High-Redshift Type Ia Supernovae Exhibit Enhanced Calcium Abundances

إن الكون ليس مجرد خلفية ثابتة؛ بل هو مصنع كيميائي يعمل منذ مليارات السنين. في بدايات الكون، كانت العناصر الوحيدة الموجودة هي الأبسط: الهيدروجين والهيليوم. أما كل شيء آخر —الكربون في عظامنا، والحديد في دمائنا، والكالسيوم في أسناننا— فقد صُهر داخل قلوب النجوم ثم تناثر عبر الفضاء عندما ماتت تلك النجوم. ومن بين أكثر المقابر النجمية أهمية هي المستعرات العظمى من النوع (Ia). هذه ليست انفجارات لنجوم ضخمة منفردة، بل هي انفجارات عنيفة للأقزام البيضاء، وهي النوى الكثيفة بحجم الأرض التي تتبقى بعد أن تنفد طاقة النجوم مثل شمسنا. ولأن هذه الانفجارات تحدث بطريقة محددة للغاية، فإنها تضيء بسطوع يمكن التنبؤ به، مما يجعلها أدوات لا تقدر بثمن لقياس المسافات الشاسعة في الكون. ولكن بعيدًا عن فائدتها كمساطر كونية، فإن هذه الانفجارات هي أيضًا المصدر الرئيسي للعديد من العناصر الثقيلة. ومن خلال دراسة الضوء المنبعث من هذه الانفجارات، يستطيع علماء الفلك قراءة الوصفة الكيميائية للكون في نقاط زمنية مختلفة، وتتبع كيفية تغير مكونات الكون عبر العصور.

لعقود من الزمن، استخدم علماء الفلك هذه الانفجارات النجمية لرسم خريطة لتوسع الكون، لكن دراسة جديدة وجهت اهتمامها نحو البصمات الكيميائية المتروكة خلفها. لطالما اشتبه الباحثون في أن البيئة التي ينفجر فيها النجم لها تأثير. ففي الكون المبكر، كانت المجرات مكونة من مواد "أحدث" تحتوي على عناصر ثقيلة أقل مقارنة بالمجرات الغنية بالمعادن التي نراها بالقرب منا اليوم. واقترحت النظرية أن هذا الاختلاف في المكونات الأولية قد يغير كيفية حدوث الان انفجار، مما قد يؤدي إلى تغيير كمية الكالسيوم المنتجة. ومع ذلك، كان اختبار هذه الفكرة صعبًا للغاية. فلكي يرى العلماء التركيب الكيميائي لمستعر أعظم، يتعين عليهم تحليل طيف الضوء الخاص به بدقة شديدة. ولكن بينما نتطلع إلى الوراء في الزمن إلى مستويات إزاحة حمراء أعلى —حيث يتمدد الضوء بسبب توسع الكون— تصبح الإشارات باهتة والبيانات مشوشة، مما يؤدي إلى فشل طرق التحليل التقليدية.

وللتغلب على هذا الحاجز، طور فريق من الباحثين بقيادة شينغزو تشين، وأوليسيس براغا-نيتو، وليفان وانغ نهجًا جديدًا باستخدام الذكاء الاصطناعي. لقد جمعوا بين مجموعتين متمايزتين من البيانات: مجموعة كبيرة ومدروسة جيدًا من المستعرات العظمى من مسح إرث المستعر الأعظم (Supernova Legacy Survey)، والتي تغطي الكون القريب نسبيًا، ومستعرين عظميين نادرين وبعيدين للغاية التقطهما تلسكوب جيمس ويب الفضائي. هذان الحدثان البعيدان، SN 2025ogs و SN H0pe، هما من بين أكثر المستعرات العظمى من النوع (Ia) بُعدًا والتي رُصدت طيفيًا، حيث يقع أحدهما عند إزاحة حمراء قدرها 2.05. ولتفسير الضوء الباهت والمضطرب لهذه الانفجارات البعيدة، درب الفريق نظامًا حاسوبيًا متطورًا على ملايين الأطياف المحاكات. تعلم هذا الذكاء الاصطناعي التعرف على الأنماط الدقيقة في الضوء التي تتوافق مع عناصر كيميائية محددة، مما سمح له باستنتاج تكوين الحطام حتى عندما كانت البيانات غير مثالية.

كشفت نتائج هذا التحليل عن اتجاه صارخ. فقد وجد الباحثون أن كمية الكالسيوم في حطام هذه المستعرات العظمى ليست ثابتة؛ بل تتغير اعتمادًا على مدى الرجوع في الزمن. وتحديدًا، اكتشفوا ارتباطًا إيجابيًا واضحًا بين وفرة الكالسيوم والإزاحة الحمراء. وبكلمات أبسط، فإن المستعرات العظمى التي انفجرت في الكون المبكر، عندما كان الكون أصغر سنًا بكثير، احتوت على كمية أكبر بكثير من الكالسيوم في طبقاتها الخارجية مقارنة بنظيراتها في الكون الحديث القريب. والزيادة كبيرة: فبين الإزاحة الحمراء صفر (الزمن الحاضر) والإزاحة الحمراء اثنين، زادت نسبة الكالسيوم إلى السيليكون في الحطام بمقدار 0.8 وحدة تقريبًا على المقياس اللوغاريتمي. وهذا تحول دراماتيكي يشير إلى أن فيزياء هذه الانفجارات قد تطورت عبر التاريخ الكوني.

ثم تساءل الفريق عما إذا كان يمكن تفسير هذا التغيير ببساطة من خلال حقيقة أن النجوم المبكرة ولدت من غاز يحتوي على عناصر ثقيلة أقل. وقارنوا ملاحظاتهم مقابل محاكاة حاسوبية مفصلة لكيفية انفجار المستعرات العظمى تحت ظروف مختلفة. وبينما أظهرت المحاكاة أن انخفاض المعدنية (قلة العناصر الثقيلة) يمكن أن يؤدي إلى زيادة طفيفة في الكالسيوم، إلا أن التأثير كان أصغر بكثير من أن يفسر ما لاحظه الباحثون. توقعت المحاكاة تغيرًا قدره حوالي 0.1 إلى 0.2 وحدة، في حين أظهرت البيانات الفعلية تغيرًا يقارب 0.8 وحدة. هذا التباين يشير إلى أن الاختلاف ليس مجرد مسأ ever من المكونات الأولية؛ بل يعني أن آلية الانفجار نفسها قد تغيرت. فالمستعرات العظمى ذات الإزاحة الحمراء العالية قد تمر بعملية انفجار من نوع مختلف، ربما تنتقل من الاحتراق البطيء إلى الانفجار السريع بطريقة أكثر كفاءة في إنتاج الكالسيوم من الانفجارات التي نراها اليوم.

ولضمان قوة هذه النتائج، تحقق الباحثون بعناية من العوامل الأخرى التي قد تحرف النتائج. فحصوا المجرات المضيفة للمستعرات العظمية، بحثًا عن ارتباطات مع عمر النجوم، وكتلة المجرة، وكمية الغبار. وبينما وجدوا بعض الروابط الضعيفة بين النسب الكيميائية وخصائص المجرات المضيفة، لم يتمكن أي من هذه العوامل من تفسير القفزة الهائلة في الكالسيوم المشهودة في الأحداث البعيدة. كما اختبروا ما إذا كانت قيود أدواتهم أو الأطوال الموجية المحددة للضوء التي يمكنهم رصدها تسبب انحيازًا. ومن خلال إجراء تحليلهم على مجموعات فرعية من البيانات بنطاقات أطوال موجية مختلفة، أكدوا أن الاتجاه حقيقي وليس نتاجًا لعملية القياس.

تقدم هذه الدراسة نافذة جديدة على دورات حياة النجوم عبر تاريخ الكون. فهي تشير إلى أن القواعد التي تحكم كيفية انفجار الأقزام البيضاء ليست ثابتة تمامًا؛ إذ قد تكون مختلفة في الكون المبكر، حيث أنتجت محصولًا أغنى من الكالسيما مما تنتجه الآن. وبينما تظل الطبيعة الدقيقة لهذا التغيير في فيزياء الانفجار لغزًا، فإن هذا الاكتشاف يؤكد أن التطور الكيميائي للكون أكثر تعقيدًا مما كان يُعتقد سابقًا. ومن خلال استخدام الذكاء الاصطناعي للنظر بعمق في الماضي أكثر من أي وقت مضى، أظهر الباحثون أن الوصفة الكيميائية للكون لا تزال تُعاد كتابتها، مع وجود أسرار في الماضي البعيد تتحدى فهمنا الحالي لموت النجوم.