پیامدهای ادغام ستاره های نوترونی

ستارگان نوترونی (NS) هسته های فروپاشیده ستارگان غول پیکری هستند که دارای جرمی بین ۱۰ تا ۲۵ خورشیدی هستند. جدای از سیاهچاله ها، آنها متراکم ترین اجرام در کیهان هستند. سفر آنها از یک ستاره سکانس اصلی به یک بقایای ستاره ای فروپاشیده یک داستان علمی جذاب است.

گاهی اوقات، یک جفت باینری از NS ادغام می‌شود، و اتفاقی که در آن زمان رخ می‌دهد به همان اندازه جذاب است.

هنگامی که دو NS ادغام می شوند، باقیمانده ای ایجاد می شود که یا تبدیل به یک سیاهچاله یا یک ستاره نوترونی می شود که سیاهچاله رایج ترین نتیجه است. اما باقی مانده نهایی تنها بخشی از داستان است. در محیط شدید ایجاد شده توسط ادغام چیزهای زیادی در حال وقوع است.

ادغام NS می تواند تقریباً فوراً میدان های مغناطیسی بسیار قوی تریلیون ها بار قوی تر از زمین ایجاد کند. آنها می توانند انفجارهای کوتاه پرتو گاما (GRB) ایجاد کنند. آنها کیلونووا را ایجاد می کنند. آنها چنان محیط شدیدی ایجاد می کنند که فرآیند r گریزان یا فرآیند جذب سریع نوترون می تواند رخ دهد. فرآیند r مسئول تعداد زیادی ایزوتوپ عنصر پایدار، سنگین‌تر از آهن، از جمله طلا، پلاتین و سایر فلزات گرانبها است.

تحقیقات جدید در ژورنال Astrophysical به بررسی این محیط شدید می پردازد تا ببیند چگونه نیروهای متقابل یک باقیمانده ایجاد می کنند. عنوان آن «شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی تابش نوترینو-نسبیتی عام از بقایای ادغام ستاره‌های نوترونی با عمر طولانی تا مقیاس‌های زمانی خنک‌سازی نوترینو» است. نویسندگان دیوید رادیس و سباستیانو برنوزی، هر دو از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا هستند.

نویسندگان می گویند که این اولین مطالعه از ابتدا در مورد ادغام NS است. Ab-initio در لاتین به معنای ‘از ابتدا’ است. این بدان معنی است که شبیه سازی آنها مستقیماً بر اساس قوانین اساسی طبیعت است و داده های تجربی را شامل نمی شود. این نوع شبیه‌سازی‌ها به سطوح بسیار بالایی از قدرت محاسباتی نیاز دارند، اما نتیجه آن در قدرت پیش‌بینی آنهاست. مطالعات Ab-initio می‌توانند جنبه‌هایی از سیستم‌های پیچیده را نشان دهند که مطالعه تجربی آنها بسیار دشوار است. نسبیتی عام به این معناست که شبیه‌سازی‌ها نظریه نسبیت عام انیشتین را که برای توصیف گرانش شدید نزدیک ستاره‌های نوترونی حیاتی است، در بر می‌گیرد.

نویسندگان می نویسند: «علیرغم ارتباط اخترفیزیکی آن، تکامل بقایای ادغام NS با عمر طولانی پس از مرحله تکامل تحت تسلط GW، به خوبی درک نشده است.

محققان ادغام یک جفت ستاره نوترونی با جرم ۱.۳۵ خورشیدی را شبیه سازی کردند. فاصله اولیه بین این دو تنها ۵۰ کیلومتر (۳۰ مایل) بود. شبیه‌سازی‌ها آخرین شش مدار قبل از ادغام را پوشش دادند و تا بیش از ۱۰۰ میلی ثانیه پس از ادغام گسترش یافتند.

نویسندگان می نویسند: «تحقیق، تکامل اولیه ستارگان نوترونی، درست چند لحظه پس از ایجاد آنها را بررسی کرد. این تحقیق نقطه شروعی برای شناسایی سیگنال‌های نجومی است که می‌تواند به پاسخ به سؤالات مربوط به ستاره‌های نوترونی و تشکیل سیاه‌چاله کمک کند.»

مرحله اول ادغام ستاره نوترونی، پس از الهام، فاز موج گرانشی (GW) است. تا حدود ۲۰ میلی ثانیه پس از ادغام ادامه دارد. ستاره نوترونی با آزاد کردن GWs مقداری از انرژی ادغام را آزاد می کند.

فاز بعدی فاز خنک‌سازی نوترینو است و تمرکز این کار بر روی آن است. نویسندگان می‌نویسند: ما متوجه شدیم که خنک‌سازی نوترینو به مکانیسم غالب از دست دادن انرژی پس از فاز تحت سلطه موج گرانشی (۲۰ میلی‌ثانیه پس از ادغام) تبدیل می‌شود.

نوترینوها ذرات گریزانی هستند که از نظر الکتریکی خنثی هستند و جرم بسیار کمی دارند. بر اساس برخی تحقیقات، در هر ثانیه حدود ۴۰۰ میلیارد نوترینو از هر فرد روی زمین عبور می کند. علیرغم عدم تعامل، نوترینوها انرژی را از ادغام دور می کنند و سطح انرژی آنها به فرآیندی بستگی دارد که آنها را تشکیل داده است. با گذشت زمان، این انرژی کاهش می یابد.

ادغام ستاره های نوترونی معمولاً یک بقایای سیاهچاله ایجاد می کند. اما گاهی اوقات، ستاره نوترونی دیگری به نام RMNS یا ستاره نوترونی عظیم باقیمانده ایجاد می کند.

نویسندگان می نویسند: ‘درخشندگی نوترینوها آهسته تر تجزیه می شوند، بنابراین ۱۰ تا ۲۰ میلی ثانیه پس از ادغام نوترینوها، آنها به مکانیسم غالبی تبدیل می شوند که از طریق آن انرژی توسط RMNS از بین می رود.’

شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که RMNS با ستاره‌های پرونوترونی ایجاد شده در هنگام فروپاشی ستارگان عظیم متفاوت است.

این ادغام یک گاز متراکم از آنتی نوترینوهای الکترونی در هسته بیرونی RMNS ایجاد می کند. این با نقاط داغ در هسته بیرونی ارتباط دارد. RMNS همچنین با وجود گرمتر بودن سطح از هسته در برابر همرفت پایدار است. اگر ناپایداری های همرفتی وجود داشته باشد، می تواند انتشار GW بیشتری را ایجاد کند، اما به گفته نویسندگان، شبیه سازی ها این را نشان نمی دهند. آنها می نویسند: ‘ما هیچ مدرکی برای احیای سیگنال GW به دلیل ناپایداری های همرفتی پیدا نکردیم.’

برخی تحقیقات نشان می دهد که ادغام NS ها منابع انفجارهای کوتاه پرتو گاما (SGRBs) هستند. اما برای اینکه این اتفاق بیفتد، میدان مغناطیسی باید به نحوی از باقیمانده فرار کند و میدان های مغناطیسی بزرگتری را تشکیل دهد. نویسندگان می نویسند: «اگر RMNS ها یک موتور مرکزی قابل دوام برای SGRB ها هستند، پس میدان باید به نحوی از باقیمانده حباب خارج شود و ساختارهای مغناطیسی در مقیاس بزرگ را تشکیل دهد. اما به نظر می رسد ثبات RMNS این را رد می کند. نویسندگان توضیح می‌دهند: «با این حال، شبیه‌سازی‌های ما نشان می‌دهد که RMNS به‌طور پایدار طبقه‌بندی شده است، بنابراین مشخص نیست که چگونه میدان‌های مغناطیسی می‌توانند از آن خارج شوند».

این ادغام همچنین یک دیسک برافزایش عظیم در هسته بیرونی آن ایجاد می کند.

محققان توضیح می‌دهند: «یک قرص برافزایش عظیم از بیرون راندن مواد فشرده شده از سطح برخوردی بین دو ستاره تشکیل می‌شود و یک قرص عظیم را در ۲۰ میلی‌ثانیه اول پس از ادغام تشکیل می‌دهد». این دیسک بخش بزرگی از حرکت زاویه ای ادغام را حمل می کند. این به RMNS اجازه می دهد تا در یک تعادل نسبتاً پایدار در یکی از چندین منطقه پیکربندی پایدار ممکن در دیسک قرار گیرد.

ستارگان نوترونی پایدار نتایج بسیار کمتری از ادغام نسبت به سیاهچاله ها هستند. این تنها زمانی اتفاق می افتد که جرم ترکیبی کمتر از حداکثر جرم پایدار باشد. اما برخی از جزئیات چگونگی این اتفاق پنهان شده است.

این یافته ها یک جسم مرکزی را نشان می دهد که توسط حلقه ای از ماده داغ به سرعت در حال چرخش احاطه شده است. نویسندگان می نویسند: اگر این بقایای از فروپاشی جلوگیری کنند، دانشمندان انتظار دارند که بیشتر انرژی درونی خود را در عرض چند ثانیه از زمان تشکیل آزاد کنند.

تخمین ها نشان می دهد که تنها ۱۰ درصد از ادغام ستاره های نوترونی منجر به RMNS ها می شود، بنابراین آنها نسبتاً نادر هستند. این تحقیق با کاوش در تکامل اولیه RMNS ها، نقطه شروعی را برای شناسایی سیگنال های نجومی ایجاد کرده است که می تواند اطلاعات بیشتری در مورد ادغام ستاره های نوترونی و چگونگی ایجاد سیاهچاله ها از ادغام به دانشمندان بگوید.

محققان با باز کردن پنجره‌ای جدید به کسری از ثانیه که به دنبال ادغام می‌آیند، نیروهای دخیل در ایجاد یک جسم بسیار نادر را نیز نشان داده‌اند: یک ستاره نوترونی پرجرم پایدار و باقی‌مانده.