ادغام ستاره‌های نوترونی و تولید ماده کوارکی: درک عمیق‌تری از کیهان

وقتی که ستاره‌های نوترونی با هم به چرخش درمی‌آیند، آخرین ضربه‌ای که تجربه می‌کنند ممکن است متراکم‌ترین شکل شناخته‌شده ماده در کیهان را به وجود آورد. این ماده به نام «ماده کوارکی» شناخته می‌شود، که ترکیبی بسیار عجیب از کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد شده است. مشخص نیست که آیا این مواد قبل از پایان رقص آنها در هسته‌شان وجود داشته‌اند یا خیر. با این حال، در عواقب وحشیانه پس از ادغام یک نوترون و یک ستاره، شرایط عجیبی می‌تواند کوارک‌ها و گلوئون‌ها را از پروتون‌ها و نوترون‌ها آزاد کند. این امر به آنها اجازه می‌دهد که در عواقب بعدی به طور آزادانه حرکت کنند. بنابراین، پژوهشگران می‌خواهند بدانند که چقدر آزادانه می‌توانند حرکت کنند و چه شرایطی ممکن است مانع حرکت (یا جریان) آنها شود.

این ستارگان عجیب و غریب مجموعه ای بسیار متراکم و عجیب از نوترون ها هستند. بنابراین، هنگامی که دو نفر از آنها می رقصند و با هم ترکیب می شوند، تحت فشار ادغام تغییر شکل می دهند. آنها نیز گرم می شوند. شرایط در نهایت حالت ماده را در هسته آنها تغییر می دهد. به گفته پروفسور الکسی وورینن از دانشگاه هلسینکی فنلاند، این همان چیزی است که اخترشناسان فکر می کنند در طول ادغام ستاره های نوترونی اتفاق می افتد. با این حال، او اشاره می کند که هیچ کس به طور کامل آن شرایط و نحوه رفتار کوارک ها در آنها را درک نمی کند. او گفت: «توصیف ادغام ستاره‌های نوترونی به‌ویژه برای نظریه‌پردازان چالش برانگیز است، زیرا به نظر می‌رسد همه ابزارهای نظری مرسوم در این سیستم‌های وابسته به زمان و واقعاً شدید از هم می‌پاشند».

نحوه برخورد ستاره های نوترونی با کوارک ها

crab nebula — سحابی خرچنگ توسط JWST. ستاره نوترونی حاصل در قلبش به سرعت می چرخد و سیگنالی را ارسال می کند. که آن را به یک تپ اختر تبدیل می کند. اعتبار: NASA، ESA، CSA، STScI، T. Temim (دانشگاه پرینستون)

در باغ وحش کیهانی، ستارگان نوترونی از جمله ساکنان عجیب و غریب هستند. آنها بقایای بسیار مغناطیسی شده ستارگان بزرگ قدیمی هستند که در انفجارهای ابرنواختری مرده اند. فروپاشی فاجعه آمیز ستاره در حال مرگ، یک توپ جامد از نوترون ها را در جایی ایجاد می کند که زمانی هسته ستاره وجود داشته است. برخی از آنها بسیار سریع می چرخند و سیگنال هایی را به فضا ارسال می کنند. تپ اختر سحابی خرچنگ نمونه خوبی از چنین جسمی است. هسته آن حدود ۳۰ بار در ثانیه می چرخد و سیگنال آن به صورت پالس های منظم در فرکانس های رادیویی، گاما و طول موج های اشعه ایکس نشان داده می شود. به همین دلیل است که به آن ‘تپ اختر’ می گویند.

هنگامی که ستارگان نوترونی ادغام می شوند، بدیهی است که محتویات خود را با هم مخلوط می کنند. محققان می خواهند ویسکوزیته مواد ایجاد شده در ادغام را بدانند. اساساً، این معیاری است برای اینکه چگونه فعل و انفعالات ذرات به شدت در برابر جریان مقاومت می کنند. یا، آن را به عنوان اندازه گیری میزان ‘چسبندگی’ جریان سوپ کوارک در نظر بگیرید. سوپ کوارکی غلیظ آهسته تر جریان می یابد در حالی که سوپ نازک سریعتر حرکت می کند. ایده این است که شرایط را درک کنیم و چه کاری انجام می دهند تا بر جریان کوارک ها در طول ادغام تأثیر بگذارد.

نظریه‌های نوین در مورد کوارک‌های چسبنده

محققان در صدد تعریف آنچه که به اصطلاح ‘ویسکوزیته توده‌ای’ نامیده می‌شود برای مواد تولید شده در طول ادغام ستاره‌های نوترونی هستند. اساساً این ویسکوزیته، اتلاف انرژی را توصیف می‌کند زیرا سیستم درگیر در ادغام دچار نوسانات شعاعی می‌شود. آن‌ها نشان می‌دهند که چگونه چگالی کوارک-گلئون به صورت منظم و دوره‌ای تغییر می‌کند. Vuornin و همکارانش به منظور تعیین ویسکوزیته اصلی ماده کوارکی در حال حاضر در چنین برخوردی، اقدام کرده‌اند. آن‌ها این مسأله را با استفاده از دو روش نظری مورد بررسی قرار داده‌اند: یکی با استناد به اصول هولوگرافی و دیگری در یک مطالعه میدانی کوانتومی به نام نظریه اغتشاش.

neutronstar — تصویری از یک هسته کوارکی در یک ستاره نوترونی. اعتبار: Jyrki Hokkanen، CSC – مرکز علم فناوری اطلاعات

اساساً، رویکرد هولوگرافیک به مسئله ماده کوارک به عنوان عاملی از چگالی و دمایی که در طول برخورد ستاره های نوترونی رخ می دهد نگاه می کند. این تیم به چیزی به نام ‘کرومودینامیک کوانتومی’ علاقه مند است. این مطالعه برهمکنش بین کوارک ها و گلوئون ها در ماده ایجاد شده در اثر برخورد است.

تئوری اغتشاش به قدرت برهمکنش بین آن ذرات می پردازد. با استفاده از هر دو روش، تیم قادر به مشخص کردن ویسکوزیته توده، یعنی ‘چسبندگی’ ماده کوارک بود. سپس، آنها می توانند بفهمند که چسبندگی آن در دمای پایین تر از حد انتظار رخ می دهد. این یک گام بزرگ به جلو در درک رفتار ماده ستاره نوترونی در طول ادغام است. این نتایج همچنین ممکن است به تفسیر مشاهدات آینده کمک کند. به عنوان مثال، ما ممکن است به دنبال اثرات چسبناک در داده‌های موج گرانشی آینده بگردیم، و عدم وجود آنها می‌تواند ایجاد ماده کوارک را در ادغام ستاره‌های نوترونی نشان دهد.

doe explains neutron stars — شبیه سازی برخورد دو ستاره نوترونی متراکم. در برخی موارد، یک ستاره نوترونی بزرگتر نتیجه می شود. گاهی اوقات یک سیاهچاله ایجاد می شود. با احترام: A. Tchekhovskoy, R. Fernandez, D. Kasen

کاوش در ستاره‌های نوترونی: استفاده از فیزیک و نظریه کوانتومی

هیچ کس تا به حال در جهان عجیب درون ستاره نوترونی نبوده است. با این حال، باید یکی از مکان های عجیب و غریب در کیهان باشد. همانطور که گفته شد، آنها به سادگی از نوترون – ترکیبی از پروتون و الکترون – ساخته شده اند. برخلاف اکثر ستارگان، آنها گرما ساطع نمی کنند و هر گرمای باقیمانده ای که دارند در طول زمان از بین می رود. این اجسام عجیب میدان مغناطیسی بسیار قوی دارند.

ستارگان نوترونی چگالی باورنکردنی دارند. فقط مقدار کمی از مواد آنها (به اندازه یک کیف پول معمولی) حدود ۳ میلیارد تن وزن دارد. این باعث می‌شود این ستاره‌های عجیب و غریب بعد از سیاه‌چاله‌های پرجرم، دومین اجرام چگال جهان باشند. ستاره شناسان و فیزیکدانان ذرات به آنها علاقه مند هستند زیرا می توانند بینشی در مورد موضوعاتی مانند ابررسانایی، رفتار سیالات متراکم و موضوعی به نام کرومودینامیک کوانتومی ارائه دهند. مطالعه برخورد این اجرام فوق چگال همچنین بینشی در مورد رشد این اجرام پس از شکل گیری اولیه آنها در انفجارهای فاجعه بار ابرنواختر ارائه می دهد.