 ]}

تُصدر اندماجات النجوم النيوترونية مجموعة متنوعة بشكل غير عادي من الإشعاعات التي قد تكون ضارة بالحياة على الأرض، بما في ذلك انفجار أشعة غاما القصير الأولي ، والانبعاثات الناتجة عن التحلل الإشعاعي للعناصر الثقيلة المتناثرة من غلاف انفجار أشعة غاما القصير، ^{[ 36 ] [ 37 ]} والتوهج اللاحق لانفجار أشعة غاما القصير نفسه، ^{[ 38 ]} والأشعة الكونية المتسارعة بفعل الانفجار. وبحسب ترتيب الوصول، تصل موجات الجاذبية (غير الضارة) أولاً، ثم فوتونات انفجار أشعة غاما القصير والتوهج اللاحق بعد ثوانٍ إلى ساعات، بينما تصل جسيمات الأشعة الكونية بعد مئات إلى آلاف السنين.

تمتد المنطقة المميتة لمكون انفجار أشعة غاما القصيرة عالي التوجيه لمئات الفراسخ الفلكية على طول اتجاه شعاعه. ^{[ 39 ]} من شأن فوتونات أشعة غاما عالية الطاقة هذه أن تقضي على الحياة بشكل مباشر، من خلال الإجهاد الحراري، والتفكك الجزيئي، والضرر الإشعاعي النهائي الذي يلحق بالنباتات والحيوانات على حد سواء.

بغض النظر عن احتمال تعرض الأرض لضربة غير مقصودة من شعاع انفجار أشعة غاما قصير موجه، فإن أي اندماج لنجمين نيوترونيين يحدث ضمن نطاق 10 فرسخ فلكي من الأرض سيؤدي إلى انقراض البشرية بشكل نهائي . ^{[ 40 ]} تجرف المواد المقذوفة الوسط بين النجوم، مكونةً فقاعة تشبه بقايا المستعر الأعظم، تحمل جرعة قاتلة من الأشعة الكونية. إذا ابتلعت هذه البقايا الأرض، فإن هذه الأشعة الكونية ستدمر طبقة الأوزون ، مما يعرض النظام البيئي للأرض لمستويات قاتلة من الأشعة فوق البنفسجية من نوع UVB القادمة من الشمس . ^{[ 41 ]} كما يمكن أن تتفاعل هذه الأشعة مع الغلاف الجوي، مُنتجةً جسيمات الميونات ضعيفة التفاعل . سيكون تدفق هذه الجسيمات كافيًا لتعقيم الكوكب، حيث تخترق حتى أعماق الكهوف وتحت الماء. يكمن الخطر على الحياة في قدرة هذه الجسيمات على تعطيل الحمض النووي، مما يُسبب تشوهات خلقية وطفرات. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

بالمقارنة مع المستعرات العظمى، تؤثر اندماجات النجوم النيوترونية الثنائية على حجم مماثل تقريبًا من الفضاء، ولكن يُعتقد أنها أقل شيوعًا بكثير، ويتطلب مكون انفجار أشعة غاما القصيرة الأكثر خطورة فيها توجيه الشعاع بدقة نحو الأرض. وبناءً على ذلك، فإن التهديد الإجمالي لانقراض البشرية جراء حدث اندماج نجمين نيوترونيين ثنائيين منخفض للغاية. ^{[ 40 ]}

• مقاطع فيديو ذات صلة ( اعتبارًا من أكتوبر 2017) ):
  • AAAS (02:42) على يوتيوب
  • معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (03:56) على يوتيوب
  • معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (00:42) على يوتيوب
  • SciNews (01:46) على يوتيوب