Mixing stochasticity relinquishes evidence for magnetorotational hypernovae

في أعماق الهالة القديمة لمجرتنا، درب التبانة، مبعثرة بين النجوم التي تدور بعيدًا عن المركز المجري، تكمោن أحافير كيميائية. هذه النجوم قديمة جدًا وفقيرة جدًا في العناصر الثقيلة لدرجة أنها تعمل ككبسولات زمنية، تحفظ تكوين السحب الغازية التي ولدت منها قبل مليارات السنين. ومن خلال دراسة المزيج المحدد من العناصر في هذه النجوم، يمكن لعلماء الفلك إعادة بناء الأحداث العنيفة التي بذرت الكون المبكر باللبنات الأساسية للكواكب والحياة. فعندما يموت نجم ضخم في انفجار مستعر أعظم (سوبرنوفا)، أو عندما يصطدم نجمان نيوتونيان، فإنهما يصيغان عناصر جديدة وينثرانها في الفضاء. وعادة ما يروي نمط هذه العناصر في نجم واحد قصة حدث كارثي واحد لوّث سحابة ولادته. ومع ذلك، فإن الكون نادرًا ما يكون بسيطًا، فالسحب الغازية حيث تتشكل النجوم غالبًا ما تكون بيئات فوضوية وغير متجانسة الخلط. وهذا يعني أن النجم قد لا يلتقط المخرجات الكاملة لانفجار واحد، بل ربما يلتقط شريحة محددة وعشوائية منها، أو ربما مزيجًا من الحطام من مصادر مختلفة متعددة.

ركزت دراسة حديثة على نجم غريب بشكل خاص يُدعى SMSS J2003-1142، يقع في الأطراف الخارجية للمجرة. هذا النجم هو عملاق أحمر يحتوي على محتوى معدني أقل بنحو 3,000 مرة من الشمس، مما يضعه ضمن أكثر النجوم فقرًا للمعادن المعروفة. وهو يتحرك في مدار عكسي، مما يشير إلى أنه ربما تم التقاطه من مجرة قزمة صغيرة وقديمة اندمجت مع درب التبانة منذ زمن بعيد. ولأن هذا النجم يحتوي على كميات عالية بشكل غير عادي من العناصر الثقيلة الناتجة عن عملية التقاط النيوترونات السريعة، وهي عملية تُعرف باسم "عملية r"، فقد اقترح فريق من الباحثين قصة أصل درامية. حيث جادلوا بأن البصمة الكيميائية الفريدة لهذا النجم لا يمكن تفسيرها إلا بحدث واحد شديد الطاقة: مستعر أعظم مغناطيسي دوراني (magnetorotational hypernova). هذا الانفجار الافتراضي يتضمن نجمًا ضخمًا سريع الدوران ينهار ويطلق نفاثات قوية، مما يخلق العناصر الثقيلة القياسية وعناصر "عملية r" النادرة في آن واحد.

في تحليل جديد، تحدى الباحثان أنمول أغاروال ورافال شونريتش هذا التفسير الوحيد عالي الطاقة. فهما يقترحان أن التركيبة الكيميائية الغريبة للنجم ليست نتيجة لانفجار واحد غريب، بل هي نتيجة لعملية خلط أكثر شيوعًا ولكنها معقدة. وبدلاً من المستعر الأعظم فائق الطاقة، يقترحان أن النجم تشكل من سحابة غاز غنية بحدثين كونيين عاديين ولكن متميزين: مستعر أعظم تقليدي من انهيار قلب نجم ضخم، واندماج نجمين نيوتونيين. طبق الباحثان مفهومًا يُسمى "العشوائية في الخلط" (mixing stochasticity)، والذي يأخذ في الاعتبار حقيقة أن حطام المستعر الأعظم عند انفجاره لا ينتشر بشكل متساوٍ مثل الضباب الناعم، بل يكون المادة متكتلة وغير منتظمة. فقد يستنشق نجم يتشكل قريبًا جزءًا محددًا وعشوائيًا من ذلك الحطام، أو مزيجًا من حطام مصادر مختلفة، بدلاً من المخرجات الكاملة والمتوسطة للانفجار.

ولاختبار فكرتهما، بنى الفريق نموذجًا يجمع بين النواتج الكيميائية لمستعر أعظم قياسي واندماج نجمين نيوتونيين، ثم قام بمحاكاة كيف سيبدو المزيج العشوائي وغير المنتظم لهذه المواد عند دمجها في نجم جديد. وقارنوا هذه المحاكاة مقابل الوفرة الفعلية للعناصر المرصودة في SMSS J2003-1142. كانت النتائج مذهلة؛ فالنموذج القائم على مستعر أعظم قياسي واندماج نجمين نيوتونيين كان يتوافق مع البيانات المرصودة بشكل أفضل بكثير من نموذج المستعر الأعظم فائق الطاقة. وكان التباين بين توقعات المستعر الأعظم فائق الطاقة والواقع الفعلي للنجم أكبر بمرتين تقريبًا من التباين الذي وجد في النموذج الجديد ذي المصدرين. وتحديدًا، نجح النموذج الجديد في إعادة إنتاج مستويات عناصر مثل الكالسيوم والمغنيسيوم والنيكل، وهي العناصر التي عجز نموذج المستعر الأعظم فائق الطاقة عن مطابقتها، بينما استطاع أيضًا تفسير مستويات عناصر "عملية r" الثقيلة من خلال مكون اندماج النجمين النيوتونيين.

كما تناول الباحثون الحجج المحددة التي استُخدمت لدعم نظرية المستعر الأعظم فائق الطاقة. فقد أشارت الدراسة الأصلية إلى النسب العالية لبعض العناصر مثل الكوبالت والزنك كدليل على انفجار عالي الطاقة، لكن النموذج الجديد أظهر أن مستعرًا أعظم قياسيًا، عند خلطه مع مادة النجم النيوتوني، يمكن أن ينتج نفس هذه النسب دون الحاجة إلى حدث غريب فائق الطاقة. علاوة على ذلك، تبين أن فكرة وجوب أن يكون النجم قد جاء من سلف واحد معدوم المعدنية هي فكرة غير ضرورية؛ إذ يسمح نموذج الخلط طبيعيًا لمصادر متعددة بالمساهمة في تكوين نجم واحد مع الحفاظ على المحتوى المعدني الإجمالي منخفضًا للغاية. وتدعم الأدلة الإحصائية بقوة السيناريو الذي يفترض أن مستعرًا أعظم عاديًا واندماج نجمين نيوتونيين قد دمجوا حطامهم في سحابة غير منتظمة، بدلاً من مستعر أعظم فائق الطاقة واحد ونادر.

يشير هذا الاكتشاف إلى أن التاريخ الكيميائي للكون المبكر قد يكون أكثر تنوعًا وأقل اعتمادًا على الأحداث النادرة والمتطرفة مما كان يُعتقد سابقًا. وهو يعني أن أنماط الوفرة الغريبة التي تُرى في بعض أقدم النجوم لا تتطلب بالضرورة انفجارًا فريدًا لمرة واحدة لتفسيرها، بل يمكن فهمها كنتيجة لأحداث كونية شائعة —المستعرات العظم وسحق النجوم النيوتونية— تتفاعل مع الطبيعة الفوضوية وغير المنتظمة للسحب الغازية بين النجمية. ومن خلال إظهار أن مزيجًا أبسط وأكثر شيوعًا من الأحداث يناسب البيانات بشكل أفضل، ينقل هذا العمل التركيز بعيدًا عن البحث عن الانفجارات الغريبة فائقة الطاقة، ونحو فهم كيفية خلط وتوزيع حطام وفيات النجوم العادية في المجرة المبكرة. وهكذا، فإن النجم SMSS J2003-1142، الذي كان يُعتقد ذات يوم أنه الدليل القاطع على وجود مستعر أعظم فائق الطاقة، يقف الآن كشاهد على قوة الخلط وتنوع المصادر التي شكلت المشهد الكيميائي لحيّنا الكوني.