كيف يمكن للنجوم النيوترونية "اللعب بشكل رائع" أن تفتح أبواب الفيزياء الغريبة
كيف يمكن للنجوم النيوترونية "اللعب بشكل رائع" أن تفتح أبواب الفيزياء الغريبة
اكتشف العلماء أن ثلاثة نجوم نيوترونية، ولدت في نيران النجوم المنفجرة الأخرى، بردت بسرعة مذهلة، مما يقربنا من فهم الطبيعة الغريبة للمادة داخل نوى هذه الأجسام المتطرفة.
وتم هذا الاكتشاف من قبل فريق إسباني بقيادة أليسيو مارينو من معهد علوم الفضاء (ICE–CSIC) في برشلونة، باستخدام التلسكوبات الفضائية الأوروبية والأمريكية التي تعمل بضوء الأشعة السينية.
المستعر الأعظم، ويمكن أن يحتوي على ما يصل إلى ما يقرب من ثلاثة أضعاف كتلة شمسنا في حجم كروي يبلغ عرضه حوالي 6.8 ميلًا (11 كيلومترًا). كل هذه المادة المضغوطة في مثل هذه المساحة الصغيرة تعني أن النجوم النيوترونية هي من بين أكثر تركيزات المادة كثافة في الكون المعروف، وتأتي في المرتبة الثانية بعد الثقوب السوداء. لجعل هذا البيان أكثر ارتباطًا، فكر في كيفية مقارنة ملعقة كبيرة من مادة النجم النيوتروني بكتلة جبل إيفرست.
هذه الطبيعة المتطرفة تعني أيضًا أن الفيزياء التي تحكم التصميم الداخلي للنجوم النيوترونية تظل غامضة. تسمى هذه الأجسام بالنجوم النيوترونية في البداية لأن مادتها قد تم سحقها إلى درجة أن الإلكترونات سالبة الشحنة والبروتونات المشحونة إيجابيًا تتصادم معًا، وتتغلب على القوة الكهروستاتيكية بينهما لتشكل جسمًا مليئًا بالنيوترونات المحايدة فقط. وفي أعماق قلب النجم النيوتروني، قد يتم سحق المادة إلى حد أكبر، لتشكل جسيمات غريبة لم يسبق لها مثيل مثل الهايبرونات الافتراضية. يعتقد العلماء أنه ربما يمكن أن تتفكك النيوترونات نفسها داخل نجم نيوتروني، مما يؤدي إلى خلق حساء من الجسيمات الأساسية في الكون: الكواركات.
ذات صلة: جسم كوني غريب تم تحديده على أنه بقايا نجم ميت منفجر
ما يحدث داخل النجم النيوتروني تحكمه معادلة حالة النجم النيوتروني. فكر في هذا كدليل يحدد البنية الداخلية للنجم النيوتروني وتكوينه بناءً على أشياء مثل كتلته ودرجة حرارته ومجاله المغناطيسي وما إلى ذلك. المشكلة هي أن العلماء لديهم حرفيًا مئات الخيارات لما يمكن أن تكون عليه معادلة الحالة هذه. وبما أننا لا نستطيع تكرار الظروف داخل النجم النيوتروني على الأرض، فإن اختبار النموذج الصحيح يعتمد بشكل كبير على مطابقتها لما تخبرنا به الملاحظات الفلكية.
ومع ذلك، فإن اكتشاف ثلاثة نجوم نيوترونية ذات درجات حرارة سطحية أقل بكثير مقارنة بالنجوم النيوترونية الأخرى ذات العمر المماثل قد وفر فكرة كبيرة، مما سمح للباحثين باستبعاد ثلاثة أرباع النماذج المحتملة لمعادلة حالة النجم النيوتروني في أحد النجوم النيوترونية. سكتة دماغية. اثنان من النجوم النيوترونية عبارة عن نجوم نابضة، وهي عبارة عن نجوم نيوترونية تدور بسرعة وتطلق أشعة من نفاثات الراديو نحونا. لا يُظهر النجم النيوتروني الثالث، في بقايا المستعر الأعظم Vela Jr، سلوك النجم النابض، ولكن قد يكون ذلك بسبب أن نفاثاته الراديوية لا تشير في اتجاهنا.
تم اكتشاف النجوم النيوترونية بأطوال موجية للأشعة السينية بواسطة تلسكوب XMM-Newton التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ومرصد شاندرا للأشعة السينية التابع لناسا.
وقال كاميل دييز، وهو عالم XMM-نيوتن في الفضاء الأوروبي: "إن الحساسية الرائعة لـ XMM-Newton وChandra جعلت من الممكن ليس فقط اكتشاف هذه النجوم النيوترونية، بل جمع ما يكفي من الضوء لتحديد درجات حرارتها وخصائصها الأخرى". الوكالة، في بيان.
كلما زادت حرارة النجم النيوتروني، زادت طاقة الأشعة السينية الصادرة عنه، وتخبرنا طاقة الأشعة السينية الصادرة عن هذه النجوم النيوترونية الثلاثة أنها باردة جدًا بقدر ما تصل إليه النجوم النيوترونية. نقول "بارد"، لكن النجوم النيوترونية لا تزال ساخنة بشكل استثنائي، مع درجات حرارة تتراوح بين 1.9 مليون إلى 4.6 مليون درجة مئوية (3.4 مليون إلى 8.3 مليون درجة فهرنهايت). ومع ذلك، بالنسبة لأعمارهم الصغيرة، والتي تتراوح من 840 عامًا إلى 7700 عام بناءً على حجم وسرعة تمدد بقايا المستعر الأعظم من حولهم، فإنها تعتبر باردة بشكل رائع. تولد النجوم النيوترونية بدرجات حرارة تصل إلى مئات المليارات، أو حتى تريليون درجة، وبينما تبرد، فإن النجوم النيوترونية الأخرى ذات الأعمار المماثلة لها درجات حرارة أعلى مرتين، وأحيانًا أكثر سخونة من ذلك.
يمكن للنجوم النيوترونية أن تبرد من خلال آليتين. أحدهما من خلال الإشعاع الحراري من أسطحها والذي يسمح للطاقة الحرارية بالهروب إلى برودة الفضاء. والآخر هو انبعاث النيوترينو، الذي يسرق الطاقة من قلب النجم النيوتروني، ويُعتقد أنه مسؤول عن التبريد السريع لهذا الثلاثي من النجوم النيوترونية.
ومع ذلك، فإن مدى سرعة تبريد النجوم النيوترونية نتيجة لهذه الآليات يعتمد على معادلة الحالة.
وقالت ناندا ريا، إحدى الباحثات في معهد علوم الفضاء ومعهد دراسات الفضاء في كاتالونيا: "لا يمكن تفسير العمر الصغير ودرجة حرارة السطح الباردة لهذه النجوم النيوترونية الثلاثة إلا من خلال الاستعانة بآلية التبريد السريع". إفادة. "بما أنه لا يمكن تنشيط التبريد المعزز إلا من خلال معادلات حالة معينة، فإن هذا يسمح لنا باستبعاد جزء كبير من النماذج المحتملة."
ولم يفعلوا ذلك فقط؛ ويقدر الفريق أنه يمكن تجاهل ثلاثة أرباع جميع النماذج الممكنة بعد هذه النتيجة. تمكن الباحثون من تحديد ذلك عن طريق حساب منحنيات باردة، وهي في الأساس رسوم بيانية توضح مدى برودة النجوم النيوترونية بالنسبة للوقت. يعتمد شكل المنحنى بشكل كبير على خصائص النجوم النيوترونية مثل الكتلة وقوة المجال المغناطيسي، لذلك، باستخدام التعلم الآلي، قام الفريق بحساب نطاق المعلمات التي تصف كل منحنى تبريد بشكل أفضل، ثم قام بمطابقتها مع الإمكانات معادلات الحالة، ومعرفة أي منها لا يزال متطابقًا وأيها يمكن التخلص منها لعدم وجود فرصة لمطابقة البيانات.
قصص ذات الصلة:
لقد أدت هذه العملية إلى تضييق نطاق معادلات الحالة المحتملة، لكن النتائج تتعلق بما هو أكثر من مجرد توصيف النجوم النيوترونية. إن سلوك المادة على المقاييس دون الذرية تحت ضغط شديد ودرجة حرارة شديدة والجاذبية الساحقة يقدم تأثيرات كمومية أيضًا. يفتقر العلماء حاليًا إلى نظرية الكم للجاذبية، وبالتالي فإن معادلة حالة النجوم النيوترونية يمكن أن تضعنا على الطريق نحو الجمع بين التأثيرات الكمومية وفيزياء الجاذبية العالية معًا كنظرية واحدة أخيرًا.
تم وصف النتائج في ورقة بحثية نشرت في 20 يونيو في مجلة Nature Astronomy.
