گفتاری در باب ستارگان نوترونی

ستارگان نوترونی اجرامی ستاره‌ای با قطری به اندازه‌ی یک شهر، و جرم حدود ۱.۴ برابر خورشیدند. این ستارگان که در پی مرگِ انفجاریِ ستارگان بزرگ پدید می‌آیند اجرامی کوچک و بی‌اندازه چگال و فشرده‌‌اند. بیایید نگاهی به آنها بیندازیم و ببینیم چه هستند، چگونه ساخته می‌شوند، و چند گونه‌اند.

ستارگان نوترونی هنگامی پدید می‌آیند که یک ستاره‌ی بزرگ در انفجاری ابرنواختری می‌میرد و هسته‌اش در خود می‌رُمبد. این رمبش آنچنان هسته‌ی ستاره را می‌فشارد که پروتون‌ها و الکترون‌های آن در هم ذوب شده و نوترون می‌سازند

یک ققنوس ستاره‌ای

هنگامی که ستارگانی به جرم ۴ تا ۸ برابر خورشید در ابرنواختری خشن و سهمگین منفجر می‌شوند، لایه‌های بیرونی‌شان با نمایشی دیدنی به بیرون پرتاب شده و تنها یک هسته‌ی کوچک و چگال از آنها به جا می‌ماند که به رُمبش خود ادامه می‌دهد. مواد درون این هسته در اثر گرانش به اندازه‌ای روی هم فشرده می‌شوند که پروتون‌ها و الکترون‌هایشان به هم آمیخته و نوترون می‌سازند- نامیدن این اجرام به نام ستارگان نوترونی به همین دلیل است.

ستارگان نوترونی همه‌ی جرمشان را در کره‌ای به قطر ۲۰ کیلومتر جا داده‌اند. آنها به اندازه‌ای چگالند که وزن یک قاشق چایخوری از موادشان به یک میلیارد تُن می‌رسد- البته با فرض این که برای نمونه‌برداری از آنها، یکجوری جلوی خُرد و خمیر شدنتان زیر گرانش نیرومندشان را بگیرید! به طور میانگین، گرانش یک ستاره‌ی نوترونی ۲ میلیارد برابر نیرومندتر از گرانش زمین است. در حقیقت نیروی این گرانش به اندازه‌ایست که می‌تواند پرتوهای تابیده از خود ستاره را در فرآیندی به نام همگرایی گرانشی خم کند و به ما امکان دهد تا بخشی از پشت آن را هم ببینیم.

نیروی انفجار ابرنواختری که این ستارگان را پدید می‌آورد به اندازه‌ایست که باعث چرخش بی‌اندازه سریع آنها می‌شود- چرخشی به اندازه‌ی چندین دور در ثانیه. سرعت چرخش برخی از این اجرام می‌تواند تا ۴۳۰۰۰ دور در دقیقه برسد. این سرعت به آرامی در گذر زمان کاهش می‌یابد.

راستای باریکه‌های تپ‌اختر با راستای محور چرخش آن یکی
نیست، از همین رو به هنگام چرخش، باریکه‌هایش با هر بار
دور زدن، یک مخروط را در فضا می‌پیمایند. اگر زاویه‌ی این
باریکه به گونه‌ای باشد که رو به زمین هم بشود، در هر دور
چرخش یک بار نور آن را می‌بینیم

اگر یک ستاره‌ی نوترونی همدمی داشته باشد که از انفجار مرگبار آن جان به در برده (یا ستاره‌ی رهگذری که به دام آن گرفتار شده)، ماجرا از این هم جالب‌تر می‌شود. اگر ستاره‌ی همدم کم‌جرم‌تر از خورشید باشد، ستاره‌ی نوترونی مواد آن را به درون "لوب روش" می‌کشد، ابری بالون-مانند از مواد که به گرد ستاره‌ی نوترونی می‌گردد. ستارگان همدم با جرمی تا ۱۰ برابر خورشید هم یک چنین دادوستد جرمی را پدید می‌آورند ولی به گونه‌ای ناپایدارتر که زمان کمتری دوام می‌آورد.

ستارگانی با جرم بیش از ۱۰ برابر خورشید مواد را به شکل بادهای ستاره‌ای تبادل می‌کنند. این مواد به سوی قطب‌های مغناطیسی ستاره‌ی نوترونی روان می‌شوند و با داغ شدن، تپ‌های پرتوی X می‌گسیلند.

تا سال ۲۰۱۰ تقریبا ۱۸۰۰ ستاره‌ی نوترونی تپنده در طیف‌های رادیویی، و ۷۰ تای دیگر هم در پرتو گاما شناسایی شد. برخی از آنها حتی سیاره‌هایی هم در مدار پیرامونشان دارند- و برخی حتی می‌توانند خودشان سیاره شوند [به گرد ستاره‌ای دیگر بچرخند-م].

انواع ستارگان نوترونی

برخی از ستارگان نوترونی فواره‌هایی از مواد دارند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور از آنها بیرون می‌زنند. این فواره‌ها در هر دور چرخش ستاره به زمین می‌رسند و مانند یک فانوس دریایی، نورشان به چشم ما می‌رسد. از آنجایی که این گونه ستارگان نوترونی از چشم ما نمایی تپنده دارند، به نام تپ‌اختر شناخته می‌شوند. تپ‌اخترهای معمولی میان ۰.۱ تا ۶۰ دور در ثانیه به گرد محورشان می‌چرخند [یعنی در هر ثانیه ۰.۱ تا ۶۰ تپ از آنها دیده می‌شود]، ولی تپ‌اخترهایی که به نام تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای شناخته می‌شوند می‌توانند در ثانیه تا ۷۰۰ دور هم بچرخند.

هنگامی که تپ‌اخترهای پرتو X موادِ جریان‌یافته از همدم‌های سنگین‌ترشان را به سوی خود می‌کشند، این مواد با میدان مغناطیسی برهم‌کنش انجام داده و باریکه‌های بسیار نیرومند پدید می‌آورند که می‌توانند در طیف‌های رادیویی، دیدنی (مریی)، پرتو ایکس، و یا پرتو گاما دیده شوند. از آنجایی که سرچشمه‌ی اصلی نیروی آنها موادیست که از همدم می‌آید، این تپ‌اخترها را اغلب به نام "تپ‌اخترهای سرچشمه گرفته از برافزایش" [تپ‌اخترهای ریشه در برافزایش یا تپ‌اخترهای برافزایشی؟-م] می‌خوانند. ولی "تپ‌اخترهای سرچشمه گرفته از چرخش" [ریشه در چرخش یا چرخشی؟-م]، دستاورد چرخش خود ستاره‌اند که در اثر برهم‌کنش الکترون‌های پرانرژی با میدان مغناطیسی آنها روی قطب‌هایشان پدید می‌آیند. ستارگان نوترونی جوان تا پیش از سرد شدن، هنگامی که بخش‌هایی از آنها داغ‌تر از بخش‌های دیگرشان باشد، می‌توانند تپ‌هایی از پرتو X هم بگسیلند

با شتابگیری مواد درون یک تپ‌اختر در مغناطکره‌ی آن، این ستاره‌ی نوترونی (همان تپ‌اختر) پرتوهای گاما می‌گسیلد. دادوستد انرژی در این تپ‌اخترهای پرتو گاما چرخش آنها را کُند می‌سازند.

چشمک زدن تپ‌اخترها به اندازه‌ای (منظم و) پیش‌بینی‌پذیر است که پژوهشگران در نظر دارند برای ناوبری در پروازهای فضایی از آنها بهره بگیرند.

کیت گندرو از مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا می‌گوید: «برخی از تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای بی‌اندازه منظمند، مانند ساعت.» او می‌افزاید: «ما این تپ‌اخترها را به همان روش کاربرد ساعت‌های اتمی در ناوبری جی‌پی‌اس به کار می‌بریم.»

یک ستاره‌ی نوترونی معمولی میدان مغناطیسی نیرومندی دارد. به گفته‌ی اخترفیزیکدان، پل ساتر، میدان مغناطیسی زمین حدود ۱ گاوس است، و خورشید هم چندصد گاوس. ولی شدت میدان یک ستاره‌ی نوترونی یک تریلیون گاوس است.

مگنتارها گونه‌ای از ستارگان نوترونی‌اند که میدان مغناطیسی‌شان هزار برابر ستارگان نوترونی معمولی است. نیروی پَساری (drag) که به این دلیل پدید می‌آید از سرعت چرخش ستاره می‌کاهد.

ساتر می‌گوید: «بنابراین در رقابت‌های جهانی "نیرومندترین میدان مغناطیسی"، مگنتارها در جایگاه ۱ می‌ایستند. عددها را داریم، ولی بسیار سخت است که بتوانیم بفهمیم چه معنی‌ای دارند.»

این میدان‌ها اثری ویرانگر محیط پیرامونشان دارند، به گونه‌ای که اتم‌ها در نزدیکی مگنتارها کش آمده و میله‌های باریکی می‌شوند. این ستارگان چگال می‌توانند انفجارهای تابشی بسیار پرانرژی هم به راه بیاندازند.

ساتر می‌گوید: «اگر به یکی از اینها بسیار نزدیک شوید (کمتر از ۱۰۰۰ کیلومتر)، میدان‌های مغناطیسی آنچنان شدید خواهد بود که نه تنها می‌توانند الکتریسیته‌ی زیستی (زیست‌برق) بدنتان را به هم ریخته و پیام‌های عصبی‌تان را کاملا بی‌اثر کنند، بلکه تمام ساختار موکولی‌تان را هم از کار بیندازند.»«در میدان یک مگنتار، شما یک جورهایی... حل می‌شوید.»

ستارگان برخوردکننده

ستارگان نوترونی هم مانند ستارگان معمولی می‌توانند به گرد یکدیگر بچرخند. اگر به اندازه‌ی کافی به هم نزدیک باشند، حتی می‌توانند مارپیچ‌وار به هم نزدیک شده و با برخورد به یکدیگر، پدیده‌ی سهمگینی به نام "کیلونواختر" را به وجود بیاورند.

در سال ۲۰۱۷، برخورد دو ستاره‌ی نوترونی موجی در جهان دانش به پا کرد. در آن رویداد، دانشمندان امواج گرانشی و پرتوهای الکترومغناطیسی که همگی از یک برخورد کیهانی سرچشمه گرفته بودند را دریافت کردند. پژوهشگران در این رویداد همچنین نخستین شواهد نیرومند از این که برخورد ستارگان نوترونی سرچشمه‌ی بیشتر طلا، پلاتین، و دیگر عنصرهای سنگین کیهانست را نیز به دست آوردند.

هانس-توماس یانکا دانشمند ارشد ام‌پی‌ای می‌گوید: «ریشه‌ی سنگین‌ترین عنصرهای شیمیایی کیهان دیرزمانیست که دانشمندان را سردرگم کرده. اکنون نخستین مدارک رصدی برای این که ادغام ستارگان نوترونی سرچشمه‌های آنها هستند را در دست داریم؛ در حقیقت این رویدادها به خوبی می‌توانند سرچشمه‌ی عنصرهای فرآیند آر (r-process) باشند-عنصرهای سنگین‌تر از آهن، مانند طلا و پلاتین.»

این برخورد نیرومند پرتوهای بسیار فراوانی آزاد کرد و امواجی گرانشی پدید آورد که در بافت فضازمان موج انداختند. ولی این که پس از برخورد چه بر سر دو جرم آمد هنوز یک رازست.

دیوید شومیکر، پژوهشگر ارشد در ام‌آی‌تی و سخنگوی پروژه‌ی لایگو در نشست خبری سال ۲۰۱۷ گفت: «ما در واقع از آنچه که در پایان بر سر این اجرام آمد آگاهی نداریم. نمی‌دانیم آیا سیاهچاله پدید آمد، یک ستاره‌ی نوترونی، و یا چیزی دیگر.»

گمان می‌رود این مشاهدات نخستین نمونه از بسیار بود.

نویسنده‌ی اصلی مطلب، آندریاس باوسواین از بنیاد پژوهش‌های نظری هایدلبرگ آلمان می‌گوید: «انتظار ما اینست که به زودی ادغام‌های ستارگان نوترونی بیشتری ببینیم و داده‌های این رویدادها چیزهای بیشتری را درباره‌ی ساختار درونی مواد برایمان روشن کنند.»

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

تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

twitter.com/1star_7sky

واژه‌نامه:

stellar phoenix - star - sun - supernova - core - proton - electron - neutron - neutron star - Eart - gravitational lensing - binary system - Roche lobe - stellar wind - magnetic pole - X-ray - gamma-rays - planet - pulsar - millisecond pulsar - magnetic field - spectrum - accretion-powered pulsars - Spin-powered pulsars - electron - pulse - magnetosphere - Keith Gendreau - NASA - Goddard Space Flight Center - Maryland - atomic clock - GPS - navigation system - Paul Sutter - magnetar - atom - bioelectricity - kilonova - gravitational wave - gold - platinum - element - Hans-Thomas Janka - MPA - r-process - iron - David Shoemaker - MIT - LIGO Scientific Collaboration - black hole - Andreas Bauswein - Heidelberg Institute for Theoretical Studies - Germany

منبع: Space.com

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان