آیا راهی برای یافتن "ستارگان کوارکیِ شگفت" وجود دارد؟

جهانی که پیرامون خود می‌بینیم بر پایه‌ی کوارک‌ها ساخته شده. کوارک‌ها هسته‌ی اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل‌دهنده‌ی ما و جهان را می‌سازند.  اگرچه کوارک‌ها بر شش گونه هستند [بالا، پایین، سر، ته، افسون، شگفت]، ولی ماده‌ی معمولی تنها دربردارنده‌ی دو گونه کوارک است: کوارک‌های بالا و کوارک‌های پایین. پروتون‌ها از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین درست شده‌اند، و نوترون‌ها هم از دو پایین و یک بالا. روی زمین، آن چهار گونه‌ی دیگر تنها زمانی دیده می‌شوند که در شتابدهنده‌های ذرات پدید می‌آیند. ولی برخی از آنها می‌توانند به طور طبیعی در اجرام چگالی مانند ستارگان نوترونی هم پدیدار شوند.

مقایسه ی ستاره‌ی نوترونی (چپ) با ستاره‌ی کوارکی شگفت

مدل استاندارد برای ستارگان نوترونی می‌گوید نوترون‌ها در درون آنها عمدتا دست نخورده می‌مانند. بنابراین یک ستاره‌ی نوترونی مانند یک هسته‌ی اتم غول‌پیکر است که به جای نیروی هسته‌ای قوی، با نیروی گرانش یکپارچه مانده. ولی ما شناخت کاملی از چگونگیِ برهمکنش نوترون‌ها در دماها و چگالی‌هایی بی‌اندازه بالا نداریم. این احتمال هست که نوترون‌ها درون یک ستاره‌ی نوترونی می‌شکنند و با ساختن سوپی از کوارک، چیزی که به نام ستاره‌ی کوارکی شناخته می‌شود را پدید می‌آورند. ستارگان کوارکی باید همانند ستارگان نوترونی باشند ولی کمی کوچک‌تر.

اگر ستارگان کوارکی وجود داشته باشند، پس احتمالش هست که کوارک‌های پرانرژیِ بالا و پایین بتوانند با هم برخورد کرده و کوارک‌های شگفت را بسازند. و اینجاست که چیزها می‌توانند کمی شگفت‌انگیز شوند. کوارک‌های شگفت بسیار سنگین‌تر از کوارک‌های بالا و پایین هستند، پس کوارک‌های شگفت گرایش به این پیدا می‌کنند که گونه‌ی تازه‌ای از نوکلئون‌ها (ذرات هسته‌ای) به نام شگفتک (Strangelet) را بسازند. یک شگفتکِ ساده دربردارنده‌ی یک کوارک بالا، یک پایین، و یک شگفت است. چون شگفتک‌ها بسیار چگال‌تر از پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند، تماس میان این دو باعث از هم پاشیدنِ پروتون‌ها و نوترون‌ها و پدید آمدن شگفتک‌های بیشتر می‌شود. اساسا، اگر ماده‌ی شگفت با یک ماده‌ی معمولی تماس پیدا کند، چیزی نمی‌گذرد که ماده‌ی معمولی هم به ماده‌ی شگفت تبدیل شود. می‌توانید هر چیزی داشته باشید، از ستارگان شگفت گرفته تا سیاره‌های شگفت.

"ماده‌ی کوارکی" اگرچه پنداشت جالبی‌ست، ولی پرطرفدار نیست. نخست این که اگر ماده‌ی کوارکیِ شگفت در برخی از ستارگان نوترونی تشکیل می‌شود، پس باید در همه‌ی آنها تشکیل شده، باعث رُمبش آنها گردد. ولی ما ستارگان نوترونیِ بسیاری را می‌بینیم که بزرگ‌تر از آنند که از کوارکِ شگفت باشند. این واقعیت هم هست که کوارک‌های شگفت می‌توانند درون نوترون‌ها و پروتون‌های معمولی هم پدیدار شوند. برای نمونه، اگرچه یک پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین "ساخته شده"، ولی در واقع این تنها یک میانگین است. اُفت و خیزهای (نوسان های) کوانتومی به این معنا هستند که کوارک‌های شگفت می‌توانند برای دوره‌های کوتاهی پدید بیایند. ولی پایدار نیستند و نوکلئون‌ها را به ماده‌ی شگفت تبدیل نمی‌کنند. بنابراین اگر ماده‌ی شگفت وجود داشته باشد، به احتمال بسیار تنها درون اجرام بزرگ و چگال وجود خواهد داشت.

با این همه، هنوز می‌ارزد که به جستجوی اجرام ماده‌ی شگفت در کیهان بپردازیم، و  یک پژوهش تازه نامزدهایی هم [برای این ماده] پیدا کرده. در این پژوهش به جستجوی گونه‌ای از اجرام به نام "کوتوله‌های شگفت" پرداخته شده. این اجرام فرضی جرمی به اندازه‌ی یک کوتوله‌ی سفید دارند، ولی به جای آن که از ماده‌ی معمولی در حالت تبهگن ساخته شده باشند، از ماده‌ی کوارک شگفت ساخته شده‌اند. در نتیجه، بسیار کوچک‌تر از کوتوله‌های سفید خواهند بود.

کوارک‌های شگفت می‌توانند در هسته‌ی ماده‌ی معمولی هم پدید بیایند

گروه دانشمندان برای یافتن این اجرام، به سراغ "پایگاه داده‌ی کوتوله‌ی سفید مونترآل" (ام‌دبلیودی‌دی) رفتند که داده‌هایی را درباره‌ی بیش از ۵۰ هزار کوتوله‌ی سفید در بر دارد. در این پایگاه داده، برای حدود ۴۰ هزار تای این کوتوله‌ها هم جرم و هم گرانش سطحی نیز فهرست شده. جرم یک کوتوله‌ی سفید را می‌توان با بهره از جابجایی‌های دوپلری در نور آن، هنگامی که به گرد یک ستاره‌ی همدم می‌گردد اندازه گرفت، یا با بهره از همگرایی گرانشی؛ گرانش سطحی را هم می‌توان از روی "سرخگرایی گرانشیِ" نورش سنجید.

اگر جرم و گرانش سطحی یک ستاره را بدانید، به سادگی می‌توانید شعاعش را اندازه بگیرید. دانشمندان همین کار را کردند و سپس آنها را با نسبت جرم و شعاع کوتوله‌های سفید مقایسه کردند. بیشتر آنها از این نسبت پیروی می‌کردند، ولی ۸ تا از ستاره‌ها چنین نبودند. آنها از نظر اندازه بسیار کوچک‌تر بودند و با پیش‌بینی‌ها برای کوتوله‌های کوارکی سازگاری داشتند.

داده‌های این پژوهش به اندازه‌ی کافی نیرومند نیست که بتواند ثابت کند این اجرام "کوتوله‌ی کوارکی" هستند، ولی ارزش بررسی بیشتر را دارند. یک چیزی در آنها شگفت‌آور هست، و چه خوب می‌شود اگر بفهمیم این شگفتی زیر سر کوارک‌های شگفت است یا چیزی دیگر.

--------------------------------------------
تلگرام، توییتر، و اینستاگرام یک ستاره در هفت آسمان:
telegram.me/onestar_in_sevenskies
twitter.com/1star_7sky
instagram.com/1star.7sky

واژه‌نامه:
quark - nucleus - atom - molecule - up quark - down quark - proton - neutron - Earth - particle accelerator - neutron star - atomic nucleus - strong nuclear force - quark star - strange quark - nucleon - strangelet - strange star - strange planet - strange matter - strange quark matter - quantum fluctuation - strange dwarf - white dwarf - degenerate state - Montreal White Dwarf Database - MWDD - Doppler shift - gravitational lensing - gravitational redshift - radius - quark dwarf

منبع: یونیورس‌تودی
برگردان: یک ستاره در هفت آسمان