بررسی درون ستارگان نوترونی به کمک امواج گرانشی

* آشکارسازی امواج گرانشیِ پدید آمده در برخورد دو ستاره‌ی نوترونی در سال گذشته به دانشمندان در روشن کردن جزییاتی درباره‌ی ساختار ستارگان نوترونی کمک کرده و نظریه‌ی کوارکی بودن هسته‌ی آنها را رد کرده است.

دو پژوهش جدا از هم محدوده‌های تازه‌ای برای اندازه‌ی ستارگان نوترونی تعیین کرده و نشان داده‌اند که این اجرام شعاعی بزرگ‌تر از ۱۴ کیلومتر ندارند. این شعاع دو برابر درازای نواره‌ی لاس وگاس است. این حدِ اندازه کمی بزرگ‌تر از برآوردهای پیشین است و نشان می‌دهد که ستارگان نوترونی ساده‌تر از آنچه می‌پنداشتیم هستند.

برداشت هنری از دو ستاره‌ی نوترونی که به گرد یکدیگر می‌چرخند و در واپسین گام‌های ادغام به یکدیگرند. چرخش این دو، امواج گرانشی در بافت فضازمان گسیلیده

ستارگان نوترونی پسماندهای ستاره‌ای چگالی هستند که از انفجارهای ابرنواختری به جا می‌مانند. آنها جرمی نزدیک به ۱.۴ برابر جرم خورشید را در همین حجم کوچکشان جای داده‌اند. چگالی‌ها و فشارهای بی‌اندازه [در آنها] باعث می‌شود الکترون‌ها به هسته‌های اتم‌هایی که در مدارشان هستند کوبیده شده و به پروتون‌ها بپیوندند و نوترون بسازند، از همین رو ستارگان نوترونی به طور عمده از نوترون ساخته شده‌اند. ولی یک احتمال هم هست که چگالی درون آنها به اندازه‌ای بالا برود که این ذرات بشکنند و ذراتی از این هم کوچک‌تر، مانند کوارک بسازند.

اخترفیزیکدان دانشگاه آریزونا، فریال اوزل می‌گوید اندازه (شعاع) برای ستارگان نوترونی واقعا اهمیت دارد- هر چه کوچک‌تر باشند چگالی در هسته‌شان بیشتر است. در سنجش‌های گذشته محدوده‌ی شعاع یک ستاره‌ی نوترونی میان ۱۰ و ۱۱ کیلومتر برآورد شده بود. این شاید چندان متفاوت با شعاع ۱۴ کیلومتر نباشد ولی همین اختلاف کافیست تا چگالی مرکزش را به اندازه‌ی بیش از دو برابر افزایش دهد. اوزل می گوید: «همین کافیست تا اثر ژرفی روی مقدار پس‌زنی (دفع) میان ذرات بگذارد.»

این اندازه‌گیری‌های تازه برای ستارگان نوترونی بر پایه‌ی رویداد آشکارسازی امواج گرانشی ۱۷ اوت ۲۰۱۷ در آشکارسازهای لایگو/ویرگو انجام گرفته*. امواج گرانشی دریافت شده در آن روز دستاورد برخورد دو ستاره‌ی نوترونی در فاصله‌ی ۱۳۰ میلیون سال نوری زمین بودند. اجرام چگالی مانند ستارگان نوترونی و سیاهچاله‌ها با حرکتشان در فضا، این امواج را در بافت فضازمان منتشر می‌کنند. امواج گرانشی‌ای که در برخورد آن دو ستاره‌ی نوترونی پدید آمد و دریافت شد به دانشمندان در کاوش و بررسی ساختار این اجرام کمک کرد. اگرچه هر دو پژوهش از روش‌های متفاوتی بهره گرفته بودند، ولی بیشینه‌ی شعاعی که برای ستارگان نوترونی به دست آوردند تقریبا برابر بود. یکی ۱۳.۶ کیلومتر و دیگری ۱۳.۷۶ کیلومتر. این دو پژوهشنامه در شماره‌ی ۲۵ آوریل نشریه‌ی فیزیکال ریویو لترز منتشر شدند.

ستارگان نوترونی در آزمایشگاه

اخترشناسان با توجه به چگالی بی‌اندازه بالای ستارگان نوترونی، درباره‌ی ساختار درونی آنها چندان مطمئن نیستند. برخی از نظریه‌ها بر پایه‌ی فیزیک هسته‌ای‌ست، ولی چیزی مانند پنداشت کوارکی، بر پایه‌ی فیزیک ذرات پرانرژی است. روش‌های متفاوت می‌توانند پیش‌بینی‌های متفاوتی درباره‌ی ساختار درونی ستارگان نوترونی ارایه کنند.

آزمایش‌های انجام شده در برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ (ال‌اچ‌سی) در سرن و برخورددهنده‌ی یون‌های سنگین نسبیتی (آراچ‌آی‌سی) در آزمایشگاه ملی بروکهیون آگاهی‌هایی درباره‌ی ساختار احتمالی هسته‌ی ستارگان نوترونی به دانشمندان می‌دهد. پژوهشگران در این دو بنیاد یون‌های سرب را با سرعت‌هایی نزدیک به سرعت نور به یکدیگر می‌کوبند تا بتوانند به دمای بالا برای شکستن نوترون‌ها و پروتون‌ها و تبدیل‌شان به یک پلاسمای کوارک-گلوئون (سوپ کوارک) برسند.

ستاره‌ی نوترونی

فیزیکدان نظری، الکسی کورکلا از سرن می‌گوید: «این برخوردها ریزقطره‌هایی از ماده در اندازه‌های یونی و آن چنان چگال پدید می‌آورند که ساختار پروتون‌ها و نوترون‌ها را آب می‌کند و برای زمانی بسیار کوتاه، ریزقطره‌ی کوچکی از ماده‌ی کوارکی به دست می‌آید. ما فکر می‌کنیم این پلاسمای داغِ کوارک-گلوئون نسبت نزدیکی با ماده‌ی کوارکی "سردی" که ممکن است در هسته‌ی ستارگان نوترونی باشد دارد. ما می‌کوشیم با بررسی ویژگی‌های پلاسمای کوارک-گلوئون به آنچه در هسته‌ی ستارگان نوترونی رخ می‌دهد پی ببریم.»

اگر ستارگان نوترونی در هسته‌شان کوارک تولید کنند، می‌توانند دستخوش تغییر حالت شوند. کورکلا می‌گوید: «به طور بالقوه می‌شود ... ستارگان نوترونی‌ای را دید که جرم همسان، ولی شعاع‌های بسیار متفاوتی داشته باشند. در این صورت برداشت ما می‌تواند این باشد که ستاره‌ی نوترونی با شعاع بیشتر می‌بایست از مواد سخت‌تر تشکیل شده باشد، احتمالا ماده‌ی نوترونی. ستارگان نوترونی کوچک‌تر هم خودشان یا دستکم هسته‌شان، از مواد نرم‌تری که می‌تواند ماده‌ی کوارکی باشند درست شده‌اند.»

فرخ فتایوف از دانشگاه ایندیانا می‌گوید: «اگرچه نظریه‌های کنونی توصیف خوبی برای ماده‌ی چگال در چگالی‌های هسته‌ای ارایه می‌دهند، ولی با برون‌یابی آنها برای چگالی‌های ابَر-هسته‌ای، پیش‌بینی‌هایشان انحراف چشمگیری پیدا می‌کند.»

کورکلا می‌گوید در حقیقت، مشاهدات لایگو با نظریه‌ی پیشین دانشمندان سازگاری ندارد، به ویژه برای نوع ماده‌ی درون ستارگان نوترونی.

شکل و اندازه

هنگامی که دو ستاره‌ی نوترونی به گرد یکدیگر می‌چرخند، هر یک با میدان گرانشی خود نیروی کشندی بر دیگری وارد می‌کند: به گفته‌ی کورکلا، سمتی از همدم که به ستاره نزدیک‌تر است نیروی گرانشی بیشتری دریافت می‌کند تا سمتی که از آن دور است. در نتیجه، هر دو ستاره‌ی نوترونی دچار وادیسِش کشندی (تغییر شکل کشندی) شده و مانند یک توپ راگبی می‌شوند.

شکل پیکره‌ی ستاره‌ی نوترونی به ما نشان می‌دهد که از چه ساخته شده. اگر ماده‌ی درونشان نرم باشد، یعنی کوارک به همراه نوترون، ستاره در اثر گرانشِ همدمش دچار وادیسِش می‌شود، و این را لایگو می‌بایست ببیند. ولی مشاهدات لایگو چنین چیزی را نشان نمی‌داد. به گفته‌ی کورکلا، لایگو نشان داد که آن ستارگان نوترونی مانند توپ‌هایی سفت و انعطاف‌ناپذیر بودند، حتی در زمانی که داشتند با هم ادغام می‌شدند؛ و این بدان معناست که در هسته‌شان تنها نوترون دارند. بررسی رصدهای لایگو به پژوهشگران امکان داد تا نظریه‌ی وجود کوارک درون ستارگان نوترونی را کنار بگذارند.

دانشمندان برای تایید مشاهدات لایگو به رصدهای امواج گرانشی بیشتری نیاز دارند. افزون بر این، چون برخورد ستارگان نوترونی به جز موج گرانشی، نور هم تولید می‌کند، دانشمندان امیدوارند با بهره از رصدهای پرتو X هم آگاهی‌هایی درباره‌ی همنهش آنها به دست بیاورند؛ از جمله با کمک داده‌های "کاوشگر همنهش درونی ستارگان نوترونی" (نایسر، NICER) در ایستگاه فضایی بین‌المللی.

-------------------------------------------
* خبرش را اینجا خواندید:
برای نخستین بار، دریافت همزمان امواج گرانشی و امواج الکترومغناطیسی از یک رویداد کیهانی

-------------------------------------------

تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

twitter.com/1star_7sky

واژه‌نامه:

gravitational wave - neutron star - quark - core - Las Vegas strip - supernova - sun - electron - atomic nuclei - proton - neutron - Feryal Özel - University of Arizona - Physical Review Letters - LIGO - Virgo - black hole - spacetime - nuclear physics - Large Hadron Collider - LHC - CERN - Relativistic Heavy Ion Collider - Brookhaven National Laboratory - lead - ion - quark–gluon plasma - Aleksi Kurkela - Fattoyev - Indiana University - gravitational field - tidal force - rugby - X-ray - Neutron star Interior Composition Explorer - NICER - International Space Station

منبع: اسکای‌اندتلسکوپ

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان