كيفية تشكل النجوم المستعرة: الفيزياء وراء أكبر الانفجارات في الكون

النجم المستعر هو انفجار نهاية حياة النجم. وفقاً لناسا، يمكن للانفجار أن يصبح مشرقاً بمليارات المرات أكثر من الشمس لفترة قصيرة، مما يدمر النجم في حدث كارثي واحد. يصنف الفلكيون النجوم المستعرة إلى عائلتين رئيسيتين، محددتين بمحفزات فيزيائية مختلفة: النجوم المستعرة الناتجة عن انهيار اللب والنجوم المستعرة من النوع الأول (النووية الحرارية).

انهيار اللب: عندما ينفد وقود النجم الضخم

تشرح وزارة الطاقة الأمريكية أنه خلال معظم حياة النجم، تكون الجاذبية الداخلية والضغط الخارجي من الاندماج النووي متوازنة. في النجوم التي تبلغ كتلتها ثمانية أضعاف على الأقل كتلة الشمس، ينهار هذا التوازن في النهاية. وعندما ينفد الوقود النووي في اللب ويبرد، ينخفض الضغط الداخلي، وتستولي الجاذبية فجأة، مما يسبب انهيار النجم في ثوانٍ، وفقاً للوكالة.

تصف ناسا نفس العملية بمزيد من التفاصيل: تستمر الكتلة في التدفق إلى اللب مع إنتاج الاندماج للحديد، الذي لا يمكن اندماجه بشكل أعمق لتحرير الطاقة. بمجرد أن تصبح نواة الحديد ثقيلة جداً لدعم وزنها الخاص، تنهار ثم ترتد، مما يولد موجة صدمة. وفقاً لناسا، تسخن موجة الصدمة هذه المادة المحيطة، وتندمج الطبقات الخارجية في عناصر جديدة، وتقذف المادة إلى الفضاء. تُنتج هذه الآلية ما يصنفه الفلكيون على أنه نجوم مستعرة من النوع الثاني والنوع إيب والنوع آيس، اعتماداً على الطبقات الخارجية التي كان النجم قد تخلص منها بالفعل قبل الانفجار.

النوع الأول: تفاعل متسلسل نووي حراري على قزم أبيض

الآلية الثانية لا تتضمن أي نجم ضخم على الإطلاق. تحدث النجوم المستعرة من النوع الأول في أنظمة ثنائية حيث يدور قزم أبيض — البقايا الكثيفة لنجم شبيه بالشمس — حول نجم مرافق ويسحب المادة منه تدريجياً. مع اكتساب القزم الأبيض للكتلة، ترتفع درجة حرارته الداخلية. توضح ناسا أنه بمجرد تجاوز القزم الأبيض لحوالي 1.4 ضعف كتلة الشمس، وهي عتبة معروفة باسم حد تشاندراسيخار، تصبح درجات الحرارة شديدة بما يكفي لإشعال اندماج هارب للعناصر الأثقل، مما يسبب انفجار القزم الأبيض. تضيف وزارة الطاقة أنه في بعض الأنظمة الثنائية، يصطدم قزمان أبيضان بدلاً من ذلك، محققان نفس النتيجة الانفجارية.

لأن الانفجار يُحفز عند حد كتلة متسق، تحرر النجوم المستعرة من النوع الأول كمية طاقة متشابهة في كل مرة. تلاحظ ناسا أن الفلكيين يستخدمونها كشموع معيارية: بمقارنة مدى إضاءة نجم مستعر من النوع الأول كما يبدو من الأرض مع إضاءته المتأصلة المعروفة، يمكن للباحثين حساب المسافة إلى المجرة التي تضمه. تذكر ناسا أيضاً أن أحداث النوع الأول تحدث تقريباً مرة واحدة كل 500 سنة في درب التبانة.

ما يحدث بعد الانفجار

تعتمد البقايا المتبقية على مقدار الكتلة التي تبقى بعد انهيار اللب. تذكر ناسا أنه إذا كان اللب المتبقي أقل من حوالي ثلاث كتل شمسية، يستقر في نجم نيوترون فائق الكثافة؛ فوق تلك العتبة، يستمر الانهيار إلى ثقب أسود. تصف وزارة الطاقة نفس النتيجة العامة: النجوم الضخمة جداً تترك خلفها ثقب أسود، بينما تصبح البقايا الأصغر نجم نيوترون فائق الكثافة.

تساعد النجوم المستعرة أيضاً في صنع عناصر كيميائية جديدة. تلاحظ ناسا أن الاندماج في موجة صدمة الانفجار ينتج عناصر جديدة مع قذف المادة إلى الفضاء. في حدث ذي صلة لكن منفصل يسمى كيلونوفا، والذي يحدث عندما يندمج نجما نيوترون، تقول ناسا أن الظروف الغنية بالنيوترونات تسمح بانصهار الذرات في عناصر ثقيلة مثل الذهب والبلاتين. تنص وزارة الطاقة على أن نجماً مستعراً يحدث في مكان ما في الكون تقريباً كل 10 ثوانٍ.

مثال حي: SN 1987A

أوضح مثال عملي في العالم الحقيقي لانهيار اللب يأتي من السوبرنوفا 1987A. وفقاً لفريق تلسكوب ويب التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، وصل ضوء الانفجار إلى الأرض في فبراير 1987 من السحابة الماجيلانية الكبرى، على بعد حوالي 160,000 سنة ضوئية، مما جعله أول نجم مستعر مرئي بالعين المجردة منذ 1604. في فبراير 2024، أفادت وكالة الفضاء الأوروبية أن أجهزة MIRI و NIRSpec لتلسكوب جيمس ويب الفضائي كشفت عن الأرجون المؤين — ذرات مجردة من خمسة إلكترونات — في مركز البقايا، وهي علامة تتطلب مصدراً نشطاً بشدة.

تصف وكالة الفضاء الأوروبية هذا على أنه أول دليل مباشر على أن نجماً مستعراً ناتجاً عن انهيار اللب أنتج نجم نيوترون بدلاً من ثقب أسود في حالة كان يمكن للفلكيين مراقبتها تقريباً منذ لحظة الانفجار، مما يؤكد عقوداً من التنبؤ النظري ببيانات حقيقية.

النجوم المستعرة الناتجة عن انهيار اللب مقابل النوع الأول