اما این عددِ باورنکردنی تازه آغاز ماجراست. پژوهشگران با توسعهی یک رابطهی نظری جدید دربارهی فشردگی یا تراکمپذیری ستارههای نوترونی — بقایای فشردهی ستارگان عظیمی که در اثر انفجار ابرنواختری فروپاشیدهاند — توانستهاند راهی تازه برای بررسی خواص ماده در شرایط فوقالعاده شدید پیدا کنند؛ شرایطی که هیچ آزمایشی در زمین قادر به بازسازی آن نیست.
ستارههای نوترونی: خورشیدهایی کوچک اما بینهایت سنگین
ستارهی نوترونی در واقع هستهی فروپاشیدهی یک ستارهی پرجرم است. این جرم کوچک، چگالیای شگفتانگیز دارد — تا سه برابر جرم خورشید را در کرهای با قطر حدود ۲۰ کیلومتر جای میدهد.
مدلهای نظری پیشبینی میکنند قطر این اجرام حدود ۱۰ تا ۱۲ مایل (حدود ۲۰ کیلومتر) باشد، اما اندازهی دقیقشان هنوز نامشخص است.
«اندازهگیری ویژگیهای مادهی درون ستارهی نوترونی بسیار دشوار است، چون اگرچه میتوان جرم آن را با دقت بالا محاسبه کرد، اما اندازهگیری شعاع آن بسیار سخت است.»
این را لوچیانو رزولا، استاد اخترفیزیک نظری در دانشگاه فرانکفورت، در گفتوگو با Space.com توضیح میدهد.
رزولا به همراه همکارش کریستیان اکر از همان دانشگاه، در پژوهش جدید خود موفق شدهاند دید روشنتری دربارهی حد نهایی فشردگی ستارههای نوترونی ارائه دهند.
چرا اندازهگیری شعاع ستاره نوترونی دشوار است؟
یکی از دلایل اصلی این دشواری، فاصلهی بسیار زیاد این اجرام از زمین است. اما چالش اصلیتر مربوط به چیزی است که فیزیکدانان آن را «معادلهی حالت» (Equation of State) مینامند؛ این معادله رابطهی میان چگالی و فشار را در درون ستاره نوترونی توضیح میدهد، و از آن میتوان شعاع و دیگر ویژگیهای فیزیکی ستاره را استخراج کرد.
اما مشکل اینجاست که شرایط درونی ستارهی نوترونی چنان شدید است که مرزهای دانش ما از فیزیک هستهای را در هم میشکند.
در چنین فشار عظیمی، اتمها از هم میپاشند، پروتونهای باردار مثبت با الکترونهای منفی ترکیب میشوند و جسمی تقریباً سراسر از نوترونها بهوجود میآید.
فیزیک عجیب در قلب ستاره نوترونی
در عمق یک ستارهی نوترونی، ممکن است پدیدههایی رخ دهد که هیچ شتابدهندهی ذراتی روی زمین قادر به بازسازی آن نباشد.
شاید در آنجا ذرات عجیب موسوم به هایپرونها (hyperons) شکل بگیرند، یا گرانش فوقالعاده باعث شود نوترونها خود به هم فشرده شوند و کوارکهای درونیشان تقریباً آزادانه حرکت کنند.
با این حال، چون نمیتوان چنین شرایطی را در آزمایشگاه ایجاد کرد، فیزیکدانان مجبورند به مدلهای نظری متعدد بسنده کنند.
به همین دلیل، تنها یک «معادلهی حالت» برای ستارههای نوترونی وجود ندارد؛ بلکه مجموعهای از هزاران معادلهی ممکن است، هرکدام برای مدلی خاص از ساختار درونی آنها.
چه زمانی یک ستارهی نوترونی به سیاهچاله فرو میریزد؟
برای بررسی میزان فشردگی این ستارگان، رزولا و اکر دهها هزار معادلهی حالت مختلف را مورد آزمایش قرار دادند.
اما برای سادگی، تنها بیشترین جرم ممکن را برای هر معادله در نظر گرفتند.
رزولا میگوید:
«براساس نظریهی نسبیت عام، برای هر معادلهی حالت، حداکثر جرمی وجود دارد. اگر جرم ستاره از آن حد بیشتر شود، به سیاهچاله فرو میریزد.
مشاهدات نشان میدهد این حد بین دو تا سه برابر جرم خورشید است.»
کشف رابطهای جدید بین جرم و شعاع
پژوهشگران دریافتند که یک حد بالایی جهانی برای فشردگی ستارههای نوترونی وجود دارد؛ بر اساس آن، نسبت جرم به شعاع ستاره هرگز از ۱/۳ بزرگتر نمیشود.
در فیزیک نسبیت عام از «واحدهای هندسی» استفاده میشود که در آن جرم بهجای کیلوگرم برحسب طول بیان میگردد.
بر این اساس، اگر فشردگی ستاره حداکثر برابر با یکسوم باشد، یعنی شعاع آن باید دستکم سه برابر جرمش (در واحدهای هندسی) باشد.
رزولا توضیح میدهد:
«وقتی این حد بالایی را برای فشردگی تعیین میکنیم، در واقع حد پایینی برای شعاع بهدست میآوریم. پس اگر جرم یک ستاره نوترونی را بدانیم، میتوانیم بگوییم شعاعش باید حداقل سه برابر جرمش باشد.»
جالب آنکه این نسبت برای همهی معادلات حالت معتبر است — صرفنظر از اینکه حداکثر جرم ستاره چقدر باشد.
در ظاهر ممکن است این یافته عجیب باشد، چون انتظار میرود ستارگان پرجرمتر فشردهتر باشند؛ اما فیزیک هستهای پیچیدهی درون این ستارگان چنان رفتار متعادلی ایجاد میکند که از فروپاشی کامل جلوگیری میکند.
ردپای کرومودینامیک کوانتومی در دل ستارهها
این رابطه از اصول نظریهی کرومودینامیک کوانتومی (QCD) مشتق شده است — نظریهای که توصیف میکند چگونه نیروی قوی هستهای، کوارکها را با ذراتی بهنام گلوئون به هم پیوند میدهد.
در QCD، کوارکها بار خاصی به نام «بار رنگی» دارند و گلوئونها همان «چسب»ی هستند که آنها را درون نوترونها و پروتونها نگه میدارند.
رزولا و اکر با تکیه بر مفروضات استاندارد QCD، این رابطهی فشردگی را به دست آوردند و آن را «اثر انگشت QCD بر ساختار درونی ستارههای نوترونی» توصیف کردند.
بنابراین، اگر در آینده بتوان شعاع ستارههای نوترونی را با دقت زیاد اندازهگیری کرد و نتیجه با این رابطه سازگار نبود، آنگاه میتوان نتیجه گرفت که در مفروضات ما دربارهی QCD اشکالی وجود دارد.
رزولا میگوید:
«اگر روزی ستارهای نوترونی ببینیم که نسبت جرم به شعاعش از ۱/۳ بیشتر است، یعنی فرضیات ما دربارهی QCD نیاز به بازنگری دارد.»
آیندهی اندازهگیریهای دقیقتر
به گفتهی رزولا، شاید لازم نباشد زیاد صبر کنیم تا بتوانیم این پیشبینی را آزمایش کنیم.
او نسبت به آینده خوشبین است و به مأموریت NICER (کاوشگر ترکیب درونی ستارههای نوترونی) در ایستگاه فضایی بینالمللی اشاره میکند؛ این ابزار در حال بررسی پرتوهای X ساطعشده از سطح ستارگان نوترونی است تا اندازه و ساختارشان را دقیقتر تعیین کند.
همچنین، اندازهگیریهای ناشی از امواج گرانشی — بهویژه در رویدادهایی که شامل ادغام یک سیاهچاله با ستارهی نوترونی یا دو ستارهی نوترونی هستند — دادههای ارزشمندی در اختیار دانشمندان قرار میدهند.
تا کنون تنها در یک مورد، یعنی رویداد معروف GW170817، دو ستارهی نوترونی با هم ادغام شدهاند.
رزولا میگوید:
«اگر بتوانیم رویدادهای بیشتری مانند GW170817 را ثبت کنیم، میتوانیم محدودهی شعاعهای ممکن برای ستارههای نوترونی را بسیار دقیقتر تعیین کنیم.»
نتیجهگیری
پژوهش رزولا و اکر که در پایگاه پیشچاپ arXiv منتشر شده است، گامی مهم در درک رفتار ماده در چگالترین شرایط ممکن در کیهان به شمار میرود.
درک رابطهی میان جرم، شعاع و چگالی ستارههای نوترونی نهتنها کلید فهم تحول ستارگان عظیم است، بلکه مرز دانش بشر از فیزیک هستهای و نظریهی نسبیت را نیز به چالش میکشد.
در نهایت، پرسش سادهای باقی میماند:
ستارهی نوترونی تا چه حد میتواند فشرده شود پیش از آنکه گرانش بیرحم آن را در تاریکی یک سیاهچاله ببلعد؟
پاسخ این پرسش شاید در دل همان میلیارد تُن مادهای نهفته باشد که در یک قاشق از این ستارگان جا میگیرد — فشرده، بینهایت سنگین، و سرشار از رازهای ناشناختهی جهان.
