الأجسام الغريبة سريعة التبريد تعيد كتابة فيزياء النجوم النيوترونية

الملاحظات الأخيرة التي أجراها تلسكوبا XMM-Newton التابعان لوكالة الفضاء الأوروبية ناساكشف تلسكوب تشاندرا التابع لناسا عن ثلاثة نجوم نيوترونية شابة باردة بشكل غير عادي، مما يتحدى النماذج الحالية من خلال إظهار أنها تبرد بشكل أسرع بكثير من المتوقع.

هذه النتيجة لها آثار كبيرة، مما يشير إلى أن القليل فقط من العديد من المقترحات النجم النيوتروني هذه النماذج قابلة للتطبيق، وتشير إلى إمكانية تحقيق اختراق في ربط نظريات النسبية العامة وميكانيكا الكم من خلال الملاحظات الفيزيائية الفلكية.

اكتشاف نجوم نيوترونية باردة بشكل غير عادي

اكتشف مرصد إكس إم إم نيوتن التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ومرصد تشاندرا التابع لوكالة ناسا ثلاثة نجوم نيوترونية شابة باردة بشكل غير عادي بالنسبة لأعمارها. وبمقارنة خصائصها بنماذج مختلفة للنجوم النيوترونية، استنتج العلماء أن درجات الحرارة المنخفضة للنجوم الغريبة تستبعد حوالي 75% من النماذج المعروفة. وهذه خطوة كبيرة نحو الكشف عن “معادلة الحالة” الوحيدة للنجم النيوتروني التي تحكمهم جميعًا، مع آثار مهمة على القوانين الأساسية للكون.

إلى جانب الثقوب السوداء، تعد النجوم النيوترونية من أكثر الأجسام المحيرة في الكون. يتكون النجم النيوتروني في اللحظات الأخيرة من حياة نجم كبير جدًا (أكثر من ثمانية أضعاف كتلة شمسنا)، عندما ينفد الوقود النووي في قلبه في النهاية. في نهاية مفاجئة وعنيفة، يتم إخراج الطبقات الخارجية من النجم بطاقة هائلة في انفجار مستعر أعظم، تاركة وراءها سحبًا مذهلة من المواد بين النجوم الغنية بالغبار والمعادن الثقيلة. في مركز السحابة (السديم)، ينكمش قلب النجم الكثيف ليشكل نجمًا نيوترونيًا. يمكن أن يتشكل الثقب الأسود أيضًا عندما تكون كتلة القلب المتبقية أكبر من حوالي ثلاث كتل شمسية. حقوق النشر: وكالة الفضاء الأوروبية

الكثافة الشديدة والحالات غير المعروفة للمادة

بعد الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، تعد النجوم النيوترونية أكثر الأجسام كثافة في الكون. كل نجم نيوتروني هو النواة المضغوطة لنجم عملاق، والتي تبقى بعد انفجار النجم في مستعر أعظم. بعد نفاد الوقود، ينهار قلب النجم تحت قوة الجاذبية بينما تندفع طبقاته الخارجية إلى الفضاء.

إن المادة في مركز النجم النيوتروني مضغوطة بشدة لدرجة أن العلماء ما زالوا لا يعرفون الشكل الذي تتخذه. وتستمد النجوم النيوترونية اسمها من حقيقة مفادها أنه تحت هذا الضغط الهائل، تنهار حتى الذرات: حيث تندمج الإلكترونات مع النوى الذرية، وتحول البروتونات إلى نيوترونات. ولكن قد يصبح الأمر أكثر غرابة، حيث قد تعمل الحرارة والضغط الشديدين على تثبيت جسيمات أكثر غرابة لا تنجو في أي مكان آخر، أو ربما تذوب الجسيمات معًا في حساء دوامي من الكواركات المكونة لها.

في النجم النيوتروني (على اليسار)، تكون الكواركات التي تتألف منها النيوترونات محصورة داخل النيوترونات. وفي النجم الكواركي (على اليمين)، تكون الكواركات حرة، لذا فهي تشغل مساحة أقل ويكون قطر النجم أصغر. حقوق الصورة: وكالة ناسا/مركز إكس سي/إم. وايس

يصف ما يحدث داخل النجم النيوتروني ما يسمى بـ “معادلة الحالة”، وهو نموذج نظري يصف العمليات الفيزيائية التي يمكن أن تحدث داخل النجم النيوتروني. المشكلة هي أن العلماء لا يعرفون بعد أي من مئات نماذج معادلة الحالة المحتملة هو الصحيح. في حين أن سلوك النجوم النيوترونية الفردية قد يعتمد على خصائص مثل كتلتها أو مدى سرعتها في الدوران، يجب أن تلتزم جميع النجوم النيوترونية بنفس معادلة الحالة.

آثار ملاحظات تبريد النجم النيوتروني

وبالبحث في البيانات المستمدة من مرصد إكس إم إم نيوتن التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ومرصد تشاندرا التابع لوكالة ناسا، اكتشف العلماء ثلاثة نجوم نيوترونية شابة وباردة بشكل استثنائي، وهي أبرد من نظيراتها من نفس العمر بنحو 10 إلى 100 مرة. وبمقارنة خصائصها بمعدلات التبريد التي تنبأت بها نماذج مختلفة، استنتج الباحثون أن وجود هذه النجوم الثلاثة الغريبة يستبعد معظم معادلات الحالة المقترحة.

“لا يمكن تفسير العمر الصغير ودرجة حرارة السطح الباردة لهذه النجوم النيوترونية الثلاثة إلا باستحضار آلية تبريد سريعة. ونظرًا لأن التبريد المعزز لا يمكن تنشيطه إلا من خلال معادلات معينة للحالة، فإن هذا يسمح لنا باستبعاد جزء كبير من النماذج المحتملة”، كما توضح عالمة الفيزياء الفلكية ناندا ريا، التي تعمل مجموعتها البحثية في معهد علوم الفضاء (ICE-CSIC) ومعهد دراسات الفضاء في كتالونيا (اللجنة الدولية للطاقة الذرية) قاد التحقيق.

توحيد النظريات من خلال دراسة النجم النيوتروني

إن اكتشاف معادلة حالة النجم النيوتروني الحقيقية له أيضًا آثار مهمة على القوانين الأساسية للكون. ومن المعروف أن علماء الفيزياء لا يعرفون بعد كيفية ربط نظرية النسبية العامة (التي تصف تأثيرات الجاذبية على المقاييس الكبيرة) بميكانيكا الكم (التي تصف ما يحدث على مستوى الجسيمات). والنجوم النيوترونية هي أفضل أرض اختبار لهذا لأنها تتمتع بكثافة وجاذبية تفوق بكثير أي شيء يمكننا خلقه على الأرض.

النجوم النيوترونية هي النوى المضغوطة للنجوم العملاقة، والتي تبقى بعد انفجار النجم في المستعر الأعظم. وهي كثيفة لدرجة أن كمية مادة النجم النيوتروني التي تعادل مكعب السكر تزن ما يعادل وزن جميع سكان الأرض! حقوق الصورة: وكالة الفضاء الأوروبية

توحيد الجهود: أربع خطوات نحو الاكتشاف

إن النجوم النيوترونية الثلاثة الغريبة شديدة البرودة مما يجعلها باهتة للغاية بحيث لا يمكن لمعظم مراصد الأشعة السينية رؤيتها. تقول كاميل دييز، زميلة الأبحاث في وكالة الفضاء الأوروبية التي تعمل على بيانات XMM-Newton: “إن الحساسية الفائقة لمراصد XMM-Newton وChandra جعلت من الممكن ليس فقط اكتشاف هذه النجوم النيوترونية، بل وجمع ما يكفي من الضوء لتحديد درجات حرارتها وخصائصها الأخرى”.

ومع ذلك، كانت القياسات الحساسة مجرد الخطوة الأولى نحو القدرة على استخلاص استنتاجات حول ما تعنيه هذه الأشياء الغريبة بالنسبة لمعادلة حالة النجم النيوتروني. ولتحقيق هذه الغاية، جمع فريق أبحاث ناندا في ICE-CSIC الخبرات التكميلية لأليسيو مارينو وكلارا ديهمان وكونستانتينوس كوفلاكا.

كان أليسيو رائداً في تحديد الخصائص الفيزيائية للنجوم النيوترونية. وتمكن الفريق من استنتاج درجات حرارة النجوم النيوترونية من الأشعة السينية المرسلة من أسطحها، في حين أعطت أحجام وسرعات بقايا المستعرات العظمى المحيطة بها مؤشراً دقيقاً لأعمارها.

بعد ذلك، تولت كلارا زمام المبادرة في حساب “منحنيات التبريد” للنجوم النيوترونية لمعادلات الحالة التي تتضمن آليات تبريد مختلفة. وهذا يستلزم رسم ما يتنبأ به كل نموذج لكيفية تغير لمعان النجم النيوتروني – وهي سمة مرتبطة مباشرة بدرجة حرارته – بمرور الوقت. يعتمد شكل هذه المنحنيات على العديد من الخصائص المختلفة للنجم النيوتروني، والتي لا يمكن تحديدها جميعًا بدقة من الملاحظات. لهذا السبب، حسب الفريق منحنيات التبريد لمجموعة من كتل النجوم النيوترونية المحتملة وقوى المجال المغناطيسي.

وأخيرًا، تم التوصل إلى تحليل إحصائي بقيادة كونستانتينوس، والذي جمع كل شيء معًا. التعلم الالي لتحديد مدى توافق منحنيات التبريد المحاكاة مع خصائص الكرات الغريبة، أظهرت الدراسة أن معادلات الحالة بدون آلية تبريد سريعة لديها فرصة صفرية لمطابقة البيانات.

“يتجاوز بحث النجوم النيوترونية العديد من التخصصات العلمية، بدءًا من فيزياء الجسيمات إلى الموجات الثقاليةويختتم ناندا حديثه قائلاً: “إن نجاح هذا العمل يثبت مدى أهمية العمل الجماعي في تعزيز فهمنا للكون”.

مرجع: “القيود المفروضة على معادلة حالة المادة الكثيفة من النجوم النيوترونية المعزولة الشابة والباردة” بقلم أ. مارينو، سي. ديهمان، ك. كوفلكاس، ن. ريا، جيه إيه بونس، د. فيجانو، 20 يونيو 2024، علم الفلك الطبيعي.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y