كيف تشّكل الذهب؟ الأصول الكونية الغامضة للمعادن الثقيلة

يعلم الجميع أن الخيميائيين القدماء كانوا مهووسين بصنع الذهب. طبعا لم ينجحوا في تحقيق ذلك قطُّ. ويعرف الجميع ذلك أيضا. ولكن هناك أمرًا لا يعرفه كثيرون. فنحن لا نعرف، حتى بعد آلاف الأعوام، مصدر الذهب Gold، والذي يمكننا أن نجده فوق الأرض. و لفترة طويل من الزمن، مثّل منشأه الأصلي في الكون لغزا كونيا.

إن أصول معظم العناصر المألوفة لدينا، كالكربون Carbon والأكسجين Oxygen والنتروجين Nitrogen، واضحة. فقد تشكلت هذه الذرات في مراكز النجوم نتيجة لعملية الاندماج النووي Nuclear Fusion. ولكن قوة هذه العملية كافية فقط لإنتاج عناصر خفيفة نسبيًا. أما عندما يتعلق الأمر بأشياء أثقل، فنحن بحاجة إلى تفاعل أكثر قوة. وما لا نعرفه تحديدا هو كيف وأين تحدث مثل هذه الأمور. وذلك لا ينطبق على الذهب فقط، وإنما على عشرات العناصر الأثقل والأكثر غرابة. يمكنك القول إن أصل نصف العناصر الموجودة في الجدول الدوري غير معروف لنا.

لا يوجد نقص في التفسيرات المحتملة، وكل من هذه التفسيرات يتضمن موتا عنيفا للنجوم أو انفجارات سماوية أخرى. ومع ذلك، لدينا أخيرًا بعض الأدلة القوية، فهذه هي المرة الأولى التي نكتشف فيها عناصر ثقيلة في طور الصنع. ومع المزيد من الاستكشاف، عرفنا أن أصلها قد يكون أكثر مكرا مما توقعنا.

تمثل العناصر الكيميائية اللبنات الأساسية لكل شيء، بما في ذلك أنت. وإلى جانب الكثير من الأشياء الأخرى، يحتوي جسم البالغ على نحو 16 كيلوغرامًا من الكربون، و780 غرامًا من الفوسفور، و0.2 ملليغرام من الذهب. في الأساس يتكون كل عنصر من الجسيمات الثلاثة نفسها. فهناك نواة من البروتونات Protons ذات الشحنة الموجبة والنيوترونات Neutrons المحايدة. وتدور حول تلك الجسيمات إلكترونات سالبة الشحنة وأصغر حجما بكثير. ويحدد عدد البروتونات في النواة طبيعة العنصر. فعلى سبيل المثال، عندما يكون عددها ستة، فذلك يعني أنّ العنصر هو الكربون. فالذهب أثقل من ذلك بكثير، فلدى نواته 79 بروتونًا. في معظم الأحيان، يساوي عدد النيوترونات عدد البروتونات. ولكن هذا الرقم قد يختلف قليلا، وتنتج من ذلك الاختلاف نسخٌ من العنصر أثقل أو أخف قليلاً. تُعرف هذه النسخ بالنظائر Isotopes.

تبدأ النجوم حياتها بكتلة كبيرة. ويتكون معظم هذه الكتلة من أخف عنصر كيميائي: الهيدروجين Hydrogen. يتألف الهيدروجين من بروتون وإلكترون وحيدين (انظر: العناصر الأولى). بعد ذلك بقليل، تندلع عملية الاندماج النوويNuclear fusion ، وتندمج ذرات الهدروجين لتكون الهيليوم Helium الذي يحتوي على بروتونين. وتستمر هذه العملية بالحدوث وتنتج عناصر أثقل باستمرار.

يستمر ذلك حتى بلوغ نقطة محددة. فعندما تصير النوى الذرية أكبر، تبدأ القوة الكهرومغناطيسية Electromagnetic Force بدفع الذرات بعيدًا عن بعضها البعض بقوة أكبر. وفي نهاية المطاف، لا يعود بوسع تلك الذرات الاقتراب من بعضها البعض إلى درجة كافية تسمح بالاندماج لتشكيل عناصر أثقل. ويُمثل الحديد، المؤلف من 26 بروتونًا، ذلك الحد الذي لا يتجاوزه أي نجم.

حسنا، من أين جاءت العناصر الأثقل؟ في خمسينات القرن العشرين، أدرك الفيزيائيون، بمن فيهم، فريد هويل Fred Hoyle، وجود بديل للاندماج. ويشمل ذلك البديل النيوترونات، غير المشحونة كهربائيا والتي لا تُعيقها القوى الكهرومغناطيسية. فإذا التقطت ذرة ما نيوترونًا أثناء مروره بجوارها، فإنها ستنمو لتصير نظيرا أثقل. ومع دخول النيوترون إلى النواة، يمكن أن يتحلل إلى بروتون وإلكترون في عملية إشعاعية تُعرف بتحلل بيتا Beta Decay. ويقود هذا التحلل إلى تشكل عنصر أثقل ببروتون واحد.

برهن هويل على وجود طريقتين لحدوث ذلك. تُعرف الطريقة الأولى بعملية الالتقاط البطيء للنيوترونات (s–Process)، وتتطلب هذه العملية تقطير النيوترونات قطرة فقطرة ببطء. اعتقد هويل أن ذلك يمكن أن يحصل في النجوم المحتضرة، المعروفة بالعمالقة الحمراء Red Giants، والآن لا يُحيط بهذا الاقتراح الكثير من الشكوك.

باستطاعتنا النظر إلى الضوء القادم من العمالقة الحمراء، وكشف الطرق المميزة التي تمتص من خلالها عناصر النجم ذلك الضوء -في الحقيقة، تُظهر هذه البيانات الطيفية Spectroscopic Data احتواء تلك النجوم على بعض العناصر الثقيلة. ولكن هذه العملية لا يمكنها إنتاج كل العناصر الثقيلة. فالعملية بطيئة جدا: تلتقط النواة التي تخضع للعملية s نيوترونًا واحدا في الشهر تقريبا، وهذا لا يكفي أبدا لشرح سبب وجود كل العناصر الثقيلة التي نراها في الكون.

إذن، ما مصدر تلك الموجة المدية الهائلة من النيوترونات؟ اعتقد علماء الفيزياء الفلكية أن الإجابة تكمن في السوبرنوفا Supernova: الانفجار الكارثي للنجم. ولكن أثناء الأعوام العشرين الماضية، صار لدينا إشارات على خطأ هذه الفرضية. وأحد الأسباب التي قادت إلى ذلك هو البدء باستخدام الحواسيب لمحاكاة العملية- آر (r-Process) التي تحصل خلال حدث السوبرنوفا، فكميات المواد التي نتجت في المحاكاة لا تتفق مع عمليات الرصد الطيفية لتلك الانفجارات.

هناك أيضا دليل أكثر إثارة للدهشة، فالأرض تعبر من حين إلى آخر داخل غلالات من الغبار الذي خلفته السوبرنوفا. وينجرف ذلك الغبار نحو غلافنا الجوي ويستقر في قاع المحيط وفي جليد القطب الجنوبي Antarctic Ice. وعملية التأكد من أصل هذا الغبار بسيطة، إذ إنه يحتوي على أحد نظائر الحديد المتشكل في السوبرنوفا، لكن لا يوجد في هذا الغبار كمية كبيرة من الذهب؛ مما يرسخ قناعتنا بأن السوبونافا لا تنتج هذا المعدن الثمين.

في عام 1974،  وقبل ظهور أي من تلك الأدلة، اقترح ديفيد شرام David Schramm  وجيمس لاتيمر James Lattimer، من جامعة تكساس University of Texas في أوستن، أن نوعا آخر من عمليات السحق الكونية قد يكون مسؤولا عن إنتاج الذهب، فإذا كان ما نحتاج إليه لصنع العناصر الثقيلة هو الكثير من النيوترونات، فربما يكون أصلها مرتبط بالنجوم النيوترونية Neutron Stars؟ فهذه الأجرام عبارة عن كرات من المادة كثيفة جدا -يتألف معظمها من النيوترونات، كما هو جلي من اسمها- خلّفها وراءه نوع خاص من السوبرنوفا. عموما، تتشكل النجوم النيوترونية  أزواجا، ومن ثمّ تدور حول بعضها البعض حتى تنفجر في نهاية المطاف في حدث كوني يُعرف بالكيلونوفا Kilonova. وقد يكون المد النيوتروني الناتج من ذلك كاف لبدء العملية -آر وفقا لتقديرات شرام ولاتيمر.

في بدايات العقد الأول من القرن الواحد والعشرين، ذُهل بريان ميتزغر Brian Metzger، الذي يعمل حاليًا في معهد فلاتيرون Flatiron Institute في نيويورك، من فكرة احتمال تشكل الذهب أثناء انفجاري الكيلونوفا، لكنه كان محبطًا بسبب عدم وجود العديد من الأفكار لاختبار تلك الفرضية. بعد ذلك، بدأ يتساءل عن كيفية الحصول على بعض البيانات الصلبة، وقد علق على ذلك قائلا: “ما الذي يمكن أن نقيسه باستخدام التلسكوب؟”

تتضمن العملية-آر، والتي تحصل أثناء الكيلونوفا، سلسلة هائلة من عمليات الاضمحلال الإشعاعي  Radioactive Decay. وقد قاد ذلك ميتزغر إلى إدراك أن ذلك قد يؤدي إلى نوع مميز من التوهج الضوئي عبر الكون. وفي عام 2010 تنبأ أيضا بشدة الضوء القادم من عمليات اندماج النجوم النيوترونية المولدة للعناصر. ومن ثمّ، طور بعض الزملاء في جامعة كاليفورنيا University of California في بيركلي، هذه الفكرة أكثر وبينوا أن ذلك التوهج سيبدأ عند اللون الأزرق، حيث تنتج عناصر أخف، ومن ثمّ يتحول إلى اللون الأحمر الذي يرتبط بإنتاج عناصر أثقل مثل الذهب، ويُعتقد أن هذا المنحني الضوئي Light curve سيكون إثباتا للفكرة.

بدا أن إثبات تلك الفكرة سيكون صعبًا على أقل تقدير. في الحقيقة، شاهدنا ومضات في السماء من حين لآخر، لكنها كانت بعيدة جدًا لدرجة لم تسمح بقياس منحنى الضوء بدقة. فعلى سبيل المثال، حدث هذا في عام 2013 عندما رصد تلسكوب هابل الفضائي Hubble Space Telescope موجة من أشعة غاما Gamma Rays والتي يُعتقد أنها نتجت من حدث كيلونوفا. فقد كانت هناك قيمة مرتفعة وواعدة للضوء في نهاية هذا الانفجار، لكنه كان ضوءا خافتا جدا ولا يسمح بمقارنته مقارنة صحيح بتنبؤات ميتزغر.

همهمة وزقزقة

في تلك الفترة نفسها، عمل فيزيائيون آخرون على صناعة أجهزة يمكنها رصد الكون بطريقة مختلفة تماما. ويحتوي مرصد موجات الجاذبية بالليزر Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (اختصارا: المرصد لايغو LIGO)، على كاشفات تستطيع قياس موجات الجاذبية Gravitational Waves واهتزازات الزمكان Space–time الناتجة من الاصطدامات الكونية القوية. وفي عام 2017، رصد لايغو إشارة واضحة لتصادم نجمين نيوترونيين: كانت هناك “همهمة” Hum بتردد متزايد مع اقتراب النجوم من بعضها البعض، وقد تبعت تلك الهمهمة “زقزقة” Chirp نتجت من عملية التصادم.

لقد كانت اللحظة التي ينتظرها ميتزغر، فقد وصلت موجات الجاذبية إلى الأرض قبل وصول ضوء الانفجار. سارع الفيزيائيون حينها إلى تحديد المصدر وتدريب التلسكوبات البصرية عليه استعدادا للتحقق من إشارة ميتزغر الزرقاء-إلى-Blue-to-red signal . وعندما وصلت البيانات، بدت متوافقة تماما. فقد نفث الكيلونوفا موجة من العناصر الغرائبية، ويعلق ميتزغر على ذلك قائلا: “لقد شاهدنا للمرة الأولى في تاريخ البشرية ومباشرة عملية إنتاج تلك العناصر الثقيلة”.

لكن، هل كان هناك ذهب في ذلك الانفجار النادر؟ إن أقوى الأدلة يتمثل برؤية البصمة الطيفية Spectroscopic Fingerprint المميزة للعنصر في الضوء الصادر عن كيلونوفا. وللأسف، تتداخل بصمات العناصر المختلفة في عمليات الرصد، ولا يمكن التمييز بينها. ومع ذلك، يرى ميتزغر أنها كانت مجرد محاولة أولى، ويتابع: “عندما تُنتج واحدا من تلك العناصر الثقيلة، فإن ذلك يتطلب الكثير من الضبط الدقيق لتفادي إنشاء طيف كامل”.

يتفق معظم الفيزيائيين الآن على أن أحداث الكيلونوفا تُنتج الذهب، لكن ذلك ليس نهاية القصة، فمثل تلك الأحداث لا تبدو كافية لتفسير كل العناصر الثقيلة الموجودة في كوننا.

ويتضح ذلك عند النظر إلى دراسات بعض النجوم الموجودة في الهالة المنتشرة والتي تغطي مجرتنا درب التبانة Milky Way Galaxy. يُعتقد أن هذه النجوم قديمة جدًا، وتنتمي إلى عصر لم يكن فيه أي منها قد مات بعد، سواء في سوبرنوفا، أو كيلونوفا، أو أي طريقة أخرى. ومن ثم، يجب ألا تحتوي تلك النجوم على أي عناصر من العملية آر الناتجة من أحداث الكيلونوفا التي لم يحدث أي منها قبل ولادة أي من تلك النجوم. إذا، وببساطة لن يكون لدى هذه النجوم أي من تلك العناصر في داخلها. ومع ذلك، فمن الغريب أن مجموعة صغيرة من علماء الفلك (تحالف العملية-آر R-Process Alliance)، التي كانت تواصل مسح هذه النجوم منذ عام 2018، أثبتت أن بعضها لديه في الواقع الكثير من عناصر العملية- آر.

قد يشير ذلك إلى أن شيئا ما غريب يحصل وفقا لتيريز هانسن Terese Hansen، من جامعة تكساس أيه أند إم Texas A&M University، وهي عضو في التحالف. فإذا كانت النجوم قديمة كما نعتقد، ولم يكن هناك خطأ يتعلق بالعناصر الثقيلة، فلا بد حينها من وجود حدث آخر أنتج تلك العناصر.

مع ذلك، كان الكون مختلفا جدا أثناء ظهور النجوم الأولى، فقد نمت تلك النجوم لتبلغ أحجاما أكبر مما هي عليه حاليا، كما أنها كانت تمتد امتداداً أسرع بكثير. وعندما وصلت إلى نهاية حياتها، لم تنفجر بالضرورة عبر سوبرنوفا نموذجية. ربما إنهار بعضها تحت تأثير جاذبيتها الهائلة، وأطلقت رشقات إشعاعية قوية جدا. كان ستان ووسلي Stan Woosley، من جامعة كاليفورنيا University of California في سانتا كروز، أول من اقترح هذه الأحداث في عام 1993، وقد عُرفت بالمنهارات Collapsars. تقول إيما تشابمان Emma Chapman، اختصاصية الفيزياء الفلكية من جامعة إمبريال كوليدج Imperial College في لندن: “تولد هذه المنهارات موجات صدمة ملحمية”، وتتابع: “تتشكل داخل هذه الموجات العناصر الأثقل من الحديد لأنّ مستويات انضغاط المادة تتجاوز حينها تلك التي بلغها مركز النجم أثناء حياته”.

ربما نتج الذهب جزئيا من الانفجارات النارية لنجوم كوننا الأولى، ويدعم هذه الفكرة بحث أجراه دانيال سيغل Daniel Siegel، من جامعة جيلف University of Guelph في كندا، فبناء على البيانات القادمة من كيلونوفا 2017 والدراسات النظرية المتعلق بالمنهارات، جادل سيغل في أن هذا النوع من الأحداث قد يهمين بالنسبة إلى العناصر العملية- آر. ولكن إيمري بارتوس Imre Bartos من جامعة فلوريدا University of Florida وزابولكس ماركا Szabolcs Márka من جامعة كولومبيا Columbia University بنيويورك، يقدران  أن تلك المنهارات لن توفر أكثر من 20% من عناصر العملية- آر.

نحن نعرف الآن الكثير عن أصل الذهب، فمعظم هذا المعدن المرغوب به نتج في أحداث الكيلونوفا، وربما صُنع المزيد منه أثناء موت نجوم الكون الأولى. ولكن حتى مع وجود هذين المصدرين، فهما غير كافيين لتفسير كل كمية الذهب في الكون. إنه أمر عليك التفكير به في المرة القادمة التي تشاهد فيها شخصا ما يرتدي جواهر ذهبية، فنحن لا نعرف في الواقع من أين جاءت.

العناصر الأولى

يقول البعض إننا مصنوعون من غبار النجوم -وهذا صحيح تقريبا، إذ يتشكل معظم العناصر الرئيسية في أجسامنا، مثل الكربون والأكسجين، داخل النجوم. ولكن مما تكونت النجوم الأولى؟ لقد تبين أن كل الهيدروجين في الكون ومعظم الهيليوم نتجا في أول 20 دقيقة بعد الانفجار الكبير Big Bang عندما كانت الأشياء ساخنة وكثيفة بما يكفي لدعم استمرار عملية الاندماج Fusion. فقد تكونت النجوم الأولى من هذين العنصرين فقط، إضافة إلى القليل من الليثيوم Lithium.

الليثيوم المفقود

يشير أفضل فهم لدينا عن الانفجار الكبير إلى أن كمية محددة من الليثيوم تكونت مع الهيدروجين والهيليوم. وانطلاقا من هذا، يمكننا حساب كمية هذه العناصر في الكون. في الواقع، تتطابق تنبؤاتنا مع عمليات رصد كل من الهيدروجين والهيليوم جيدا. لكن الأمر ليس كذلك بالنسبة إلى الليثيوم، الذي فُقدت ثلثي كمياته التي تنبأنا بها. فلم يستطع أحد تفسير تلك المسألة، والمعروفة أيضا بمسألة الليثيوم الكونية Cosmological Lithium Problem. وما هو أشد غرابة هو احتواء أنواع محددة من النجوم على كمية كبيرة من الليثيوم لا يمكن تفسيرها.

تنص إحدى الأفكار على أن تلك الكميات نتجت من النوفا Novae، وهي نوع خاص من الانفجارات الكونية التي يجب تمييزها عن السوبرنوفا. وتحصل هذه الانفجارات عندما يدور قزم أبيض White Dwarf حول نجم أكبر بكثير. ففي هذه الحالة، ينسكب غاز هذا النجم باتجاه القزم الأبيض؛ مما يقود إلى انفجار قد يُولد كميات كبيرة من الليثيوم.

إنها تمطر بورونا

لم ينتج العنصران الرابع والخامس، البريليوم Beryllium والبورون Boron داخل النجوم، فمعدل استهلاك هذه العناصر الخفيفة من قبل تفاعلات الاندماج النجمي أسرع بكثير من معدل إنتاجها. ولكن هناك الكثير من هذين العنصرين فوق الأرض -إذا، من أين جاءت هذه الكميات؟

لقد تبين أن البروتونات فائقة السرعة والقادمة من الفضاء الخارجي تصطدم بالنتروجين والأكسجين الموجودين في الغلاف الجوي للأرض، ويؤدي ذلك إلى تفككها إلى بريليوم وبورون. وبعد ذلك، تذوب هذه العناصر في الماء، وتهطل فوق سطح الأرض.

بقلم: سافير لالي

ترجمة: همام بيطار

© 2021, New Scientist, Distributed by Tribune Content Agency LLC