מוצאם של היסודות הכבדים – בהתמזגות כוכבי ניוטרון

פיזיקאים העוסקים בתחום האטומי של היתוך גרעיני הצליחו להשיג את חישובי המחשוב המדויקים ביותר בעולם באשר לנתונים האטומיים של יוני ניאודימיום המשמשים באנליזה של האור המוחזר מאירוע של מיזוג צמד כוכבי נויטרונים. מחקר זה עשוי להאיץ את קצב פתרון התעלומה ארוכת השנים אודות המוצא הקוסמי של יסודות כבדים

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

צוות חוקרים של מומחים בתחומים של פיזיקה אטומית, היתוך גרעיני ואסטרונומיה, הצליחו להשיג את חישובי המחשוב המדויקים ביותר בעולם באשר לנתונים האטומיים של יוני ניאודימיום המשמשים באנליזה של האור המוחזר מאירוע של מיזוג צמד כוכבי נויטרונים. מחקר זה מקדם את פתרון השאלה באשר למוצאם הקוסמי של מתכות יקרות כגון זהב ופלטינה הנפוצות ביקום שלנו.

עדיין לא הוברר היכן וכיצד נוצרו היסודות הכבדים יותר מהיסוד ברזל הנמצאים ביקום. החוקרים סבורים כי אחד מהמקורות של יסודות כבדים עשוי להיות המיזוג של שני כוכבי נויטרונים. בשנת 2017 התגלו גלי כבידה שנבעו מהמיזוג של שני כוכבי נויטרונים, מאורע שהתרחש לפני 130 מיליוני שנים. בו בזמן, נצפתה גם הפליטה של קרן אור המכונה בשם kilonova. קרן אור זו נובעת מהחומר שהשתחרר בעת המיזוג של כוכבי הנויטרונים, והחוקרים סבורים כי חומר זה כולל בתוכו שפע של יסודות כבדים, לרבות מתכות יקרות כגון זהב ופלטינה, ובנוסף מתכות נדירות, למשל ניאודימיום.

ליסודות השונים יש את היכולת לקלוט אור. אורך הגל של האור הנקלט על ידי היסודות ורמת הקליטה של אור זה ייחודיים לכל אחד ואחד מהיסודות הנפרדים והם מכונים בשם נתונים אטומיים. על ידי שימוש בנתונים אטומיים, החוקרים מסוגלים להעריך את טיבם ואת ריכוזם של היסודות הכבדים הנוצרים במהלך מיזוג של כוכבי נויטרונים על ידי ניתוח הבהירות והתפלגות אורכי הגל של קרן האור kilonova. יחד עם זאת, הנתונים האטומיים הזמינים אודות יסודות כבדים מוגבלת ביותר במסגרת מסדי הנתונים העולמיים של המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST). לפיכך, מתבצע מחקר משותף בתחומים של פיזיקה אטומית, אסטרונומיה ומדעי ההיתוך הגרעיני במטרה לספק נתונים אטומיים מדויקים יותר במסגרת חקר קרן האור kilonova. בתחום המחקר של היתוך גרעיני, נתונים אטומיים הכרחיים לשם הניתוח של כמות והפליטה של זיהומים כגון יוני ברזל בפלזמות בטמפרטורות גבוהות.

שיטות מחשוב בהן נעשה שימוש במחקר בתחום ההיתוך הגרעיני יכולות לשמש עבור ניתוח הנתונים האטומיים של האור המגיע במסגרת קרן kilonova. צוות המחקר המתמקד ביוני ניאודימיום המיוננים פעם, פעמיים או שלוש, שלהם ההשפעה הגדולה ביותר על קרן אור זו. היסוד הכבד ניאודימיום יכול ליצור הרבה יותר סוגים של מערכי אלקטרונים בהשוואה ליסודות קלים יותר, כגון ברזל, המסוגלים לספק מספר עצום של אורכי גל לשם קליטת האור.

מחשוב בעל דיוק גבוה של אטומים מרובי אלקטרונים מאתגר בשל הקשיים שבחישוב יחסי הגומלין העדינים שבין האלקטרונים השונים. במכניקה קוונטית, תוצאי מתאם מיוצגים על ידי ריכוב קוהרנטי של מצבים שונים של האלקטרונים היוצרים יחסי גומלין ביניהם. באופן תיאורטי, ייתכן מספר אינסופי של מצבים. צוות המחקר בחן אוספים שונים של מצבים במטרה לספק נתונים מדויקים ככל האפשר בזמני מחשוב מציאותיים, והצליח למצוא את אוסף המצבים המיטבי לכל אחד מיוני הניאודימיום. האנרגיות שחושבו עבור האלקטרונים הרלוונטיים תואמות את הנתונים הקיימים במסדי הנתונים עם טעות סטייה של 10% בממוצע, המהווה רמת דיוק גבוהה יותר מכל רמה שהושגה עד כה על ידי צוות המחקר, תוך שהיא מספקת מיליוני אורכי גל והסתברויות עבור קליטת אור. החוקרים מקווים כי הממצאים של מחקר זה יאיצו את המחקר שמטרתו לחשוף את המקורות של מתכות יקרות כגון זהב ופלטינה ביקום שלנו, זאת תוך שימוש בנתונים אטומיים בעלי הדיוק הגבוה ביותר.

תקציר המאמר

להודעה של החוקרים

• עוד בנושא באתר הידען:
• “עם שידרוג LIGO נוכל לגלות עשרות אירוע גלי כבידה בשנה”
• חוקרים זיהו בדיעבד עוד אירוע של גלי כבידה מהתנגשות כוכבי ניוטרונים
• אינפלציה, גלי כבידה וקרינת הרקע הקוסמית: תיאוריה ואימות ניסויי\