ابرنواخترهای فراطولی و بازنگری در منشأ ستارگان غنی از فلز

مقدمه

در چند دهه گذشته، اخترشناسان برای توضیح ترکیب شیمیایی غیرعادی برخی ستارگان در هاله کهکشان راه شیری و یک کهکشان کوتوله همسایه، به وجود نوعی انفجار ستاره‌ای بسیار پرانرژی به نام «ابرنواختر فراطولی» (hypernova) متوسل شده بودند. فرض بر این بود که این انفجارها ده برابر پرانرژی‌تر از ابرنواخترهای معمولی هستند و تنها در ستارگان بسیار پرجرم و با چرخش سریع رخ می‌دهند. اما اکنون گروهی از پژوهشگران دانشگاه کالج لندن (UCL) با مدل‌سازی دقیق نشان داده‌اند که شاید این انفجارهای عظیم هرگز رخ نداده باشند و ابرنواخترهای معمولی با پراکندگی نامتقارن مواد بتوانند همان ترکیب‌های شیمیایی را تولید کنند.

ابرنواختر و ابرنواختر فراطولی: تفاوت در چیست؟

وقتی ستاره‌ای پرجرم سوخت همجوشی هسته‌ای خود را تمام می‌کند، هسته‌اش فرو می‌ریزد و موج ضربه‌ای به لایه‌های بیرونی می‌فرستد که به انفجاری عظیم به نام ابرنواختر (supernova) می‌انجامد. در این انفجار، عناصری که ستاره در طول عمر خود ساخته است به فضای میان‌ستاره‌ای پرتاب می‌شوند و ماده اولیه نسل بعدی ستارگان را فراهم می‌کنند. ابرنواختر فراطولی نوعی انفجار فرضی است که در ستاره‌ای حتی پرجرم‌تر و با چرخش سریع‌تر رخ می‌دهد و انرژی آزادشده آن بسیار بیشتر است. تاکنون شواهد تجربی مستقیمی برای وجود ابرنواخترهای فراطولی وجود نداشت و تنها از راه بررسی ترکیب شیمیایی ستارگان باستانی به آن استناد می‌شد.

مشکل کجاست؟

پیش از این، اخترشناسان با تحلیل فراوانی عناصر در طیف ستارگان کهن، به این نتیجه رسیده بودند که برخی از آنها دارای نسبت‌های غیرعادی از عناصر سنگین مانند نقره و اورانیم هستند. این عناصر معمولاً در هسته ستارگان بسیار پرجرم یا در برخورد دو ستاره نوترونی تولید می‌شوند. اما در برخی ستارگان، الگوی عناصر سنگین با آنچه از برخورد ستارگان نوترونی انتظار می‌رود سازگار نبود. بنابراین فرض شد که این ستارگان از بقایای ابرنواخترهای فراطولی شکل گرفته‌اند. با این حال، این توضیح با یک فرض ساده‌انگارانه همراه بود: اینکه مواد انفجار به طور کامل و یکنواخت با محیط اطراف مخلوط می‌شوند.

مدل جدید: پراکندگی نامتقارن

تیم پژوهشی به سرپرستی آنمول آگاروال از UCL با طرح این پرسش که آیا ابرنواخترهای معمولی می‌توانند چنین ترکیب‌هایی را تولید کنند، مدل‌های ریاضی جدیدی توسعه دادند. آنها در این مدل‌ها فرض کردند که مواد پرتاب‌شده از یک ابرنواختر به طور یکنواخت در فضا پخش نمی‌شوند، بلکه هر عنصر ممکن است در جهتی خاص پرتاب شود. برای مثال، اکسیژن عمدتاً در یک جهت و گوگرد در جهت دیگر حرکت کند. ستاره جدید ممکن است از ترکیب تصادفی تکه‌هایی از این مواد شکل بگیرد، نه از ترکیب کلی عناصر ابرنواختر. رالف شوئنریش از آزمایشگاه علوم فضایی مولارد UCL در این باره می‌گوید: «ما مدل‌هایی ساختیم که این امر را در نظر می‌گیرد و در همه موارد دریافتیم که ستارگان با ترکیب غیرعادی به احتمال زیاد از ابرنواخترهای معمولی شکل گرفته‌اند. تمام شواهد برای ابرنواخترهای فراطولی ناگهان از بین رفت.»

بررسی موردی ستارگان

پژوهشگران ابتدا چهار ستاره را که گمان می‌رفت از مواد ابرنواختر فراطولی ساخته شده‌اند، بررسی کردند. مدل‌سازی نشان داد که سه مورد از آنها به احتمال زیاد از ابرنواخترهای معمولی منشأ گرفته‌اند. سپس یک ستاره غول سرخ در هاله راه شیری با ترکیب شیمیایی عجیب شامل فراوانی بالای عناصر سنگین مانند نقره و اورانیم را مطالعه کردند. این عناصر سنگین معمولاً در هسته ستارگان بسیار پرجرم یا در برخورد ستارگان نوترونی تولید می‌شوند. اما این ستاره برخی عناصر سنگین دیگر را که پس از برخورد ستارگان نوترونی انتظار می‌رود، نداشت. با استفاده از مدلی از راه شیری که به سرعت با عناصر سنگین غنی شده است، تیم نتیجه گرفت که این ستاره احتمالاً از یک کهکشان کوتوله فقیر از فلزات فرار کرده و سپس به کهکشان ما پیوسته است. رویداد سازنده آن نیز ترکیبی از برخورد ستارگان نوترونی و یک ابرنواختر معمولی بوده است، نه یک ابرنواختر فراطولی.

پیامدها برای اخترفیزیک

این یافته پیامدهای مهمی برای درک تحول شیمیایی کهکشان‌ها دارد. تاکنون مدل‌های تحول شیمیایی کهکشان‌ها بر این فرض استوار بودند که مواد ابرنواختر به طور یکنواخت با محیط میان‌ستاره‌ای مخلوط می‌شوند. اما اگر مخلوط شدن ناقص و نامتقارن باشد، توزیع عناصر در ستارگان نسل‌های بعدی می‌تواند بسیار متفاوت از آنچه تصور می‌شد باشد. این پژوهش نشان می‌دهد که برای تفسیر درست ترکیب شیمیایی ستارگان، باید به نحوه پراکندگی مواد در انفجارهای ابرنواختری توجه کرد. به گفته شوئنریش: «ما هنوز نمی‌دانیم که مواد ابرنواختر پیش از تشکیل ستارگان جدید تا چه حد با هم مخلوط می‌شوند. پژوهش ما نشان می‌دهد که مقداری مخلوط شدن رخ می‌دهد اما ناقص است. باید این را در مدل‌های تحول شیمیایی کهکشان‌ها و نحوه کار محیط میان‌ستاره‌ای لحاظ کنیم.»

نتیجه‌گیری

این مطالعه که در دو مقاله در ژورنال Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده است، نشان می‌دهد که احتمالاً نیازی به معرفی انفجارهای فراطولی برای توضیح ترکیب شیمیایی ستارگان غیرعادی نیست. ابرنواخترهای معمولی با پراکندگی نامتقارن مواد می‌توانند همان امضاهای شیمیایی را تولید کنند. این یافته نه تنها درک ما از انفجارهای ستاره‌ای را اصلاح می‌کند، بلکه بر مدل‌سازی تحول کهکشان‌ها و توزیع عناصر در کیهان تأثیر می‌گذارد. از این پس، اخترشناسان باید در تفسیر ترکیب شیمیایی ستارگان کهن، به ماهیت ناهمگون مواد پرتاب‌شده از ابرنواخترها توجه بیشتری داشته باشند.