الفلك

هل يمكن أن تشكل الثقوب السوداء عناصر أثقل لم يتم اكتشافها بعد؟

هل يمكن أن تشكل الثقوب السوداء عناصر أثقل لم يتم اكتشافها بعد؟

ملاحظات

  • أثقل العناصر المعروفة بكثرة في الطبيعة تتشكل في أعماق النجوم.

  • أصبحت هذه العناصر ممكنة بسبب الكثافة / الضغوط العالية داخل النجوم.

  • من المعروف أن الثقوب السوداء لها كثافة / ضغط أعلى بكثير من أي نجم معروف.

  • من المعروف أيضًا أن الثقوب السوداء هي مرحلة من مراحل تطور النجوم - يشير هذا إلى أن العملية الداخلية للنجم الأصلي لتشكيل المعادن ستستمر داخل الثقب الأسود الناتج.

  • صاغ العلماء معادن ثقيلة اصطناعية / سريعة الزوال في ظل ظروف يمكن افتراضياً أن تستمر داخل الثقب الأسود.

فرضية:

تشكل الثقوب السوداء عناصر أثقل لم يتم ملاحظتها على الأرض. تعتبر الظروف اللازمة للحفاظ على هذه العناصر فريدة بالنسبة للثقب الأسود ، بسبب كثافته / ضغوطه العالية. يمكن إلقاء نظرة خاطفة على هذه الشروط ، ولكن لا يمكن الحفاظ عليها في أي سياق تجريبي

أسئلة المتابعة:

  • هل تم افتراض هذا؟

  • أين يمكنني أن أجد بحثا حول هذا الموضوع؟


لا تكمن مشكلة العناصر فائقة الثقل في أننا لا نستطيع تشكيلها. مشكلتهم هي أنها تتحلل بسرعة كبيرة. على سبيل المثال ، Oganesson ، أثقل عنصر تم تصنيعه حتى الآن ، له عمر نصف يبلغ 181 مللي ثانية.

من الناحية النظرية ، يمكن إنشاء الكثير من العناصر الأثقل في مسرعات الجسيمات ، ولكن لا توجد طريقة حتى لاكتشافها.

في النجوم النيوترونية ، أو في انفجار السوبرنوفا ، يتم إنشاء جميع العناصر ، ولكن لا توجد طريقة حتى لاكتشافها. يمكننا اعتبار النجم النيوتروني كنواة كبيرة مع $ حوالي 10 ^ {56} دولار النيوترونات.1

في الثقوب السوداء ، الحقيقة هي أنه لا أحد يعرف ما بداخلها. إنها لا تشع بأي شيء (مع استثناء صغير جدًا) ، ولا شيء يترك التفرد فيها. لفهم ما بداخلهم ، سيتطلب تقدمًا غير واقعي في الفيزياء حاليًا. ربما لا تكون التفردات في مركزها مادة باريونية ، ومع ذلك ، لا يمكننا القول أنها ستكون أي عنصر كيميائي.

1كما يقول تعليق @ PM2Ring الممتاز ، تحتوي النجوم النيوترونية أيضًا على عدد كبير من الجسيمات الأخرى ، ليس فقط النيوترونات. أنا أيضًا أمتد إلى أنهم مرتبطون بالجاذبية وليس بالتفاعل القوي ، مما يجعلهم في هذا الجانب مختلفين جوهريًا عن النوى.


تتشكل أثقل العناصر المعروفة في الطبيعة في أعماق النجوم.

لا ، أثقل العناصر على الأرض مصنوعة في المختبرات العلمية ، أو في الجاذبية الشديدة لقشرة نجم نيوتروني.

أصبحت هذه العناصر ممكنة بسبب الكثافة العالية / درجة الحرارة / الضغوط داخل النجوم.

يمكن صنع العديد من العناصر الأكبر في تصادم المستعرات الأعظمية والنجوم النيوترونية ، وليس في النجوم. يتطلب شروطا قاسية لتشكيل هذه العناصر.

من المعروف أن الثقوب السوداء تتمتع بكثافة / درجة حرارة / ضغط أعلى بكثير من أي نجم معروف.

الثقوب السوداء شديدة البرودة في الواقع ، فهي "تمتص" أي إشعاع يمر عبر أفق الحدث. قد تكون بعض المواد شديدة السخونة خارج أفق الحدث ، لكنها في الواقع ليست شديدة السخونة مقارنة بنواة النجم.

من المعروف أيضًا أن الثقوب السوداء هي مرحلة من مراحل التطور النجمي - وهذا يشير إلى أن العملية الداخلية للنجم الأصلي لتشكيل المعادن ستستمر داخل الثقب الأسود الناتج.

لا ، يسقط كل شيء داخل الثقب الأسود ويصل إلى حالة التفرد في فترة زمنية قصيرة.

صاغ العلماء معادن ثقيلة اصطناعية / سريعة الزوال في ظل ظروف يمكن افتراضياً أن تستمر داخل الثقب الأسود.

على النحو الوارد أعلاه ، فإن الظروف خارج أفق الحدث لا تشبه أي شيء لدينا على الأرض ، لأن هناك تفردًا لا مفر منه.

بعد أن عبرت بعض المواد أفق الحدث ، فإنها ستصل بالتأكيد إلى التفرد. (بالطريقة نفسها التي ستصل بها بالتأكيد غدًا) ومع اقترابها تزداد تأثيرات المد والجزر ، مما يؤدي في النهاية إلى تمزيق الذرات. تميل الجاذبية الشديدة في الثقب الأسود إلى تفكيك المادة بعيدًا عن دمجها في ذرات أكبر.

قد يكون هناك تخليق نووي في قرص التنامي حول الثقب الأسود. في حين أن كمية الذرات عالية الكتلة المصنوعة هنا صغيرة نسبيًا ، فقد تكون مفيدة من أجل اكتشاف وتمييز الثقوب السوداء عن النجوم النيوترونية أو الأقزام البيضاء.


تتمتع العناصر فائقة الثقل بنصف عمر قصير بسبب عدم استقرارها الشديد فيما يتعلق باضمحلال ألفا وانشطارها. هذا نتيجة لشحنتها الكهربائية العالية ، مما ينتج عنه قوى تنافر كهربائية قوية. على الرغم من أن المنظرين توقعوا "جزيرة استقرار" بسبب تأثيرات الغلاف الميكانيكي الكمومي ، فإن هذا الاستقرار شيء نسبي. ما زلنا نتحدث عن نصف عمر في حدود ثواني أو أقل. لذا فإن أي عنصر من هذا القبيل تم إنشاؤه بواسطة العمليات الفيزيائية الفلكية لن يستمر طويلاً ، حتى لو لم يقع في الثقب الأسود.

لذلك من المتصور أنه في قرص التنامي ، خارج أفق الحدث ، يمكنك الحصول على بعض أحداث الاندماج التي تؤدي إلى تكوين عناصر فائقة الثقل ، لكن هذه العناصر لن تبقى على قيد الحياة لفترة طويلة جدًا ، حتى لو تم إخراجها بطريقة ما بدلاً من تجاوز الأفق. والطرق العادية لاكتشاف وتوصيف العناصر فائقة الثقل لن تعمل هنا. عادةً ما نبحث عن أشياء مثل سلاسل تسوس ألفا ذات طاقات ألفا المميزة. لن يمكن اكتشافها من خارج قرص التراكم ، لأن الجسيمات المشحونة تتفاعل بقوة مع المادة وتتوقف.

تعتبر الظروف اللازمة للحفاظ على هذه العناصر فريدة بالنسبة للثقب الأسود ، بسبب كثافته / ضغوطه العالية.

من المحتمل أن يكون الجزء الداخلي من الثقب الأسود (داخل أفق الحدث) فراغًا جيدًا للغاية. ستكون الكثافات والضغوط العالية الوحيدة قريبة من التفرد. لذا فإن أي مادة غريبة تكونت بكثافات وضغوط عالية لن يمكن ملاحظتها من الأرض ولن يكون لها أي عواقب على الكون الخارجي ، لأنه لا شيء يمكن أن يهرب من داخل أفق الحدث.

إذا أرسلنا مسبارًا فضائيًا داخل ثقب أسود للبحث عن مادة غريبة تتشكل بالقرب من التفرد ، فلن يتمكن المسبار من الإبلاغ عن نتائجه مرة أخرى. أيضًا ، ستوجد منطقة المادة المتساقطة عالية الكثافة والضغط العالي بالقرب من التفرد ، والتي من المحتمل ألا تكون قابلة للاكتشاف للمسبار حتى يتم تدمير المسبار نفسه بواسطة نفس العمليات. (في داخل الثقب الأسود ، إذا كانت النسبية العامة صحيحة ، فلا يمكنك رؤية التفرد. أنت ترى فقط الفوتونات المتساقطة من الخارج).

إذا تشكلت المادة الغريبة بالقرب من التفرد ، فإنها ستوجد فقط لفترة قصيرة جدًا قبل أن تتراكم على التفرد. (الحد الأقصى لوقت الانقلاب لثقب أسود كتلته 10 شمسي هو في حدود المللي ثانية من الأفق إلى التفرد.) لا نعرف حقًا ما يحدث عند التفرد ، ولكن بالتأكيد لا يمكننا الحصول على نوى ذرية تحت هذه الظروف.


ربما ساعدت الثقوب السوداء البدائية في تشكيل العناصر الثقيلة

تصوير فنان لنجم نيوتروني. الائتمان: ناسا

يحب علماء الفلك أن يقولوا إننا نتاج ثانوي للنجوم ، أفران نجمية صهرت منذ زمن بعيد الهيدروجين والهيليوم في العناصر اللازمة للحياة من خلال عملية التخليق النووي النجمي.

كما قال الراحل كارل ساجان ذات مرة: "النيتروجين في حمضنا النووي ، والكالسيوم في أسناننا ، والحديد في دمائنا ، والكربون الموجود في فطائر التفاح ، تم صنعه في الأجزاء الداخلية من النجوم المنهارة. نحن مصنوعون من مادة النجوم. "

ولكن ماذا عن العناصر الأثقل في المخطط الدوري ، عناصر مثل الذهب والبلاتين واليورانيوم؟

يعتقد علماء الفلك أن معظم هذه "عناصر عملية r" - وهي عناصر أثقل بكثير من الحديد - قد نشأت ، إما في أعقاب انهيار النجوم الضخمة وانفجارات السوبرنوفا المصاحبة لها ، أو في اندماج أنظمة النجوم الثنائية النيوترونية.

أوضح جورج فولر ، عالم الفيزياء الفلكية النظرية وأستاذ الفيزياء الذي يدير مركز الفيزياء الفلكية وعلوم الفضاء بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو: "كانت هناك حاجة إلى نوع مختلف من الأفران لتشكيل الذهب والبلاتين واليورانيوم ومعظم العناصر الأخرى الأثقل من الحديد". "هذه العناصر على الأرجح تكونت في بيئة غنية بالنيوترونات."

في ورقة نشرت في 7 أغسطس في المجلة رسائل المراجعة البدنيةقدم هو واثنين من علماء الفيزياء الفلكية النظرية الآخرين في جامعة كاليفورنيا ، وهما أليكس كوسينكو وفولوديمير تاكيستوف ، وسيلة أخرى يمكن أن تنتج النجوم بواسطتها هذه العناصر الثقيلة: الثقوب السوداء الصغيرة التي تلامس مع النجوم النيوترونية والتقاطها ، ثم تدميرها.

النجوم النيوترونية هي أصغر النجوم وأكثرها كثافة في الوجود ، وهي كثيفة لدرجة أن ملعقة من سطحها تعادل كتلة ثلاثة مليارات طن.

الثقوب السوداء الصغيرة هي أكثر تخمينًا ، لكن يعتقد العديد من علماء الفلك أنها يمكن أن تكون نتيجة ثانوية للانفجار العظيم وأنها يمكن أن تشكل الآن جزءًا صغيرًا من "المادة المظلمة" - الأشياء غير المرئية وغير المتفاعلة تقريبًا التي تكشف عنها الملاحظات موجودة في كون.

إذا كانت هذه الثقوب السوداء الصغيرة تتبع توزيع المادة المظلمة في الفضاء وتعايشت مع النجوم النيوترونية ، يؤكد فولر وزملاؤه في ورقتهم البحثية أن بعض الفيزياء المثيرة للاهتمام ستحدث.

لقد حسبوا أنه في حالات نادرة ، سوف يلتقط نجم نيوتروني مثل هذا الثقب الأسود ثم يلتهمه من الداخل إلى الخارج. يمكن أن تؤدي هذه العملية العنيفة إلى طرد بعض مادة النجوم النيوترونية الكثيفة في الفضاء.

وأوضح فولر أن "الثقوب السوداء الصغيرة الناتجة عن الانفجار العظيم يمكنها أن تغزو نجمًا نيوترونيًا وتلتهمه من الداخل". "في الملي ثانية الأخيرة من زوال النجم النيوتروني ، فإن كمية المواد المقذوفة الغنية بالنيوترونات كافية لتفسير الوفرة المرصودة للعناصر الثقيلة."

وأضاف: "عندما تلتهم النجوم النيوترونية ، فإنها تدور وتخرج مادة نيوترونية باردة ، مما يؤدي إلى فك الضغط ، وتسخينه ، ويصنع هذه العناصر".

ستوفر عملية إنشاء أثقل عناصر الجدول الدوري أيضًا تفسيرات لعدد من الألغاز الأخرى التي لم يتم حلها في الكون وداخل مجرتنا درب التبانة.

قال فولر: "بما أن هذه الأحداث نادرًا ما تحدث ، يمكن للمرء أن يفهم سبب تخصيب مجرة ​​واحدة فقط من بين كل عشر مجرات قزمة بالعناصر الثقيلة". "التدمير المنهجي للنجوم النيوترونية بواسطة الثقوب السوداء البدائية يتوافق مع ندرة النجوم النيوترونية في مركز المجرة وفي المجرات القزمة ، حيث يجب أن تكون كثافة الثقوب السوداء عالية جدًا."

بالإضافة إلى ذلك ، حسب العلماء أن طرد المادة النووية من الثقوب السوداء الصغيرة التي تلتهم النجوم النيوترونية من شأنه أن ينتج ثلاث ظاهرة أخرى غير مبررة لاحظها علماء الفلك.

"إنها عرض مميز لضوء الأشعة تحت الحمراء (يُطلق عليه أحيانًا" كيلونوفا ") ، وهو انبعاث راديوي قد يفسر الانفجارات الراديوية الغامضة من مصادر غير معروفة في أعماق الكون ، والبوزيترونات التي تم اكتشافها في مركز المجرة من خلال ملاحظات الأشعة السينية قال فولر. "كل واحدة من هذه تمثل ألغازًا طويلة الأمد. ومن المدهش حقًا أن حلول هذه الظواهر التي تبدو غير ذات صلة قد تكون مرتبطة بالنهاية العنيفة للنجوم النيوترونية على أيدي الثقوب السوداء الصغيرة."


مفاجأة سوبرنوفا تخلق لغزًا عنصريًا

اكتشف باحثو جامعة ولاية ميشيغان (MSU) أن أحد أهم التفاعلات في الكون يمكن أن يحصل على دفعة هائلة وغير متوقعة داخل النجوم المتفجرة المعروفة باسم المستعرات الأعظمية.

تتحدى هذه النتيجة أيضًا الأفكار الكامنة وراء كيفية تكوين بعض العناصر الثقيلة على الأرض. على وجه الخصوص ، فإنه يقلب نظرية تشرح الكميات الكبيرة غير المعتادة من بعض الأشكال أو النظائر لعنصري الروثينيوم والموليبدينوم.

قال لوك روبرتس ، الأستاذ المساعد في منشأة أشعة النظائر النادرة ، FRIB ، وقسم الفيزياء وعلم الفلك ، في جامعة ولاية ميشيغان: "إنه أمر مثير للدهشة". نفذ روبرتس كود الكمبيوتر الذي استخدمه الفريق لنمذجة البيئة داخل مستعر أعظم. "لقد أمضينا بالتأكيد الكثير من الوقت في التأكد من صحة النتائج".

النتائج المنشورة على الإنترنت في 2 ديسمبر في المجلة طبيعة، تبين أن المناطق الأعمق من المستعرات الأعظمية يمكنها تكوين ذرات الكربون أسرع بعشر مرات مما كان يعتقد سابقًا. يحدث تكوين الكربون هذا من خلال تفاعل يُعرف باسم عملية ألفا ثلاثية.

قال هندريك شاتز ، أحد المتعاونين مع روبرتس: "رد الفعل الثلاثي ألفا هو ، من نواح كثيرة ، التفاعل الأكثر أهمية. إنه يحدد وجودنا". شاتز هو أستاذ جامعي متميز في قسم الفيزياء وعلم الفلك وفي مرفق حزم النظائر النادرة ومدير المعهد المشترك للفيزياء الفلكية النووية - مركز تطور العناصر ، أو JINA-CEE.

تقريبًا كل الذرات التي تتكون منها الأرض وكل شيء فيها ، بما في ذلك البشر ، تم تشكيلها في النجوم. قد يتذكر محبو المؤلف والعالم الراحل كارل ساجان اقتباسه الشهير ، "كلنا مصنوعون من النجوم." ربما لا توجد أشياء نجمية أكثر أهمية للحياة على الأرض من الكربون الذي صنعه الكون بواسطة عملية ثلاثية ألفا.

تبدأ العملية بجزيئات ألفا ، وهي نوى ذرات الهيليوم. يتكون كل جسيم ألفا من بروتونين ونيوترونين.

في عملية ثلاثية ألفا ، تدمج النجوم معًا ثلاثة جسيمات ألفا ، مكونة جسيمًا جديدًا من ستة بروتونات وستة نيوترونات. هذا هو الشكل الأكثر شيوعًا للكربون في الكون. هناك نظائر أخرى صنعتها عمليات نووية أخرى ، لكن تلك النظائر تشكل ما يزيد قليلاً عن 1٪ من ذرات الكربون على الأرض.

ومع ذلك ، فإن دمج ثلاثة جسيمات ألفا معًا عادة ما يكون عملية غير فعالة ، كما قال روبرتس ، ما لم يكن هناك شيء يساعدها. كشف فريق سبارتان أن المناطق الأعمق من المستعرات الأعظمية يمكن أن يكون لها مثل هذه المساعِدات العائمة: البروتونات الزائدة. وبالتالي ، يمكن للمستعر الأعظم الغني بالبروتونات تسريع تفاعل ألفا الثلاثي.

لكن روبرتس قال إن تسريع تفاعل ثلاثي ألفا يحد أيضًا من قدرة المستعر الأعظم على صنع عناصر أثقل في الجدول الدوري. هذا مهم لأن العلماء اعتقدوا منذ فترة طويلة أن المستعرات الأعظمية الغنية بالبروتونات خلقت وفرة مدهشة للأرض من بعض نظائر الروثينيوم والموليبدينوم ، والتي تحتوي على ما يقرب من 100 بروتون ونيوترون.

قال روبرتس "أنت لا تصنع تلك النظائر في أماكن أخرى".

لكن بناءً على الدراسة الجديدة ، ربما لا تجعلها في حالة مستعرات أعظم غنية بالبروتونات أيضًا.

وقال شاتز عن النظائر: "ما أجده رائعًا هو أنه يتعين عليك الآن التوصل إلى طريقة أخرى لشرح وجودهم. لا ينبغي أن يكونوا هنا بهذه الوفرة". "ليس من السهل إيجاد بدائل".

"إنه نوع من المشكله بطريقة ما" ، قال مبتكر المشروع ، سام أوستن ، أستاذ متميز في جامعة ولاية ميشيغان والمدير السابق للمختبر الوطني فائق التوصيل Cyclotron ، سلف FRIB. "اعتقدنا أننا نعرف ذلك ، لكننا لا نعرفه جيدًا بما فيه الكفاية".

وأضاف الباحثون أن هناك أفكارًا أخرى ، لكن لا شيء يجدها العلماء النوويون مرضيًا تمامًا. أيضًا ، لا توجد نظرية حالية تتضمن هذا الاكتشاف الجديد حتى الآن.

قال شاتز: "أيا كان ما سيأتي بعد ذلك ، عليك أن تفكر في تأثيرات تفاعل ثلاثي ألفا المتسارع. إنه لغز مثير للاهتمام".

على الرغم من أن الفريق ليس لديه حلول فورية لهذا اللغز ، إلا أن الباحثين قالوا إنه سيؤثر على التجارب القادمة في FRIB ، في جامعة ولاية ميشيغان ، والتي تم تصنيفها مؤخرًا كمنشأة مستخدم تابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE-SC).

علاوة على ذلك ، توفر جامعة ولاية ميشيغان أرضًا خصبة لتنبت نظريات جديدة. فهي موطن لأفضل برنامج للخريجين في البلاد لتدريب الجيل القادم من علماء الفيزياء النووية. إنها أيضًا مؤسسة أساسية لـ JINA تعمل على تعزيز التعاون عبر الفيزياء النووية والفيزياء الفلكية مثل هذه ، والتي تضم أيضًا Shilun Jin. عمل جين في المشروع باعتباره باحثًا لما بعد الدكتوراة في جامعة ولاية ميشيغان وانضم منذ ذلك الحين إلى الأكاديمية الصينية للعلوم.

لذلك ، على الرغم من أن أوستن أعرب عن خيبة أمل قليلة من أن هذه النتيجة تتعارض مع المفاهيم القديمة حول تكوين العناصر ، إلا أنه يعلم أيضًا أنها ستغذي العلوم الجديدة وفهمًا أفضل للكون.

وقال: "يأتي التقدم عندما يكون هناك تناقض".

قال شاتز: "نحن نحب التقدم". "حتى عندما تدمر نظريتنا المفضلة."


الثقب الأسود الضخم يحطم الرقم القياسي

باستخدام قمرين صناعيين تابعين لوكالة ناسا ، اكتشف علماء الفلك أثقل ثقب أسود معروف يدور حول نجم. الثقب الأسود الجديد ، الذي تبلغ كتلته من 24 إلى 33 ضعف كتلة شمسنا ، أكبر مما توقع العلماء لثقب أسود تشكل من نجم محتضر.

ينتمي الجسم المكتشف حديثًا إلى فئة الثقوب السوداء ذات "الكتلة النجمية". تشكلت في خضم موت النجوم الضخمة ، وهي أصغر من الثقوب السوداء الوحشية الموجودة في قلب المجرة. حامل الرقم القياسي السابق لأكبر ثقب أسود ذو كتلة نجمية هو ثقب أسود كتلته 16 كتلة شمسية في المجرة M33 ، المُعلن عنها في 17 أكتوبر.

يقول أندريا بريستويتش من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية في كامبريدج ، ماساتشوستس ، المؤلف الرئيسي لورقة الاكتشاف في 1 نوفمبر: "كنا نتوقع العثور على ثقب أسود ذو كتلة نجمية بهذه الضخامة". "يبدو من المرجح أن الثقوب السوداء التي تتشكل من النجوم المحتضرة يمكن أن تكون أكبر بكثير مما كنا نتصور."

يقع الثقب الأسود في المجرة القزمة القريبة IC 10 ، على بعد 1.8 مليون سنة ضوئية من الأرض في كوكبة ذات الكرسي. يمكن لفريق Prestwich & rsquos قياس كتلة الثقب الأسود وكتلة rsquos نظرًا لوجود رفيق يدور حوله: نجم ساخن متطور للغاية. يقوم النجم بإخراج غاز على شكل ريح. بعض هذه المواد تدور باتجاه الثقب الأسود ، وتسخن ، وتطلق أشعة سينية قوية قبل عبور نقطة اللاعودة.

في تشرين الثاني (نوفمبر) 2006 ، لاحظت بريستويتش وزملاؤها المجرة القزمة مع مرصد ناسا و rsquos Chandra للأشعة السينية. اكتشفت المجموعة أن مصدر الأشعة السينية الأكثر سطوعًا في galaxy & rsquos ، IC 10 X-1 ، يظهر تغيرات حادة في سطوع الأشعة السينية. يشير هذا السلوك إلى وجود نجم يمر بشكل دوري أمام ثقب أسود مصاحب ويمنع الأشعة السينية ، مما يؤدي إلى حدوث كسوف. في أواخر نوفمبر ، أكد القمر الصناعي ناسا و rsquos Swift حدوث الكسوف وكشف تفاصيل حول مدار النجم و rsquos. يبدو أن النجم في IC 10 X-1 يدور في طائرة تقع تقريبًا على حافة خط رؤية الأرض و rsquos ، كما قالت ملاحظات Swift ، بالإضافة إلى الملاحظات من تلسكوب Gemini في هاواي ، لـ Prestwich ومجموعتها عن مدى سرعة الاثنين. النجوم تدور حول بعضها البعض. أظهرت الحسابات أن الثقب الأسود المصاحب له كتلة لا تقل عن 24 شمسًا.

لا تزال هناك بعض الشكوك في تقدير كتلة الثقب الأسود و rsquos ، ولكن كما يلاحظ Prestwich ، "ستوفر الملاحظات البصرية المستقبلية فحصًا نهائيًا. من المرجح أن تؤدي أي تحسينات في قياس IC 10 X-1 إلى زيادة كتلة الثقب الأسود وكتلة rsquos بدلاً من تقليلها. "

إن الكتلة الكبيرة للثقب الأسود و rsquos مفاجئة لأن النجوم الضخمة تولد رياحًا قوية تنفخ جزءًا كبيرًا من النجم وكتلة rsquos قبل أن تنفجر. تشير الحسابات إلى أن النجوم الضخمة في مجرتنا لا تترك وراءها ثقوبًا سوداء أثقل من حوالي 15 إلى 20 شمسًا.

اكتسب الثقب الأسود IC 10 X-1 كتلة منذ ولادته عن طريق التهام الغاز من النجم المرافق له ، لكن المعدل بطيء جدًا لدرجة أن الثقب الأسود لم يكن ليكتسب أكثر من كتلة شمسية واحدة أو اثنتين. يقول عالم الفيزياء الفلكية ريتشارد موشوتزكي من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ميريلاند ، والذي ليس عضوًا في فريق الاكتشاف: "لقد ولد هذا الثقب الأسود دهونًا ولم يولد دهونًا".

ربما بدأ النجم السلف حياته بـ 60 كتلة شمسية أو أكثر. مثل مجرتها المضيفة ، ربما كانت تعاني من نقص في العناصر الأثقل من الهيدروجين والهيليوم. في النجوم الضخمة والمضيئة التي تحتوي على نسبة عالية من العناصر الثقيلة ، فإن الإلكترونات الإضافية لعناصر مثل الكربون والأكسجين "تشعر" بالضغط الخارجي للضوء ، وبالتالي فهي أكثر عرضة للانجراف بعيدًا في الرياح النجمية. ولكن بفضل الجزء المنخفض من العناصر الثقيلة ، ألقى سلف IC 10 X-1 كتلة صغيرة نسبيًا قبل أن ينفجر ، لذلك يمكن أن يترك وراءه ثقبًا أسودًا أثقل.

يقول المؤلف المشارك روي كيلجارد من جامعة ويسليان في ميدلتاون بولاية كونيتيكت: "ربما لا تنتج النجوم الضخمة في مجرتنا اليوم ثقوبًا سوداء ذات كتلة نجمية ثقيلة مثل هذا الثقب". ولكن قد يكون هناك الملايين من الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية الثقيلة تكمن في الخارج. هناك التي تم إنتاجها في وقت مبكر من تاريخ مجرة ​​درب التبانة و rsquos ، قبل أن تتاح لها الفرصة لبناء العناصر الثقيلة ".


كيف يتحدى Cygnus X-1 نظريات التطور النجمي

صادف الفريق اكتشافهم أثناء إجراء مشروع طموح لمراقبة Cygnus X-1 بشكل مستمر تقريبًا على مدار 5.6 يوم كامل مع شبكة التلسكوبات الراديوية التي تضم تلسكوبات VLBA و X-ray. كان الهدف من البحث هو فهم أفضل لكيفية توصيل الغاز الذي يتم إدخاله في ثقب أسود من شريك ثنائي عبر قرص تراكم لولبي بنفثات قوية من المواد التي تنطلق من بالقرب من المنطقة المركزية بسرعة قريبة من سرعة الضوء.

& # 8220 لم نكن نهدف في الأصل إلى تحسين مسافة وكتلة الثقب الأسود ، لكننا أدركنا أن بياناتنا ستسمح لنا بالقيام بذلك ، من خلال الحساب الصحيح لتأثيرات مدار الثقب الأسود. ولكن لا تزال هناك ثروة من البيانات من حملة المراقبة الثرية هذه والتي نتطلع إلى تحليلها بشكل كامل. & # 8221

البروفيسور جيمس ميلر جونز ، ICRAR ، جامعة كيرتن

يقول ميلر جونز: "تتكون الثقوب السوداء من موت أكبر النجوم عندما ينفد الوقود وتسيطر الجاذبية". "يتم تحديد كتلة الثقب الأسود الناتج عن طريق الكتلة الأولية للنجم الذي تشكل منه - والتي نسميها النجم السلف - مقدار الكتلة التي فقدها هذا النجم في الرياح على مدار حياته ، وأي تفاعلات مع نجم مرافق قريب . "

يتابع ميلر جونز ، قائلاً إن النجوم الضخمة تطلق رياحًا قوية جدًا من أسطحها ، مما يؤدي إلى خسارة كبيرة في الكتلة على مدى أعمارها التي تبلغ بضعة ملايين من السنين. بعض المراحل اللاحقة من تطور النجم لها رياح قوية بشكل خاص - تحددها وفرة العناصر الأثقل من الهيليوم في الغاز الذي تشكل منه النجم. تعني العناصر الأكثر ثقلاً رياحًا أقوى ، وفي النهاية نجمًا أقل كتلة قبل انهيار الجاذبية مباشرة.

في حين أن بعض النجوم يمكن أن تفقد كتلتها أيضًا في انفجارات المستعر الأعظم عند انهيارها لتشكيل ثقب أسود ، فإن الأدلة تشير إلى أنه في Cygnus X-1 ، لم يكن هناك انفجار ، وانهار النجم مباشرة في ثقب أسود ، كما يقول ميلر جونز . "كلما كانت الرياح النجمية أقوى خلال المراحل التطورية المتأخرة للنجم ، كنا نتوقع أن يكون الثقب الأسود أقل كثافة."

انطباع فنان عن نظام Cygnus X-1. يحتوي هذا النظام على أكبر ثقب أسود ذو كتلة نجمية تم اكتشافه على الإطلاق دون استخدام موجات الجاذبية ، حيث يزن 21 ضعف كتلة الشمس. (ICRAR)

في البداية ، لم يكن الفريق مدركًا تمامًا لمدى أهمية اكتشافهم للتباينات الجماعية في النظام الثنائي Cygnus X-1. يقول ميلر جونز: "أعتقد أن المفاجأة الأكبر كانت عندما قدرنا الآثار الكاملة لقياساتنا". "بصفتي علماء فلك للرصد ، وجدنا أنا وفريقي بالفعل أنه يمكننا مراجعة مسافة المصدر وكتلة الثقب الأسود. ومع ذلك ، لم ندرك مدى أهمية هذا الأمر حتى زرت زميلًا ، البروفيسور إيليا مانديل من جامعة موناش ، وهو عالم فلك نظري ".

أدرك ماندل & # 8211 المؤلف المشارك في الورقة الناتجة & # 8211 أن ثقبًا أسود كتلته 21 شمسيًا كان ضخمًا جدًا بحيث لا يمكن تكوينه في مجرة ​​درب التبانة مع وجود قيود بسبب التقديرات الحالية السائدة لمقدار الكتلة المفقودة بواسطة النجوم الضخمة في رياح نجمية.

"إن وجود مثل هذا الثقب الأسود الضخم في مجرتنا درب التبانة قد أظهر لنا أن النجوم الأكثر ضخامة تهب على سطحها في الرياح بكتلة أقل مما كنا نتوقعه سابقًا. هذا يحسن معرفتنا بكيفية تشكل الثقوب السوداء من النجوم الأكثر ضخامة. "

الأستاذ جيمس ميلر جونز ، ICRAR ، جامعة كيرتن

وجد العلماء للتو أصغر ثقب أسود حتى الآن

توجد ثقوب سوداء ضخمة وثقوب سوداء فائقة الكتلة. حتى أن هناك ثقوبًا سوداء فائقة الكتلة.

ومع ذلك ، نادرًا ما نفكر في الصغار. لا يبدو الأمر كما لو أن ثقبًا أسود ليس كذلك ، لنقل 40 مليار ضعف كتلة شمسنا - مثل Holm15A الهائل * - لا يمتلك خصائصه الغريبة والرائعة.

لكن في الآونة الأخيرة فقط بدأ العلماء في البحث عن الثقوب السوداء على نطاق أصغر بكثير. والمفاجأة ، المفاجأة ، لم يستغرق الأمر وقتًا طويلاً للعثور على واحدة.

في الواقع ، قد يكون أحدث ثقب أسود ، اكتشفه باحثون في جامعة ولاية أوهايو ، أصغر ثقب أسود تم اكتشافه حتى الآن.

على الرغم من أنه ، من الناحية النظرية ، يمكن أن يكون حجم الثقب الأسود مجهريًا ، إلا أن الثقب الأسود الذي اكتشفه هذا الفريق بعيد كل البعد عن حجم الجيب.

نشر الباحثون نتائج هذا الأسبوع في مجلة Science ، ولاحظوا أن الثقب الأسود أكبر بنحو 3.3 مرة من كتلة شمسنا - ويسكن نظامًا ثنائيًا على أطراف مجرتنا درب التبانة ، على بعد حوالي 10000 سنة ضوئية.

يقول المؤلف الرئيسي تود طومسون ، أستاذ علم الفلك في ولاية أوهايو ، لـ Vice "إنه دائمًا ما يكون مثيرًا للاهتمام في علم الفلك عندما تنظر بطريقة جديدة ، وتجد نوعًا جديدًا من الأشياء". "هذا يجعلك تعتقد أن كل طرقك في النظر من قبل كانت متحيزة."

في الواقع ، ربما كانت الطرق السابقة لاصطياد الثقوب السوداء مائلة بقوة نحو المنافسين الأثقل. حتى الآن ، أولئك الذين تمكنا من اكتشافهم هم ، في المتوسط ​​، ما بين خمسة إلى 15 كتلة شمسية. لكن هذا ليس بالضرورة متوسط ​​حجم الثقب الأسود - فقط الحجم الذي وجدناه. هذا لسبب بسيط وهو أنه عندما يتعلق الأمر بهذه الأجسام المليئة بالمادة ، فمن الأسهل العثور على أكبر.

الثقوب السوداء الهائلة ، مثل تلك الموجودة في قلب مجرتنا ، تصنع جيرانًا مزعجينًا - تحوم كل المواد المحيطة ، بما في ذلك النجوم الضالة ، بتخلي مبهج. ليس من الصعب على علماء الفلك الأرضي أن يرصدوا أضرار الثقب الأسود في الطهي - أو بالأحرى الفتات المتروكة حول فمه على شكل قرص تراكم مشع.

من ناحية أخرى ، فإن الثقوب السوداء الصغيرة ليست بنفس الوضوح تقريبًا ، فهي تمضغ بهدوء في ركنها من الكون وتنتج إشعاعًا أقل بكثير من الأشعة السينية للعلماء للتركيز عليها. نتيجة لذلك ، عندما يتم إحصاء الثقوب السوداء المعروفة ، يتم تمثيل الثقوب الثقيلة بشكل غير متناسب.

لكن الانقسامات الأصغر قد تكون قادرة على تعليمنا الكثير عن كوننا.

يوضح طومسون في بيان صحفي: "يحاول الناس فهم انفجارات المستعرات الأعظمية ، وكيف تنفجر النجوم السوداء فائقة الكتلة ، وكيف تشكلت العناصر في النجوم فائقة الكتلة". "إذا تمكنا من الكشف عن مجموعة جديدة من الثقوب السوداء ، فسيخبرنا المزيد عن النجوم التي تنفجر ، والتي لا تنفجر ، والتي تشكل ثقوبًا سوداء ، والتي تشكل نجومًا نيوترونية. وهذا يفتح مجالًا جديدًا للدراسة."

يملأ الاكتشاف الجديد فجوة طويلة الأمد في مقياس الانحرافات الزمانية والمكانية. من جهة ، كان هناك ثقوب سوداء ضخمة (بل وأكثر ضخامة). على الطرف الآخر كانت النجوم النيوترونية - نوى النجوم العملاقة التي انهارت على نفسها. تنمو النجوم النيوترونية في النهاية لتصبح ثقوبًا سوداء ، لكنها تبدأ عادةً في وجودها عند حوالي 2.5 كتلة شمسية.

لكن الطيف كان فارغًا بشكل ملحوظ في المنتصف. أين كانت كل الثقوب السوداء الصغيرة؟

للعثور عليهم ، اعتمد طومسون وفريقه على بيانات من تجربة تطور المجرة في مرصد نقطة أباتشي ، أو APOGEE. هذا التركيب ، ومقره نيو مكسيكو ، يسجل الضوء من أكثر من 100000 نجم في مجرتنا.

استخدم الباحثون بيانات APOGEE لتحديد ما إذا كانت تحولات الضوء من نجم واحد في نظام ثنائي تشير إلى وجود رفيق غير مرئي بخلاف ذلك. أغمق رفيق.

تحت هذا التدقيق ، كشف أصغر ثقب أسود معروف عن نفسه ، ومن المرجح أن تدفع ثروة المعرفة التي يحتويها العلماء إلى طرح شبكة أوسع لمزيد من إخوانه من الثقوب السوداء.

"ما فعلناه هنا هو التوصل إلى طريقة جديدة للبحث عن الثقوب السوداء ، ولكن من المحتمل أيضًا أننا حددنا واحدة من أولى فئات الثقوب السوداء منخفضة الكتلة التي لم يعرفها علماء الفلك من قبل. " يشرح طومسون. "كتل الأشياء تخبرنا عن تكوينها وتطورها وتخبرنا عن طبيعتها."


يعتقد العلماء الآن أنهم يعرفون كيف يصنع الكون معظم المعادن الثقيلة

نحن مصنوعون من مواد النجوم. باستثناء الهيدروجين وبعض الهيليوم ، فإن جميع العناصر التي نعرفها وصنعت منها كانت مزورة في النوى الساخنة للنجوم العملاقة منذ مليارات السنين. وهذا يشمل الكربون والنيتروجين والأكسجين والحديد. الآن ، يتعلم العلماء كيف يتم توليد معظم المعادن الثقيلة في الكون ، مثل الفضة والذهب والبلاتين واليورانيوم. بدون المعادن ، لا يمكن أن توجد الحياة (كما نعرفها).

لأول مرة ، في أغسطس 2017 ، شوهد نجمان نيوترونيان يصطدمان ببعضهما البعض وينهاران في ثقب أسود. وقع الحدث على بعد 130 مليون سنة ضوئية. اكتشف علماء الفلك في مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) في الولايات المتحدة ومقياس التداخل في برج العذراء في إيطاليا موجات الجاذبية ، وتموجات في نسيج الزمكان ناتجة عن ولادة ثقب أسود ، تنبعث من زوج من النجوم النيوترونية المندمجة.

يُطلق على الانفجار الناتج اسم كيلونوفا ، وهو النظير الكهرومغناطيسي لموجات الجاذبية. تنبأ ألبرت أينشتاين بوجود موجات الجاذبية منذ ما يقرب من قرن من الزمان ، ويؤكد الاكتشاف الأخير لها أن الفضاء الفارغ ، بشكل لا يصدق ، ليس فارغًا. بدلاً من ذلك ، يشار إليه على أنه نسيج الزمكان ، ويحتوي على كل شيء في الكون.

أكبر اكتشاف فلكي لعام 2017

بالنسبة لعلماء الفلك ، هذا الاكتشاف هو تسربت صفقة ، لأنها تشير إلى مصدر معظم المعادن الثقيلة في عالمنا ، مثل الفضة واليورانيوم والبلاتين والذهب. شارك في المشروع 4500 عالم فيزياء فلكية من جميع أنحاء العالم ، بمعنى آخر ، معظمهم. أيضًا ، لأول مرة ، تم الكشف عن موجات الجاذبية من هذا الحدث. إنها أيضًا المرة الأولى التي يتم فيها ملاحظة اندماج نجم نيوتروني بشكل مباشر ، على الرغم من أن نماذج الكمبيوتر تتنبأ بأن كيلونوفا يجب أن يحدث عندما تصطدم النجوم النيوترونية. تتشكل معادن أخف مثل الحديد والباريوم والرصاص والتنغستن عندما تتحول النجوم العملاقة إلى مستعر أعظم ، مما يؤدي إلى تفجير أحشائها في الفضاء في خضم موتها النهائي.

مركز جورجيا للتكنولوجيا للفيزياء الفلكية النسبية

عندما تندمج النجوم النيوترونية وتنهار في ثقب أسود ، فإنها تولد انفجارًا قويًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي يسمى انفجار أشعة جاما. انفجارات GRBs هي أكثر الانفجارات تطرفا في الكون. نظرًا لأنها تحدث كنفاثات مركزة من الطاقة ، يجب أن تواجه GRBs الأرض لتتم رؤيتها. إن GRBs نشطة للغاية لدرجة أن واحدة تحدث في جوارنا النجمي يمكن أن تفعل ذلك بسهولة تعقيم سطح كوكبنا. في الواقع ، يعتقد بعض العلماء أن GRB يمكن أن تكون مسؤولة عن الموت العظيم ، وهو حدث انقراض جماعي قضى على 95 في المائة من جميع أشكال الحياة على الأرض قبل 250 مليون سنة.

ما هي النجوم النيوترونية؟

يمكن القول إن النجوم النيوترونية هي أعنف الأجسام في الكون. تتكون النجوم النيوترونية عندما تتحول النجوم الضخمة ذات النوى من 1-3 كتل شمسية إلى مستعر أعظم. تنهار نوى النجوم تحت تأثير جاذبيتها بمجرد أن يبدأ النجم في اندماج الحديد. يبلغ عرض النجوم النيوترونية 10-12 ميلاً فقط ، لكن كتلتها تقارب 1.4 شمس. This makes them almost unimaginably dense just a teaspoon full of neutron star material would weigh billions of tons. For scale, this would be like shrinking all of Earth’s mass into a volume the size of a golf ball.

Neutron stars are so dense that their protons and electrons are forced together by gravity, forming a hot sphere of neutrons. It’s understandably difficult to form a visual of this. Their gravity is so strong that NASA compares their impact to “a marshmallow impacting the star's surface [hitting] with the force of a thousand hydrogen bombs.”

Amazingly, some neutron stars have planets orbiting them. In 2011, astronomers discovered a planet five times larger than Earth orbiting a neutron star. Originally a white dwarf, which is the dead core of a sun-like star, it lost most of its mass to its companion neutron star (though its diameter is about 3,000 times the diameter of its host star). The leftover material solidified into crystallized carbon, better known as diamond. The planet orbits its star in only two hours, and the distance between the planet and neutron star would fit inside the Sun. The Universe rarely makes just one of anything, so it’s therefore reasonable to suspect that our galaxy, the Milky Way, is littered with dead stars and planets that are made of diamonds.

There are two type of neutron stars: magnetars and pulsars. Magnetars have the strongest magnetic fields in the Universe. These magnetic fields are a trillion times stronger than Earth’s, and hundreds of times more powerful than typical neutron stars. Magnetars also emit powerful X-rays and gamma rays. Most neutron stars, however, are pulsars . Pulsars emit powerful jets of charged particles from their magnetic poles, a result of their fast rotation. This generates rotating beams of light, which can be seen from Earth, assuming they are pointing in our direction. Because the supernovae that created them are so powerful, pulsars rotate very rapidly. The most rapidly rotating radio pulsar so far discovered whips around at 716 times per second . Pulsars are, in a sense, cosmic lighthouses.

How do neutron stars create gold and other heavy metals?

As neutron stars approach each other, their rotational speed increases. Protons and neutrons are flung out into space in hot clouds of plasma, or superheated gas. “It’s like taking two jelly donuts and slamming them together,” said Dan Kasen, a member of the team of thousands that made the discovery. The intense heat and outward pressure of the expanding gas forces the nuclei of atoms together into metals like iron, silver, gold and uranium. As they drift through interstellar space, these heavier elements mix with other elements, eventually becoming part of rocky planets like Earth. The LIGO discovery found the amount of gold equivalent to ten Earths .

Iron and heavier elements are also created when giant stars explode as supernovae. The fusion of iron is what kills stars fusing iron requires more energy than a star can produce in its core, and once a star begins fusing iron, a supernova occurs within a few seconds. This miniscule drop in outward pressure allows gravity to take over, and gravity always wins. The core collapses into a neutron star (or black hole in even more massive stars), and the outer layers are blown out into space. As this occurs, heavy elements like nickel, lead and cobalt are forged from the enormous pressure and high temperatures generated in the explosion. Stars big enough to create iron and other metals only live for a few million years, as they burn through their fuel faster than smaller stars like the Sun.

Does the Sun forge heavy elements too?

لا. Stars like the Sun don’t have enough mass to forge heavy elements. Still, the Sun fuses a whopping 660 million tons of hydrogen into helium every second . In about one or two billion years, the Sun will begin to run out of hydrogen. As it starts to fuse helium into elements like carbon and oxygen, its outer layers will expand from the more intense pressure coming from the core, becoming a red giant .

At this point, Earth will be destroyed. The outer layers will form a planetary nebula (and they are gorgeous) , gradually dissipating into space. The Sun will then become a white dwarf star a super-dense Earth-sized ball of cooling stellar ash, made mostly of carbon. Eventually, white dwarf stars cool to the point of being black dwarfs. Black dwarfs have never been observed and are entirely theoretical, however, because the Universe isn’t old enough for any to have formed… yet.

Stars are the best example of how good the Universe is at recycling material. Stars like our Sun are, in fact, the children and grandchildren of massive stars that went supernova in the distant past, blasting into space the materials needed to form suns, planets and, of course, life. We are the Universe, and the Universe is us.


Explore More

Watch | قصير القامة

A Scientist Walks Into a Bar #2

Watch | قصير القامة

A Scientist Walks Into a Bar #1

Watch | قصير القامة

Black Hole Hunter: Priya N.

Hunting Monster Black Holes

Watch | قصير القامة

Black Hole Hunter: Chung-Pei Ma

Watch | قصير القامة

Black Hole Hunter: Andrea Ghez

Watch | قصير القامة

Black Hole Hunter: Janna Levin

Watch | قصير القامة

Four Types of Black Holes

Watch | قصير القامة

NOVA Black Holes App

Watch | قصير القامة

Unboxing the Universe

Watch | قصير القامة

What's inside a Black Hole?

Watch | قصير القامة

Black Hole Star Cake

Major funding for this program is provided by The Alfred P. Sloan Foundation.

Additional funding is provided by the Gordon and Betty Moore Foundation, The Lynch Foundation, and The Arthur Vining Davis Foundations.

National corporate funding for NOVA is provided by Draper. Major funding for NOVA is provided by the David H. Koch Fund for Science, the NOVA Science Trust, the Corporation for Public Broadcasting, and PBS viewers.


Step Three: Stellar Black Holes

Scientists now know that neutron stars like the one in the Crab Nebula are not the last word, so to speak, in the awesome story of stellar collapse. That distinction belongs to the black hole. Light is just barely able to escape the deep gravity well of a neutron star, so in a sense it almost qualifies for black hole status. In fact, says John Gribbin, "A neutron star sits on the very threshold of being a black hole." 21 One major factor that sets black holes apart from neutron stars, however, is that لا light can escape from a black hole light and everything else that gets too close to a black hole becomes trapped inside its gravity well forever.

A stellar black hole forms from the collapse of a star having more than eight times the mass of the Sun. So powerful is the force of the inrushing matter that it bypasses both the white dwarf and neutron star stages and compresses that matter into an even denser state. In fact, the matter keeps on falling down the star's gravity well in a sort of neverending death spiral. This is because the gravity well of a black hole is like a bottomless pit, from which nothing can escape.

Not surprisingly, this densest of superdense objects jams an extremely large amount of material into a very small volume of space. A stellar black hole is surprisingly small, therefore. One formed during the death of a star having eight solar masses would probably be only about the size of a small house. It is important to remember that most of the former star's original matter is still inside the black hole. (Some of its matter was ejected into space during the supernova accompanying the star's collapse.) That means that the object's gravitational pull will be roughly the same as that of the original star. Any planets orbiting the star before its collapse would continue orbiting the black hole, which would not capture and consume them unless they strayed too close to it.

The survival of a planet and the survival of living things that might inhabit it are two different things, however. A majority of life forms that happen to exist on planets orbiting a star that becomes a black hole will die from powerful radiation released during the catastrophic collapse and supernova. And any life that has the misfortune to survive this disaster will quickly freeze to death after the star stops radiating light and heat. Clearly, the formation of a stellar black hole is one of the most awesome and potentially lethal events that can occur in nature.


Universe’s Earliest Supernovae Ejected Powerful Jets, Astronomers Say

A team of astronomers from MIT has observed evidence that the Universe’s first stars exploded as asymmetric supernovae, strong enough to scatter heavy elements across the early Universe. The findings appear in the مجلة الفيزياء الفلكية.

An artist’s impression of a supernova. Image credit: NASA / CXC / M.Weiss.

Several hundred million years after the Big Bang, the very first stars flared into the Universe as massively bright accumulations of hydrogen and helium gas. Within the cores of these stars, thermonuclear reactions forged the first heavy elements, including carbon, iron, and zinc.

These first stars were likely immense, short-lived fireballs, and astrophysicists have assumed that they exploded as similarly spherical supernovae.

But now astronomers at MIT and elsewhere have found that these stars may have blown apart in a more powerful, asymmetric fashion, spewing forth jets that were violent enough to eject heavy elements into neighboring galaxies. These elements ultimately served as seeds for the second generation of stars, some of which can still be observed today.

“When a star explodes, some proportion of that star gets sucked into a black hole like a vacuum cleaner,” said MIT’s Dr. Anna Frebel.

“Only when you have some kind of mechanism, like a jet that can yank out material, can you observe that material later in a next-generation star.”

In 2005, Dr. Frebel and colleagues found that a star called HE 1327-2326 is an ancient, surviving star that is among the Universe’s second generation of stars.

At the time, the star was the most metal-poor star ever observed, meaning that it had extremely low concentrations of elements heavier than hydrogen and helium — an indication that it formed as part of the second generation of stars, at a time when most of the Universe’s heavy element content had yet to be forged.

“The first stars were so massive that they had to explode almost immediately,” Dr. Frebel said.

“The smaller stars that formed as the second generation are still available today, and they preserve the early material left behind by these first stars. Our star has just a sprinkle of elements heavier than hydrogen and helium, so we know it must have formed as part of the second generation of stars.”

An artist’s rendering of how the first stars in the Universe may have looked. Image credit: N.R. Fuller, National Science Foundation.

In 2016, the team used the Cosmic Origins Spectrograph onboard the NASA/ESA Hubble Space Telescope to observe the star.

The astronomers made a list of heavy elements that they suspected might be within such an ancient star, that they planned to look for in the Hubble data, including silicon, iron, phosphorus, and zinc.

“We found that, no matter how we measured it, we got really strong abundance of zinc,” said MIT’s Dr. Rana Ezzeddine.

The researchers then ran over 10,000 simulations of supernovae and the secondary stars that form in their aftermath.

They found that while most of the spherical supernova simulations were able to produce a secondary star with the elemental compositions they observed in HE 1327-2326, none of them reproduced the zinc signal.

As it turns out, the only simulation that could explain the star’s makeup, including its high abundance of zinc, was one of an aspherical, jet-ejecting supernova of a first star.

Such a supernova would have been extremely explosive, with a power equivalent to about a nonillion times that of a hydrogen bomb.

“We found this first supernova was much more energetic than people have thought before, about 5-10 times more,” Dr. Ezzeddine said.

“In fact, the previous idea of the existence of a dimmer supernova to explain the second-generation stars may soon need to be retired.”

The results may shift scientists’ understanding of reionization, a pivotal period during which the gas in the Universe morphed from being completely neutral, to ionized — a state that made it possible for galaxies to take shape.

“People thought from early observations that the first stars were not so bright or energetic, and so when they exploded, they wouldn’t participate much in reionizing the Universe,” Dr. Frebel said.

“We’re in some sense rectifying this picture and showing, maybe the first stars had enough oomph when they exploded, and maybe now they are strong contenders for contributing to reionization, and for wreaking havoc in their own little dwarf galaxies.”

These first supernovae could have also been powerful enough to shoot heavy elements into neighboring ‘virgin galaxies’ that had yet to form any stars of their own.

Rana Ezzeddine وآخرون. 2019. Evidence for an Aspherical Population III Supernova Explosion Inferred from the Hyper-metal-poor Star HE 1327-2326. أبج 876, 97 doi: 10.3847/1538-4357/ab14e7