با مطالعه برخوردهای ستارگان نوترونی، ساختار درونی آن‌ها را بشناسیم

در حالی که برخی از ستارگان بسیار پرجرم یک سیاه‌چاله از خود به جا می‌گذارند، برخی دیگر به یک بازمانده ستاره‌ای به نام ستاره نوترونی (یا کوتوله سفید) تبدیل می‌شوند. این اجرام، جرمی بیشتر از کل منظومه شمسی را در حجمی که به‌طور میانگین تنها ۲۰ کیلومتر قطر دارد، متمرکز می‌کنند. با این حال، شرایط شدید درون ستاره‌های نوترونی همچنان برای ستاره‌شناسان یک معما باقی مانده است.

در سال ۱۳۹۵، برای نخستین بار برخورد دو ستاره نوترونی از طریق امواج گرانشی (GWs) تولیدشده توسط آن شناسایی شد. از آن زمان، ستاره‌شناسان نظریه‌هایی را مطرح کرده‌اند که چگونه می‌توان از امواج گرانشی برای بررسی ساختار داخلی ستاره‌های نوترونی و درک بهتر فیزیک شدید حاکم بر آن‌ها استفاده کرد. بر اساس پژوهش جدیدی که توسط گروهی از دانشگاه گوته فرانکفورت و سایر مؤسسات انجام شده است، امواج گرانشی که در میلی‌ثانیه‌های نخست پس از ادغام دو ستاره نوترونی دوتایی (BNS) تولید می‌شوند، ممکن است بهترین راه برای بررسی درون این اجرام مرموز باشند.

این پژوهش توسط گروهی به سرپرستی لوسیانو رزولا، استاد فیزیک نظری در دانشگاه گوته و عضو ارشد مؤسسه مطالعات پیشرفته فرانکفورت (FIAS) انجام شده است. این تیم تحقیقاتی شامل اعضایی از مؤسسه ماده شدید (EMMI-GSI)، دانشگاه صنعتی دارمشتات (TU Darmstadt) و دانشگاه استاوانگر در نروژ است. مقاله مرتبط با این پژوهش در ۱۵ بهمن در مجله Nature Communications منتشر شد.

امواج گرانشی که در نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده‌اند، نوساناتی در فضا-زمان هستند که در اثر ادغام اجرام پرجرم (مانند کوتوله‌های سفید و سیاه‌چاله‌ها) ایجاد می‌شوند. در حالی که قوی‌ترین امواج گرانشی از ادغام‌ها ناشی می‌شوند، ستاره‌های نوترونی دوتایی نیز در طول میلیون‌ها سال، در حین نزدیک شدن به یکدیگر، امواج گرانشی منتشر می‌کنند. بازمانده پس از ادغام که جرمی عظیم و چرخشی سریع دارد، امواج گرانشی را در محدوده‌ای باریک اما قوی از فرکانس منتشر می‌کند. این سیگنال پایانی، به گفته پژوهشگران، می‌تواند اطلاعات کلیدی درباره رفتار ماده هسته‌ای در چگالی‌ها و فشارهای بسیار زیاد (که به عنوان «معادله حالت» شناخته می‌شود) ارائه دهد.

به گفته پژوهشگران، دامنه امواج گرانشی پس از ادغام رفتاری مشابه یک دیاپازون (tuning fork) دارد که پس از ضربه زدن، شروع به نوسان در یک فرکانس خاص می‌کند. این بدان معناست که سیگنال امواج گرانشی وارد مرحله‌ای می‌شود که آن را “کاهش طولانی مدت نوسان” (long ringdown) نامیده‌اند، که طی آن فرکانس سیگنال به تدریج به یک مقدار ثابت میل می‌کند. تیم تحقیقاتی با استفاده از شبیه‌سازی‌های پیشرفته از ادغام ستاره‌های نوترونی، ارتباطی قوی بین این ویژگی‌های منحصربه‌فرد و خواص متراکم‌ترین مناطق در هسته ستاره‌های نوترونی کشف کرده است. دکتر رزولا در بیانیه‌ای از دانشگاه گوته توضیح داد:

“با پیشرفت‌های حاصل در مدل‌سازی آماری و شبیه‌سازی‌های دقیق روی قدرتمندترین ابررایانه‌های آلمان، ما فاز جدیدی از کاهش طولانی مدت نوسان را در ادغام ستاره‌های نوترونی کشف کرده‌ایم. این کشف می‌تواند محدودیت‌های جدید و محکمی را بر روی حالت ماده در ستاره‌های نوترونی اعمال کند. این یافته راه را برای درک بهتر ماده متراکم ستاره‌های نوترونی هموار می‌کند، به‌ویژه با مشاهده رویدادهای جدید در آینده.”

به گفته پژوهشگران، با تحلیل فاز “کاهش طولانی مدت نوسان”، می‌توان عدم قطعیت‌های موجود در معادله حالت ستاره‌های نوترونی را به میزان قابل توجهی کاهش داد. دکتر تایلر گوردا، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت:

“با انتخاب هوشمندانه چند معادله حالت، توانستیم نتایج یک مجموعه آماری کامل از مدل‌های ماده را با تلاش محاسباتی به مراتب کمتر شبیه‌سازی کنیم. این نه‌تنها باعث کاهش زمان پردازش و مصرف انرژی رایانه‌ای می‌شود، بلکه به ما اطمینان می‌دهد که نتایج ما قابل اعتماد هستند و برای هر معادله حالتی که در طبیعت رخ می‌دهد، کاربرد خواهند داشت.”

در این راستا، بازمانده‌های پس از ادغام ستاره‌های نوترونی می‌توانند مانند “دیاپازون‌هایی” برای بررسی برخی از عمیق‌ترین اسرار کیهانی عمل کنند. دکتر کریستین اکر، پژوهشگر فوق‌دکتری در دانشگاه گوته و نویسنده اصلی این مطالعه، بیان کرد:

“همان‌طور که دیاپازون‌های ساخته‌شده از مواد مختلف، صداهای خالص متفاوتی تولید می‌کنند، بازمانده‌های حاصل از معادلات حالت مختلف نیز در فرکانس‌های متفاوتی نوسان خواهند کرد. بنابراین، شناسایی این سیگنال می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره ترکیب ستاره‌های نوترونی ارائه دهد. من به‌ویژه به این پژوهش افتخار می‌کنم، زیرا نمونه‌ای عالی از مهارت دانشمندان فرانکفورت و دارمشتات در مطالعه ستاره‌های نوترونی است.”

این تحقیق، به گفته دکتر اکر، مکمل مطالعات گروه تحقیقاتی “کاوش جهان از مقیاس‌های میکروسکوپی تا ماکروسکوپی” (ELEMENTS) است. این گروه تحقیقاتی در مرکز علمی گیرش (Giersch Science Center – GSC) مستقر است و شامل دانشگاه گوته، دانشگاه صنعتی دارمشتات، دانشگاه یوستوس لیبیگ گیسن (JLU-Gießen) و مرکز تحقیقات یون و پادپروتون (GSI-FAIR) است. هدف این گروه، ترکیب مطالعات ذرات بنیادی و اجرام اخترفیزیکی عظیم برای کشف منشأ عناصر سنگین (مانند پلاتین و طلا) در جهان است.

با این حال، رصدخانه‌های امواج گرانشی کنونی هنوز موفق به شناسایی سیگنال‌های پس از ادغام نشده‌اند، اما دانشمندان خوش‌بین هستند که نسل بعدی ابزارهای رصدی قادر به انجام این کار خواهند بود. این شامل رصدخانه اینشتین (ET)، یک رصدخانه زیرزمینی پیشنهادی که انتظار می‌رود در دهه آینده عملیاتی شود، و آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری (LISA)، نخستین رصدخانه امواج گرانشی فضایی که توسط آژانس فضایی اروپا (ESA) طراحی شده و برنامه‌ریزی شده است که تا سال ۱۴۱۳ به فضا پرتاب شود. با تکمیل این ابزارها و سایر رصدخانه‌های امواج گرانشی نسل سوم، “کاهش طولانی مدت نوسان” می‌تواند به ابزاری قدرتمند برای بررسی قوانین فیزیک در شرایطی کاملاً شدید تبدیل شود.