وقتی ستارگان مرده افراطی با هم برخورد می کنند، چه اتفاقی برای خرابه های ایجاد شده می افتد؟

بقایای آسمانی که پس از ادغام دو ستاره نوترونی باقی می ماند مانند هیچ یک از والدین خود نیست.

دانشمندان کشف کرده‌اند که وقتی ستاره‌های نوترونی با هم برخورد می‌کنند، بقایایی از خود به جای می‌گذارند که شبیه هیچ یک از آنها نیست.

ستاره‌های نوترونی افراطی‌ترین ستاره‌های جهان هستند که هنگام مرگ و انفجار ستارگان پرجرم متولد می‌شوند. این ستارگان مملو از مواد به قدری متراکم هستند که اگر یک قاشق چای‌خوری از آن به زمین راه پیدا کند، وزن آن به ۱۰ میلیون تن می‌رسد – بنابراین، جای تعجب نیست که وقتی ستاره‌های نوترونی با هم برخورد می‌کنند، منجر به رویدادی با قدرت و خشونت بی‌نظیر می‌شود.

این برخورد و ادغام تنها محیطی را در کیهان ایجاد می کند که به اندازه کافی متلاطم است تا عناصر سنگین تر از سرب (مانند طلا، نقره و پلوتونیوم) را تولید کند. چنین عناصری حتی نمی توانند در کوره های هسته ای در قلب پرجرم ترین ستاره ها ایجاد شوند. اما بقایای درهم‌خوردن ستاره‌های نوترونی چیز دیگری را نیز پنهان می‌کند: باقیمانده‌ای که دانشمندان معتقدند باید به سرعت فرو بریزد تا یک سیاه‌چاله کاملاً جدید متولد شود. یک سوال باقی می ماند. این ستاره نوترونی بسیار پرجرم دختر چقدر باید به سیاهچاله تبدیل شود؟

دیوید رادیس، استادیار فیزیک و نجوم در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، به Space.com گفت: «ما نمی‌دانیم که ماده در چگالی‌ها و دماهای شدید چگونه رفتار می‌کند، زیرا چنین شرایطی روی زمین قابل تحقق نیست.» ادغام ستاره‌های نوترونی، برخورددهنده‌های فوق‌العاده طبیعت هستند و مانند برخورددهنده‌های ذرات، می‌توانیم با مطالعه نتیجه برخوردها چیزهای زیادی بیاموزیم.

در جستجوی پاسخ، رادیس تیمی از محققان را رهبری کرد که در مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی وزارت انرژی ایالات متحده، مرکز ابررایانه‌ای لایبنیتز در آلمان و موسسه علوم محاسباتی و داده در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا به ابررایانه‌ها روی آوردند.

رادیس گفت: ‘برخورد دو ستاره نوترونی می تواند دو نتیجه فوری داشته باشد. یک سیاهچاله یا یک ستاره نوترونی داغ باقیمانده بسیار پرجرم و احتمالاً کوتاه مدت، می تواند تشکیل شود.’کار ما بر روی سناریوی دوم متمرکز است. به ویژه، ما اولین شبیه‌سازی‌ها را انجام دادیم که نشان می‌داد چگونه چنین بقایایی با انتشار نوترینوها خنک می‌شوند.’

این تیم پیامدهای یک برخورد ستاره نوترونی و فضای داخلی باقیمانده ستاره نوترونی را شبیه سازی کردند. سپس دانشمندان مشاهده کردند که ذرات ریز و تقریباً بدون جرم ‘شبح’ به نام ‘نوترینو’ گرما را از این صحنه سقوط کیهانی می بردند.

آزمایشگاه کیهانی که شبیه هیچ آزمایشگاهی نیست

ستارگان اساسا ‘طناب کشی کیهانی’ را در درون خود تسهیل می کنند که میلیون ها یا میلیاردها سال طول می کشد. دو رقیب در این مسابقه عبارتند از فشار بیرونی انرژی یا ‘فشار تشعشعی’ تولید شده در کوره هسته ای در قلب ستاره و نیروی گرانش خود ستاره به داخل.

این یک نبرد حماسی است، اما تنها یک برنده وجود دارد، و آن جاذبه است. همانطور که در بالا ذکر شد، وقتی یک ستاره عظیم در هسته خود آهن جعل کرده است، نمی تواند آن را با عناصر سنگین تر ترکیب کند، بنابراین به جهش فشار بیرونی تابش پایان می دهد. مانند ورزشکاری که با خیس کردن مربی خود در Gatorade جشن می گیرد، جاذبه با له کردن هسته ستاره پیروزی خود را نشان می دهد. این باعث ایجاد امواج ضربه ای می شود که در لایه های بیرونی ستاره موج می زند و آنها را در یک انفجار ابرنواختری عظیم از هم جدا می کند.

در نتیجه، ستاره بیشتر جرم خود را از دست می دهد – اما این جسد ستاره ای دو راه دارد. پرجرم ترین ستارگان، با جرم بیش از ۱۲ برابر خورشید، بلافاصله سیاهچاله هایی با جرم ستاره ای ایجاد می کنند. اما ستارگانی با جرمی بین هشت تا ۱۲ برابر جرم ستاره‌های نوترونی خورشید، بازمانده‌ای از ستاره‌ای با جرم بین یک تا دو برابر خورشید، در جسمی غنی از نوترون که پهنای آن از حدود ۱۲ مایل (۲۰ کیلومتر) بیشتر نیست، خرد شده است.

حدود ۷۵ درصد از ستارگان پرجرم زندگی خود را در یک مشارکت دوتایی با ستاره دیگری می گذرانند. اغلب، زمانی که یک ستاره (معمولاً پرجرم‌ترین ستاره که سوخت خود را سریع‌تر می‌سوزاند) به یک ستاره نوترونی تبدیل می‌شود، ابرنواختری که حاصل می‌شود، همراه ستاره‌ای خود را «لگد» می‌کند یا از بین می‌برد.

اما، در برخی موارد، دوتایی می‌تواند از این دگرگونی جان سالم به در ببرد، و ستاره پرجرم دیگر نیز در نهایت به یک ستاره نوترونی تبدیل می‌شود. این منجر به یک ستاره دوتایی نوترونی می شود – اما داستان به همین جا ختم نمی شود.

همانطور که این ستاره‌های نوترونی به دور یکدیگر می‌چرخند، آن‌قدر پرجرم و متراکم هستند که موج‌هایی در بافت فضا و زمان ایجاد می‌کنند (متحد به عنوان یک موجود چهار بعدی به نام «فضا زمان») معروف به امواج گرانشی.همانطور که امواج گرانشی از دوتایی موج می زند، تکانه زاویه ای را با خود حمل می کنند. این باعث می شود که دو ستاره نوترونی به هم نزدیک شوند و در نتیجه امواج گرانشی با فرکانس بالا را با سرعتی سریع ساطع کنند. این تا زمانی ادامه می یابد که ستارگان در نهایت با هم برخورد کرده و ادغام شوند. چنین ادغامی یک ‘فریاد’ نهایی و بلند از امواج گرانشی و اسپری مواد غنی از نوترون های آزاد را به گوش می رساند.

این نوترون‌ها که معمولاً در هسته‌های اتمی با پروتون‌ها متصل می‌شوند، توسط عناصر دیگری در اطراف محل ادغام به دام می‌افتند، پدیده‌ای که «فرایند جذب سریع» یا «فرایند r» نامیده می‌شود. این اتم ها به عناصر بسیار ناپایدار و فوق سنگین تبدیل می شوند که به سرعت به عناصر سبک تر (که هنوز هم از آهن سنگین تر هستند) تجزیه می شوند.این فروپاشی باعث گسیل نوری می شود که اخترشناسان آن را ‘کیلونووا’ می نامند.

بقایای ستاره نوترونی توسط یک حلقه ماده به سرعت در حال چرخش به نام دیسک برافزایش احاطه شده است. این ممکن است فقط مقدار کمی از جرم سیستم را داشته باشد، اما مقدار زیادی از تکانه زاویه ای باقیمانده آن را داشته باشد.

شبیه سازی این تیم نشان داد که بقایای این نوع ادغام به عنوان یک جسم مرکزی جمع آوری شده است که بیشتر جرم ستارگان نوترونی را در خود جای داده است. با این حال، یک ستاره نوترونی دختر به طور اساسی با ‘ستاره های زنده’ و حتی سایر ستاره های نوترونی متفاوت است.

در حالی که ستارگان نوترونی استاندارد در سطوح خود سردتر و نسبت به هسته خود داغ تر هستند، این تحقیق نشان می دهد که دختر ادغام ستاره های نوترونی در سطح خود داغ تر از هسته آن است. دانشمندان همچنین دریافتند که باقیمانده ستاره نوترونی عمدتاً از طریق انتشار نوترینوها سرد می شود.

رادیس توضیح داد: این حدس زده می‌شد که بقایای ادغام ستاره‌های نوترونی همرفتی باشند، مانند آب در یک دیگ جوش که از پایین گرم می‌شود. چنین همرفتی می‌تواند حباب‌هایی از ماده هسته‌ای داغ را از درون ستاره به بیرون با سرعتی در حدود ۱۰ درصد سرعت نور به همراه داشته باشد و یک سیگنال موج گرانشی مشخص تولید کند که می‌تواند با آزمایش‌های نسل بعدی شناسایی شود.

با این حال، شبیه‌سازی‌های انجام‌شده توسط رادیس و همکارانش چیز متفاوتی را نشان داد.

او ادامه داد: «ما تا حدودی شگفت‌انگیز دریافتیم که تمام مواد «سرد» پس از ادغام آنقدر سریع به مرکز فرو می‌روند که همرفت هیچ شانسی برای توسعه ندارد. علاوه بر این، حتی اگر ستاره با انتشار نوترینو از سطح خود سرد می‌شود، نوترینوها می‌توانند با سرعت کافی از هسته به بیرون پراکنده شوند تا از سردتر شدن سطح از سطح داخلی جلوگیری کنند، بنابراین همرفت نمی‌تواند ایجاد شود.

رادیس توضیح داد که از بسیاری جهات، یک بقایای ادغام ستاره نوترونی شبیه یک ستاره نوترونی تازه متولد شده در یک انفجار ابرنواختری است. هر دو بسیار گرم و در عین حال با انتشار نوترینوها به سرعت خنک هستند.

او افزود: «با این حال، در حالی که ستاره‌های نوترونی تازه متولد شده، اختلاط شدیدی را تجربه می‌کنند، که میدان مغناطیسی آنها را تقویت می‌کند و تپ‌اخترها و مگنتارها را به دنیا می‌آورد، بقایای ادغام این کار را انجام نمی‌دهند.» لزوماً لازم نیست که باقیمانده ها به سیاهچاله سقوط کنند. ما در واقع نمی دانیم سرنوشت آنها چیست.

در شبیه‌سازی‌هایمان، ما از مدلی برای ماده متراکم استفاده کرده‌ایم که منجر به باقی‌مانده‌ای می‌شود که هرگز به سیاهچاله نمی‌ریزد.

در حالی که مدل‌های دیگری وجود دارند که شکل‌گیری فوری سیاه‌چاله یا تشکیل سیاه‌چاله را با تاخیری کوتاه پیش‌بینی می‌کنند (با سناریوی دوم که مورد علاقه بسیاری از ستاره‌شناسان است)، رادیس معتقد است که هنوز شواهد قوی به این صورت وجود ندارد.

او گفت: ما برای آن به مشاهدات بیشتری نیاز داریم.

این تحقیق تنها اولین گام برای درک فیزیک پیرامون ادغام ستاره های نوترونی است، محیطی که شبیه محیط های دیگر نیست.

پاک‌ترین راه برای تأیید یا جعل نتایج ما دیدن شواهدی برای وجود یا عدم وجود همرفت در امواج گرانشی پس از ادغام است. رادیس گفت: یک باقیمانده با عمر طولانی و زمانی که می تواند یک جت به فضا پرتاب کند، زیرا ما انتظار داریم که میدان مغناطیسی در داخل ستاره به دلیل عدم وجود همرفت به دام بیفتد.

او گفت: ‘مشاهده ادغام با یک جت با تاخیر و مشابه نوری بسیار آبی رنگ که نشان دهنده تشکیل یک بقایای طولانی مدت است، می تواند نتایج ما را نیز تایید کند.’

اکنون، تیم قصد دارد بررسی کند که آیا نیروی موجود در ستاره نوترونی دختر ایجاد شده توسط این ادغام، به اصطلاح ‘نیروی قوی’، به اندازه کافی قوی است که از فروپاشی این باقیمانده تا تولد یک سیاهچاله جلوگیری کند.

مطالعه مربوط به این نتایج اواخر سال گذشته در مجله Astrophysical منتشر شد.