يوم وقوع الالكترونات فى النواة ونهاية العالم..حد شاندرا سيخار!

🌟 نجم كيبلر: ليلة يوم القيامة (1604)

فى ليلة بعيدة عن الزمن بتاعنا بأكتر من 4 قرون، وتحديدا فى يوم 8 أكتوبر سنة 1604، كان عالم الفلك الشهير يوهانس كيبلر (Johannes Kepler)، واللى بيصنف مع Galileo Galilei كأعظم علماء الرياضيات والفيزيا الفلكية فى عصر ما قبل نيوتن، على موعد مع ليلة مش هينساها طول عمره.

فى الليلة دى ظهر فجأة فى السما جرم شبه النجوم مكانش موجود فى الليلة اللى قبلها. طبعا كيبلر كان عارف السما وبيراقبها يوميا بصفته من علماء الفلك، ولذلك كان غريب جدا انه يلاقى فجأة نجم واضح السطوع ما شافوش قبل كده. وعلى الرغم من انه عالم ومتمرس، إلا انه بالفطرة البشرية حس بـالرعب وافتكر انها ليلة النهاية!

من هنا لهنا لحد ما هدى نفسه و انخفضت نسبة الأدرينالين، بدأت ترجعله طبيعته العلمية. فبدأ يفكر فى السبب اللى أوجد الجرم الفضائى الغريب ده والساطع جداً. فكيبلر لحد اللحظة دى مكانش متأكد من طبيعة الجرم: هل هو نجم فعلا ولا كوكب ولا جرم جديد ميعرفوش؟

أخيراً بعد ما تعب من التفكير اقنع نفسه انه نجم جديد لسه مولود. ومن الليلة دى بدأ يعيد حساباته الرياضية وخريطته الفلكية. وكل الليالى اللى جت بعد كده كانت عباره عن فرضيات وحسابات مستمرة.

لكن فى عز فترات البحث والدراسة، بعت الجرم الساطع ده المفاجأة التانية! كان كيبلر بيلاحظ إن فى كل ليلة الجرم بيغير موقعه بطريقة مريبة. وكان السطوع القوى بتاعه بينخفض بصورة واضحة مع مرور الوقت. وبالفعل بعد مرور سنة ونص تقريبا، السطوع القوى تلاشى تماما واختفى.

ورغم الحيرة الكبيرة اللى خلت كيبلر يضرب أخماس فى أسداس، قدرت عبقريته انها تتغلب على الموقف وتحط افتراض منطقى. كيبلر قال إن السطوع القوى المفاجئ واللى فضل يضعف على مدار سنة ونص ملوش غير تفسير واحد: بالتاكيد السطوع ده كان عبارة عن انفجار. فالانفجارات هى الحاجه الوحيدة اللى بتبدأ قوية جدا فى السطوع وبعدين بتنطفى. وبالطريقة دى أقنع كيبلر نفسه إن الجرم ده عبارة عن نجم اتولد بطريقة غامضة وانفجر بعدها.

بس برضه الافتراض اللى حطه كيبلر ده كان بيطرح الف سؤال وسؤال، خصوصا ما تنساش ان فى الوقت ده مكانش لسه معروف أى شيئ، لا كان معروف أنواع النجوم ولا سرعة الضوء ولا أى حاجة. ولذلك افتراض النجم المنفجر ده أوجد لكيبلر أسئلة أكتر من الأجوبة. من الأسئلة مثلاً: ليه النجم ده ظهر فجأة وانفجر بسرعة؟ وهل أصلاً هو نجم فعلاً ولا نوع تانى مجهول من الأجرام السماوية؟ وغيرها من الأسئلة اللى كانت بتدور فى ذهن كيبلر. فبحسه كباحث بدأ انه يضمن حساباته وفرضياته فى كتاب شهير بعنوان “نجم جديد” أو باللاتينية Stella nova. فى الكتاب ده أطلق كيبلر على الجرم الغريب ده اسم doomsday، أو يعنى بالعربى يوم النهاية أو يوم القيامة.

والمفارقة إن بعد أكتر من 300 سنة من المعارف عن الأجرام السماوية، استمر العلماء فى إطلاق نفس الاسم doomsday على الجرم. فبالفعل التعبير بيوم النهاية كان تعبير مناسب لوصف يوم بتختفى فيه المادة وبتسقط الكتروناتها فى النواة!

💥 الانفجار الكوني (السوبر نوفا)

على الرغم من ان كيبلر كان عبقرى جدا فى سبقه لعصره بعدد من الاستنتاجات الصحيحة، إلا إنه طبعا كان بيجهل الجزء الاكبر والأهم من الحقائق عن نجمه الساطع. فبالتأكيد كيبلر مكانش يعرف إنه شاف حدث مش بيحصل إلا مرة او اتنين بالكتير كل قرن تقريبا. وبالتاكيد برضه مكانش يعرف ان الحدث اللى شافه ده حصل قبل كده بصورة أخطر واتسبب فى اتنين من الانقراضات الخمسة اللى حصلت على الأرض.

وعلى الرغم من إن كيبلر استنتج إن اللى حصل ده ممكن يكون إنفجار، إلا إنه مكانش يعرف قوة النوعية دى من الانفجارات اللى بتفوق الوصف حرفيا. لكن برضه بالتأكيد كيبلر كان عنده كل العذر، فالمعلومات دى محدش عرفها قبل تلاتينات القرن العشرين، تحديدا لما عرف العلماء حاجه بتسمى المستعرات العظمى أو السوبر نوفا (Supernovae).

فاللى شافه كيبلر كان فعلاً انفجار لواحد من النجوم العملاقة الأكبر كتير من الشمس. بس الغلط بقى عند كيبلر كان فى اعتقاده انه شاف لحظة البداية والنهاية. فالصحيح إنه شاف لحظة الموت أو لحظة النهاية لوحدها. فالسطوع القوى اللى فوجئ بيه كيبلر وافتكره نجم جديد كان فعلياً لحظة الموت بسبب انفجار السوبر نوفا. وعادى جداً إن النجم ده ميكونش واضح من الأساس قبل الانفجار. الانفجار اللى على مدار سنة ونص كانت بتقل شراسته لحد ما اختفى.

☄️ المستعرات العظمى وقوة الانفجار

إحنا اتكلمنا قبل كده عن أنواع النجوم ودورة حياتها، ولذلك مش هضيع وقتكوا فى التكرار. المهم بس تكونوا فاكرين إن فى نوعية من النجوم العملاقة بتتحول فى النهاية لمستعر أعظم أو سوبر نوفا، يعنى بتنتهى حياتها بانفجار ضخم جدا. أهو بقى خلال الانفجار الضخم ده الالكترونات فعلاً بتقع فى النواة.

وموضوع وقوع الالكترونات فى النواة ده ممكن يكون مفاجئ بالنسبة للبعض، فالمعروف إن الالكترونات بتمتلك الطاقة والزخم الكافين لتمسكها بمداراتها حوالين النواة. وبالتأكيد هنتكلم عن اللحظة دى من الناحية الفيزيائية ف مقالنا انهاردة، وأكيد كمان هنفهم إيه هو حد Chandrasekhar وعلاقته بالموضوع.

بس فى الاول خلينى أقولك شوية حاجات عن قوة انفجار السوبر نوفا بدرجاته المختلفة. فخلى بالك انفجارات السوبر نوفا بيبقى ليها درجات زى الزلازل والبراكين والأعاصير.

خلينى أقولك المثال الخرافى اللى قاله العلماء عن أقل درجة من انفجارات السوبر نوفا: العلماء بيقولوا لو تخيلنا إن الشمس كانت سوبر نوفا وانفجرت، يبقى السطوع اللى هنشوفه على الأرض هيكون حاجة فوق الإدراك والوصف. بيقولوا للتقريب إنت تقدر تتخيل إنك هتفجر قنبلة هيدروجينية قوية أدام عنيك بالظبط. كمية السطوع بقى اللى هتشوفها من انفجار القنبلة الهيدروجينية اللى ادام عينك هتفضل أقل بمليار مرة من سطوع أضعف انفجار لسوبر نوفا! خلى بالك الكلام ده محسوب بالرياضيات عن طريق حساب تفاعلات الطاقة والمادة، يعنى زى ما بيقولوا مش مجرد كلام للاستهلاك.

عموماً خلينى أقولك مثال أسهل عن نجم شهير فى مجرتنا مرشح انه يبقى سوبر نوفا. النجم ده اسمه نجم منكب الجوزاء أو نجم Betelgeuse وهو بيبعد عن الشمس بحوالي 650 سنة ضوئية. ولما يتحول لسوبر نوفا وينفجر، هنشوف من الأرض شمس تانية فعليا ظهرت من العدم جنب شمسنا. خلى بالك انا قلتلك نجم منكب الجوزاء بيبعد 650 سنة ضوئية، ومع ذلك سطوع الانفجار هيكون زى سطوع الشمس اللى بتبعد مجرد 8 دقائق ضوئية. والظاهرة دى هتستمر كام شهر لحد ما تتلاشى زى ما بتعمل جميع المستعرات العظمى.

بس خلينى بقى ازيدك من الشعر بيت عن القوة المهولة: السطوع المتناهى فى القوة ده مش بيمثل غير 1 % فقط من طاقة السوبر نوفا! فمتهيألى بعد الوصف اللى انت سمعته، مش محتاج أقولك ايه اللى هيحصل للأرض لو انفجر سوبر نوفا قريب منها.

والمشكلة كمان إن موضوع القرب ده المقصود بيه القرب النسبى، يعنى مش لازم يكون القرب المقصود هو القرب اللى يحول الأرض لحجارة منصهرة زى بتاعة البراكين، ولا مقصود حتى القرب اللى يقدر يطرد الأرض من النظام الشمسى كله. فالحكاية مش محتاجة خالص الدرجة دى من القرب عشان الأرض تتأثر.

فمجرد القرب النسبى هيرفع درجات الحرارة ويجفف المحيطات على الأرض. وحتى لو موصلش القرب للدرجة اللى تخلى مية المحيطات تغلى وتتبخر، فهيكفى جداً القرب اللى يرفع الحرارة لدرجة مميتة بالنسبة للكائنات الحية. بل إنه موجود نوع من القرب مش هيرفع حتى درجات الحرارة لكنه برضه هيبقى مدمر. والسبب المرة دى هيكون فى كمية الاشعاع المرعبة اللى بتخرج مع الانفجار، واللى مع القرب النسبى من الأرض، هيكون عندها القدرة على تدمير الغلاف الجوى وطبقة الأوزون.

يمكن يكون مناسب دلوقتى اننا نفهم الموضوع بالارقام. يا ترى إيه حجم منطقة الخطر؟ أو ياترى أيه هى المسافة الآمنة اللى لو حصل فيها الانفجار الأرض متتأثرش؟

🛑 منطقة الخطر والمسافة الآمنة

شوف يا صديقى، السوبر نوفا فى الحقيقة عبارة عن 3 درجات أو 3 أنواع من الانفجارات، بالترتيب التصاعدى من الأضعف للأقوى كالتالى:

1. الـ Supernovae

2. الـ Kilonovae

3. الـ Hypernovae

الإنفجار الأضعف أو السوبر نوفا باسمه الأصلى، العلماء بيعتقدوا إنه هيكون مدمر للأرض من على بعد 30 سنة ضوئية! أى انفجار فى حدود الـ 30 سنة ضوئية أو أقل الحياة الأرضية هتنتهى.

أما الدرجة التانية أو الـ Kilonovae فالموضوع أخطر وفضفاض جداً، فالباحثين بيقولوا إن النوعية دى من الانفجارات ممكن تسبب المشاكل على الأرض من مسافات بتتراوح بين 150 إلى 500 سنة ضوئية!

بس قبل ما ترفع حواجبك يستحسن انك توفر الذهول للـ Hypernovae. للأسف منطقة الخطر لانفجارات الهيبر نوفا بتتراوح بين 1000 إلى 3000 سنة ضوئية.

عموماً مفيش داعى للقلق أياً كانت نوعية الانفجار، وده لأن أقرب نجمين للأرض ومرشحين لانفجارات الدرجة الاولى أوالتانية هم النجمين اللى اسم الأول منهم هو نجم قلب العقرب أو نجم Antares، والنجم التانى اللى لسه متكلمين عنه واسمه نجم Betelgeuse أو نجم منكب الجوزاء. والنجمين دول بيبعدوا عن مجموعتنا الشمسية أكتر من 500 سنة ضوئية، يعنى أكتر من الحد الأقصى لإحتمالات الخطورة.

بالنسبة بقى لأقرب نجوم المجرة المرشحة لانفجار الدرجة الأقوى أو الـ هايبر نوفا، فهو النجم أو النظام الثنائى المسمى Eta Carinae. وبرضه الحمد لله Eta Carinae بيبعد عن الأرض حوالى 7500 سنة ضوئية، وبما ان منطقة الخطر بتتراوح بين ألف لـ 3 آلاف سنة ضوئية، يبقى مفيش أى مشكلة ينفجر زى ما هو عايز براحته.

⚛️ حد شاندراسيخار (Chandrasekhar Limit) وسقوط الإلكترونات

كده الحمد لله احنا اطمنا على أرضنا ومستقبلنا وذهننا ممكن يقبل المعلومات. خلينا نتكلم عن أهم المفاهيم العلمية المرتبطة بالموضوع.

المفهوم الاول هو حد Chandrasekhar. والمفهوم التانى هو حالة الـ Electron capture اللى هى يعنى حالة سقوط الالكترونات فى النواة.

شوف يا سيدى، انت أكيد مش ناسى ان النجوم بأنواعها بتبقى هى مناطق تصنيع العناصر. فالنجوم بتستخدم طاقتها فى تحويل العناصر الخفيفة لعناصر تقيلة. كل ما يكبر النجم وتزداد كتلته وطاقته، كل ما بيكون قادر على انتاج العناصر الأتقل.

شمسنا مثلاً يا دوب بتحول الهيدروجين لهيليوم. أما النجوم العملاقة اللى كتلتها وحرارتها أعلى بكتير، بتقدر توصل لإنتاج الحديد. يعنى بتمر بمشوار طويل خلال فترة حياتها وبعدد كبير من العناصر: فهى أولاً بتحول الهيدروجين لهيليوم، وبعدين بتحول الهيليوم لكربون، والكربون بتحوله لنيون، والنيون لسيليكون، طول ما أنت ماشى بقى لحد ما بيظهر الحديد.

بس عند مرحلة الحديد دى بيحصل للنجم حاجتين:

1. الحاجه الأولى انه بيكون عجز والوقود النووى اللى فاضله مش زى الأول.

2. الحاجه التانية انه بيلاقى الحديد عنصر مستقر جداً ومحتاج لطاقة مهولة عشان يتحول لعنصر أتقل.

المشكلة بقى إن قصة تحويل العناصر من الأخف للأتقل دى مش بتبقى للتسلية! التحويلات دى حاجة بيمارسها النجم عشان يعرف يعيش! النجم بيبقى مضطر انه يعمل الحكاية دى بصفة مستمرة عشان يكتسب الطاقة. لأن الطاقة المكتسبة هى اللى بتقاوم جاذبية نواته وبتحميه من إنه ينهار على نفسه. فالنجم جاذبيته فى القلب بتاعه بتبقى فى قمة القوة، ودايماً بتشد النجم وبتحاول تكرمشه على بعضه زى ما بتكرمش ورقة بإيدك.

لكن عملية تحويل العناصر من أخف لأتقل دى هى اللى بتحمى النجم من الانهيار. لأن التفاعل ده ما هو إلا قنابل اندماجية هيدروجينية بتقوم بعملية التمدد للخارج، يعنى بتعمل أثر معاكس للشد اللى بتعمله الجاذبية. يعنى النجم طول ما هو ناجح فى انتاج الطاقة دى بيفضل عايش.

لكن المشكلة أنه لما بيوصل لمرحلة انتاج الحديد بيحس انه متكتف! فالحديد عنصر مستقر جداً ومش بيقبل يتحول لعنصر أتقل أو أخف. وكل محاولات النجم اليائسة عن طريق كمية الوقود المتبقية بتواجه نفس المصير. بيستمر النجم فى تحويل كل العناصر للحديد. وبتكون النتيجة إن قلب النجم بيتحول لـقطعة من الحديد الخالص. تقل الحديد مع قوة الجاذبية مع طاقة عكسية شبه منعدمة، النجم بينفجر وبينهار على نفسه.

بس للدقة خلينى أقولك ان الانهيار ده بيحصل لما قلب النجم يوصل لوزن معين من الحديد، بالظبط لما توصل كتلة الحديد فى النواة لـ 1.4 كتلة شمسية. يعنى كتلة النواة بس تبقى أد كتلة شمسنا مرة ونص تقريباً. والمهم إن الـ 1.4 كتلة شمسية دول هم بالظبط حد Chandrasekhar (Chandrasekhar limit). فـ Chandrasekhar ببساطه هو اسم عالم الفيزيا الفلكية الهندى اللى اكتشف الظاهرة: Subrahmanyan Chandrasekhar.

خلى بالك بقى انه خلال المعركة بين طاقة التمدد والجاذبية، بتكون فى معارك ضارية تانيه شغالة. واحدة من المعارك دى بتكون صراع الالكترونات والبروتونات!

⬇️ سقوط الالكترونات فى النواة (Electron Capture)

لما كتلة نواة النجم بتوصل لحد Chandrasekhar، بتحصل ظاهرة فيزيائية بتسمى الانهيار التجاذبى أو الـ Gravitational Collapse. للتسهيل تقدر تقول إن الجاذبية القوية جداً فى قلب النجم بتكثف جداً من كمية البروتونات وبالتالى بترفع من جاذبيتها. وبما إن البروتونات موجبة والإلكترونات سالبة، فاللى بيحصل إن البروتونات بتمتص الإلكترونات أو بتلتقطها من مداراتها.

فبالفعل العملية دى بتسمى بعملية إلتقاط الالكترونات (Electron capture). وناتج العملية دى بيؤدى لتحول البروتونات لـ نيترونات (Neutrons) و نيوترينوات (Neutrinos). الـ Neutrons أنت عارف انها الجسيمات المتعادلة الموجودة مع البروتونات جوه النواة، ودى تعتبر جسيمات فى حالها ومتعادلة ومش بتعمل مشاكل. أما الـ neutrinos فهى الجسيمات الشيطانية اللى غلبت العلماء، فهى جسيمات شبه منعدمة الكتلة وصغيرة جداً جداً وسريعة جداً جداً.

وبصرف النظر عن خصائص الـ neutrinos اللى اتكلمنا برضه عنها قبل كده، فاللى يهمنا نقول إن اطلاق الـ neutrinos هو علامة الانفجار المرعب للنجم. يعنى أصغر جسيمات الكون بتتسبب فى أقوى إنفجارات الكون.

و على فكرة الموضوع ده كله بيعتبر حالة من 4 حالات بتسقط فيهم الإلكترونات جوه النواة. بقية الحالات بقى ممكن نتكلم عنها فى حدوته قريبه إن شاء الله. ياترى مين مهتم بعمل مقال زى دى بتتكلم عن كل حالات سقوط الإلكترونات فى النواة؟