فرمانروایی اقلیت در ستارگان نوترونی!

* پروتون‌ها تنها پنج درصد از ساختار ستارگان نوترونی را تشکیل داده‌اند، ولی گویا در این ستارگان قدرت در دست همین پروتون‌هاست.

ستارگان نوترونی بازمانده‌های ابرنواخترانند، تنها چیزی که از یک ستاره‌ی بزرگ به جرم چند ده برابر خورشید، پس ازپایان همجوشی در هسته و به پایان رسیدن زندگی‌اش در یک مرگ انفجاری به جا می‌ماند. این اجرامِ بی‌اندازه چگال جرمی هم‌ارز ۱.۴ جرم خورشید را در کره‌ای به قطر یک شهر کوچک (۱۰ تا ۱۲ کیلومتر) جا داده‌اند.

دو ستاره‌ی نوترونی که در آستانه‌ی برخورد و ادغامند- تصویر بزرگ‌تر

این اجرام خُرد نامشان را از این واقعیت گرفته‌اند که تقریبا به طور کامل از نوترون تشکیل شده‌اند. ولی جزء کوچکی (حدود ۵ درصد) از آنها را پروتون ساخته‌. اکنون بر پایه‌ی یک پژوهش تازه، شاید این پروتون‌ها نفوذی بیشتر از آنچه فکر می‌کردیم بر ویژگی‌های ستارگان نوترونی داشته باشند- ویژگی‌هایی مانند اندازه، دما، و "سفتی". این پژوهش که گزارش آن در شماره‌ی ۱۳ اوت نشریه‌ی نیچر منتشر شده توسط گروهی از پژوهشگران از بنیاد فن‌آوری ماساچوست (ام‌آی‌تی)، دانشگاه تل آویو، و دانشگاه اولد دامینیون انجام گرفته.

ولی داده‌هایی که این گروه از آن بهره جستند از رصد خود ستارگان نوترونی به دست نیامده، بلکه از همتایان آنها به دست آمده: هسته‌های چگال اتم همین جا روی زمین. اگرچه هسته‌های اتم‌ها از نظر چگالی و در هم فشردگی دقیقا مانند ستارگان نوترونی نیستند، ولی مشاهده‌ی آنها ساده‌تر است و باز هم می‌توانند بینش‌هایی درباره‌ی کارکرد درونی برخی از افراطی‌ترین اجرام کیهان به ما بدهند.

فرمانروایی اقلیت

ولی یک چنین جزء کوچکی از مواد چگونه می‌تواند بر چنین جرم سنگینی حکم براند؟ همه چیز زیر سر پدیده‌ای به نام "همبستگی کوتاه-برد" (short-range correlation) است. ساده آغاز کنیم: هسته‌ی اتم از پروتون‌ها و نوترون‌هایی تشکیل شده که با الکترون‌ها در میان گرفته شده‌اند. همه‌ی این ذرات در یک فضای محدود جای گرفته‌اند. این ذرات پیوسته در جنبشند- در حقیقت هر چیزی در دمای بالاتر از صفر مطلق دارای جنبش و حرکت است، زیرا دما و انرژی به هم ربط دارند. جنبش باعث می‌شود پروتون‌ها و نوترون‌ها با یکدیگر برخورد کرده و برهم‌کنش انجام دهند. این فرآیند به نام همبستگی کوتاه-برد شناخته می‌شود، و می‌تواند به دلیل انرژی‌ای که در آنست، اثر چشمگیری بر ویژگی‌های هسته بگذارد.

اکنون به جای هسته‌ی یک اتم، یک ستاره‌ی نوترونی را در نظر بگیرید. آن هم مانند هسته‌ی اتم از ذراتی تشکیل شده که در یک فضای محدود جا شده‌اند، ولی این بار، ذرات به طور عمده نوترونند، با تنها شمار اندکی پروتون، و فضا هم بسیار بزرگ‌تر از هسته‌ی اتمست. ولی اینجا هم همان اصل برقرار است- از آنجایی که این پروتون‌ها و نوترون‌ها در جنبشند می‌توانند در همبستگی‌های کوتاه-برد با هم برخورد کرده و برهم‌کنش انجام دهند، درست مانند آنچه در هسته‌ی اتم رخ می‌دهد.

کلید پایانی راز این واقعیت است که در همبستگی‌های کوتاه-برد، پروتون‌ها انرژی بیشتری را حمل می‌کنند تا نوترون‌ها. اور هِن از ام‌‌آی‌تی می‌گوید: «ما فکر می‌کنیم در یک هسته‌ی پر از نوترون، پروتون‌ها جنبشی بیش از نوترون‌ها دارند، بنابراین به طور میانگین، ابتکار عمل در دست پروتون‌هاست. اگرچه پروتون ‌ا در ستاره در اقلیتند، ولی به باور ما حکومت در دست این اقلیت است. پروتون‌ها بسیار فعال به نظر می‌رسند و ما فکر می‌کنیم احتمالا ویژگی‌های گوناگون ستاره را همان‌ها تعیین می‌کنند.»

پروتون‌ها پیروزند

جفت‌های پروتون-نوترون و نوترون-نوترون هر دو می‌توانند همبستگی‌های کوتاه-برد را تجربه کنند. برای این که بفهمیم احتمال شکل‌گیری کدام یک از این جفت‌ها در ستارگان نوترونی بیشتر است (و بنابراین کدام جفت بیشترین مدیریت را بر ویژگی‌های ستاره دارد)، پژوهشگران به سراغ داده‌های آزمایشی رفتند که در سال ۲۰۰۴ انجام شده بود و در آن اتم‌های کربن، آلومینیوم، آهن، و سرب بررسی شده بود. نسبت نوترون به پروتونِ هر یک از این‌ عنصرها به ترتیب بیشتر از عنصر پیشین است. دانشمندان در هر آزمایش به جستجوی نشانه‌های همبستگی کوتاه-برد میان جفت‌های پروتون و نوترون پرداختند.

هر چه در اتمی، شمار نوترون‌ها نسبت به پروتون‌ها بیشتر بود، شانس جفت شدن پروتون‌ها برای همبستگی کوتاه-برد بیشتر می‌شد. ولی شمار نوترون‌ها هر چه بود شانس جفت شدنشان تغییری نمی‌کرد و ثابت بود. این بدان معناست که هر چه نوترون‌ها بیشتر باشند، برخورد و جنبش پروتون‌ها بیشتر می‌شود- و بنابراین در ستارگان نوترونی، پروتون‌ها با وجود شمار کمترشان، قدرت اثرگذاری بر ویژگی‌های کلی ستاره را در دست دارند.

الی پیازتسکی از دانشگاه تل آویو می‌گوید: «این روند نشان می دهد که در اجرامی با چگالی نوترونی بالا، اقلیت پروتون‌ها به گونه‌ی نامتناسبی بخش بزرگی از میانگین انرژی را در دست دارند.»

و به احتمال بسیار این روند در اجرامی با چگالی‌های نوترونی‌ای به اندازه‌ی آنچه در ستارگان نوترونی دیده‌ایم هم برقرار است. اگر این درست باشد، معنایش چیست؟

پیازتسکی می‌گوید: «ما فکر می‌کنیم ادغام دو ستاره‌ی نوترونی یکی از فرآیندهای مهم کیهانست که در آنها هسته‌های اتمی سنگین‌تر از آهن، مانند طلا ساخته می‌شود. پژوهش ما بر روی هسته‌های پر از نوترون نشانگر اینست که باید یک بازبینی در نقشی که اقلیت پروتون‌ها در ستارگان نوترونی بازی می‌کنند و اثر آنها بر فرآیند هسته‌زایی انجام دهیم.»

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

تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

twitter.com/1star_7sky

واژه‌نامه:

neutron star - proton - supernova - star - Sun - neutron - stiffness - Nature - Continuous Electron Beam Accelerator Facility - CEBAF - Large Acceptance Spectrometer (CLAS) Collaboration - MIT - Tel Aviv University - Old Dominion University - atomic nucleus - Earth - short-range correlation - electron - absolute zero - Or Hen - carbon - aluminum - iron - lead - Eli Piasetzky - gold

منبع: astronomy.com

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان