اکنون شواهد قوی وجود دارد که نوع عجیبی از ماده در ستارگان نوترونی وجود دارد

اول، ‘ماکارونی هسته ای’ متراکم در زیر پوسته آنها بود. اکنون، شواهد تازه‌ای داریم که نشان می‌دهد هسته‌های پرجرم‌ترین ستاره‌های نوترونی از یک «سوپ» عجیب از ذرات زیراتمی به نام کوارک تشکیل شده‌اند.

فیزیکدانان محاسبات جدیدی را با استفاده از داده های امواج گرانشی که برای اولین بار از برخورد یک ستاره نوترونی در مرداد ۱۳۹۶ کشف شد، همراه با مشاهدات ستارگان نوترونی به طرز شگفت انگیزی تولید کرده اند. نتیجه گیری آنها به یک نتیجه هیجان انگیز اشاره دارد – هسته های پرجرم ترین ستاره های نوترونی آنقدر متراکم هستند که هسته های اتمی دیگر وجود ندارند و به ماده کوارک متراکم می شوند.

به گفته محققان، این یک نقطه عطف مهم در درک درونیات عجیب این اجسام شدید است.

الکسی وورینن، فیزیکدان نظری از دانشگاه هلسینکی و مؤسسه هلسینکی می‌گوید: تأیید وجود هسته‌های کوارک در ستارگان نوترونی یکی از مهم‌ترین اهداف فیزیک ستاره‌های نوترونی بوده است، از زمانی که این احتمال برای اولین بار در حدود ۴۰ سال پیش مطرح شد.

ستاره های نوترونی بسیار وحشی هستند. آنها در واقع مرده اند – بقایای فرو ریخته ستارگان عظیمی که جرم آنها بین ۸ تا ۳۰ خورشیدی است (اندازه گیری بر اساس جرم خورشید). وقتی این ستاره ها به ابرنواختر تبدیل می شوند، بیشتر جرم آنها به فضا پرتاب می شود. هسته باقی مانده به یک جسم فوق العاده متراکم فرو می ریزد.

ستارگان نوترونی حاصل می توانند بین ۱.۱ تا ۲.۳ جرم خورشیدی داشته باشند که در یک کره متراکم و کوچک با عرض تنها ۱۰ تا ۲۰ کیلومتر (۶.۲ تا ۱۲.۴ مایل) بسته می شوند. پنج ستاره نوترونی بزرگ که هر کدام دارای جرمی بیشتر از خورشید ما هستند، به راحتی می‌توانستند در امتداد دیوارهای دریان جای بگیرند و فضایی برای آن خالی باشد.

هنگامی که ابرنواختر فروپاشی هسته رخ می دهد، پروتون ها و الکترون های موجود در اتم های سازنده جسم به نوترون ها و نوترینوها فشرده می شوند. نوترینوها فرار می‌کنند و نوترون‌ها را تحت چنان شرایط فشار بالایی رها می‌کنند که با هم ترکیب می‌شوند و ستاره نوترونی را اساساً به یک هسته بزرگ تبدیل می‌کند که چگالی آن بیش از ۱۰۰ تریلیون برابر آب در قاعده پوسته است. (این باعث تولید ساختار ‘ماکارونی هسته ای’ می شود.)

اما انتظار می‌رود که هر چه عمیق‌تر می‌روید، چگالی افزایش می‌یابد، و اینجاست که ایده هسته‌های ماده کوارک مطرح می‌شود. کوارک ها ذرات زیراتمی بنیادی هستند که با هم ترکیب می شوند و ذرات ترکیبی مانند پروتون و نوترون را تشکیل می دهند.

احتمالاً می توانید ببینید که این به کجا می رود. برای چند دهه، اخترشناسان این فرضیه را مطرح کرده اند که، تحت گرما و چگالی کافی، نوترون ها حتی بیشتر به کوارک های سازنده خود تجزیه می شوند و نوعی سوپ کوارک ایجاد می کنند.

با این حال، تشخیص اینکه چه چیزی درون یک ستاره نوترونی وجود دارد، واقعاً دشوار است. بنابراین برخورد در مرداد ۱۳۹۶ – GW170817 – برای اخترشناسان بسیار هیجان انگیز بود، زیرا نحوه تغییر این دو ستاره با نزدیک شدن به اندازه کافی برای تغییر شکل گرانشی یکدیگر می تواند اطلاعاتی را در مورد ساختار داخلی آنها آشکار کند.

Vuorinen و تیمش از سیگنال موج گرانشی همراه با نتایج جدید نظری و فیزیک ذرات برای تولید محاسبات وسوسه‌انگیز خود استفاده کرده‌اند. آنها دریافتند که ستارگان نوترونی به سمت حد بالای جرم چنین اجرامی – حداقل ۲ جرم خورشیدی – ویژگی هایی را نشان می دهند که نشان دهنده وجود یک هسته عظیم ماده کوارک است که بیش از نیمی از قطر کل ستاره نوترونی است.

این یک اسلم دانک مطلق نیست. اما محاسبات نشان می‌دهد که اگر هسته‌های این ستارگان ماده کوارکی نباشند، باید چیزی واقعاً عجیب در جریان باشد.

وئورینن توضیح داد: هنوز یک شانس کوچک اما غیر صفر وجود دارد که تمام ستارگان نوترونی به تنهایی از ماده هسته ای تشکیل شده باشند.

با این حال، آنچه ما توانستیم انجام دهیم، تعیین کمیت این سناریو است. به طور خلاصه، رفتار ماده هسته ای متراکم باید واقعاً عجیب باشد. برای مثال، سرعت صوت باید تقریباً به سرعت نور برسد.

کشف ماده کوارک در درون ستارگان نوترونی فقط به خاطر خودش شگفت‌انگیز نیست، بلکه می‌تواند به ما کمک کند تا در مورد اولین لحظات کیهان خود بیشتر بدانیم.

کیهان شناسان بر این باورند که برای چند میکروثانیه درست پس از بیگ بنگ معروف به دوره کوارک، جهان با سوپ داغی از پلاسمای کوارک-گلئون پر شد که به سرعت به هادرون تبدیل شد.

این روزها، ما فقط می‌توانیم ماده کوارکی را در آزمایش‌های برخورددهنده ذرات به‌طور مختصر پیدا کنیم. اما برخی از ستاره های نوترونی عظیم نیز می توانند آن را در خود جای دهند. اگر بتوانیم شرایط ستاره نوترونی را که در آن ماده کوارک تشکیل می شود مشخص کنیم، می توانیم به درک بهتر دوران کوارک کمک کنیم.

از زمان GW170817، LIGO-Virgo Collaboration دومین ادغام ستاره نوترونی را شناسایی کرده است، و فقط زمان زیادی است که تعداد بیشتری از این ستاره‌ها سرازیر شوند.

وورینن گفت: «دلایلی وجود دارد که باور کنیم عصر طلایی اخترفیزیک امواج گرانشی تازه شروع شده است و به زودی شاهد جهش‌های بیشتری از این دست در درک خود از طبیعت خواهیم بود.»