دانشمندان یک ستاره نوترونی را وزن کردند تا فیزیک عجیب درون آن را ببینند

ستاره های نوترونی از افراطی ترین اجرام در جهان هستند. آنها که از هسته های فروپاشیده ستارگان غول پیکر تشکیل شده اند، وزن آنها بیشتر از خورشید ماست و در عین حال به شکل کره ای به اندازه یک شهر فشرده می شوند.

هسته‌های متراکم این ستارگان عجیب و غریب حاوی ماده‌ای هستند که به حالت‌های منحصربه‌فردی له شده‌اند که احتمالاً نمی‌توانیم آن‌ها را روی زمین تکرار و مطالعه کنیم. به همین دلیل است که ناسا در مأموریتی است تا ستاره‌های نوترونی را مطالعه کند و درباره فیزیک حاکم بر ماده درون آنها بیاموزد.

من و همکارانم به آنها کمک کرده ایم. ما از سیگنال‌های رادیویی یک ستاره نوترونی با چرخش سریع برای اندازه‌گیری جرم آن استفاده کردیم. این امر به دانشمندان امکان داد که با داده های ناسا کار کنند تا شعاع ستاره را اندازه گیری کنند، که به نوبه خود دقیق ترین اطلاعات را در مورد ماده عجیب درون آن به ما می دهد.

درون یک ستاره نوترونی چیست

ماده موجود در هسته ستارگان نوترونی حتی از هسته یک اتم نیز چگال تر است. به عنوان متراکم ترین شکل پایدار ماده در کیهان، تا حد خود له شده و در آستانه فروپاشی به یک سیاهچاله است.

درک چگونگی رفتار ماده در این شرایط یک آزمون کلیدی برای نظریه های فیزیک بنیادی ما است.

ماموریت کاوشگر ترکیب داخلی ستاره نوترونی ناسا (NICER) در تلاش است تا اسرار این ماده شدید را حل کند.

NICER یک تلسکوپ پرتو ایکس در ایستگاه فضایی بین المللی است. این پرتوهای ایکس را که از نقاط داغ روی سطح ستاره‌های نوترونی می‌آیند، شناسایی می‌کند، جایی که دما می‌تواند به میلیون‌ها درجه برسد.

دانشمندان زمان و انرژی این پرتوهای ایکس را برای نقشه‌برداری از نقاط داغ و تعیین جرم و اندازه ستاره‌های نوترونی مدل‌سازی می‌کنند.

دانستن اینکه اندازه ستاره های نوترونی چگونه با جرم آنها مرتبط است، ‘معادله حالت’ ماده را در هسته آنها آشکار می کند. این به دانشمندان می‌گوید که ستاره نوترونی چقدر نرم یا سخت و چقدر «فشرده» است، و بنابراین از چه چیزی ساخته شده است.

یک معادله حالت نرم‌تر نشان می‌دهد که نوترون‌ها در هسته در حال شکستن به سوپ عجیبی از ذرات کوچک‌تر هستند. معادله سخت تر ممکن است به معنای مقاومت نوترون ها باشد که منجر به ستاره های نوترونی بزرگتر شود.

معادله حالت همچنین دیکته می کند که چگونه و چه زمانی ستاره های نوترونی در هنگام برخورد از هم جدا شوند.

حل معما با همسایه ستاره نوترونی

یکی از اهداف اولیه NICER یک ستاره نوترونی به نام PSR J0437-4715 است که نزدیک ترین و درخشان ترین تپ اختر میلی ثانیه ای است.

تپ اختر یک ستاره نوترونی است که پرتوهایی از امواج رادیویی ساطع می کند که هر بار که ستاره نوترونی می چرخد، آنها را به صورت یک پالس مشاهده می کنیم.

این تپ اختر خاص ۱۷۳ بار در ثانیه می چرخد ​​(به سرعت یک مخلوط کن). ما تقریباً ۳۰ سال است که آن را با تلسکوپ رادیویی پارکز موریانگ، CSIRO در نیو ساوت ولز رصد می کنیم.

تیمی که با داده های NICER کار می کرد با چالشی برای این تپ اختر مواجه شد. اشعه ایکس که از یک کهکشان نزدیک می آید، مدل سازی دقیق نقاط داغ روی سطح ستاره نوترونی را دشوار می کند.

خوشبختانه ما توانستیم از امواج رادیویی برای اندازه گیری مستقل جرم تپ اختر استفاده کنیم. بدون این اطلاعات حیاتی، تیم جرم درست را بازیابی نمی کرد.

وزن یک ستاره نوترونی به زمان بندی بستگی دارد

برای اندازه گیری جرم ستاره نوترونی، ما به اثری که توسط نظریه نسبیت عام انیشتین توصیف شده است، به نام تاخیر شاپیرو، تکیه می کنیم.

اجرام پرجرم و متراکم مانند تپ اخترها – و در این مورد ستاره همدم آن، یک کوتوله سفید – فضا و زمان را می پیچند. تپ اختر و این همراه هر ۵.۷۴ روز یک بار به دور یکدیگر می چرخند.

هنگامی که پالس‌های تپ‌اختر در طول فضای فشرده‌شده اطراف کوتوله سفید به سمت ما می‌آیند، میکروثانیه‌ها به تأخیر می‌افتند.

اندازه گیری چنین تاخیرهای میکروثانیه ای با Murriyang از تپ اخترهایی مانند PSR J0437-4715 آسان است. این تپ اختر و دیگر تپ اخترهای میلی ثانیه ای مانند آن، به طور منظم توسط پروژه آرایه زمان بندی تپ اختر پارکس رصد می شوند که از این تپ اخترها برای تشخیص امواج گرانشی استفاده می کند.

از آنجایی که PSR J0437-4715 نسبتاً به ما نزدیک است، به نظر می رسد که مدار آن با حرکت زمین به دور خورشید، از دید ما کمی تکان می خورد. این لرزش جزئیات بیشتری در مورد هندسه مدار به ما می دهد. ما از این به همراه تأخیر شاپیرو برای یافتن توده های همراه کوتوله سفید و تپ اختر استفاده می کنیم.

جرم و اندازه PSR J0437-4715

ما محاسبه کردیم که جرم این تپ اختر معمولی یک ستاره نوترونی است که ۱.۴۲ برابر جرم خورشید ماست. این مهم است زیرا اندازه این تپ اختر باید به اندازه یک ستاره نوترونی معمولی باشد.

سپس دانشمندانی که با داده های NICER کار می کردند، توانستند هندسه نقاط داغ پرتو ایکس را تعیین کنند و محاسبه کنند که شعاع ستاره نوترونی ۱۱.۴ کیلومتر است. این نتایج دقیق‌ترین نقطه لنگر را برای معادله حالت ستاره نوترونی در چگالی‌های متوسط ​​نشان می‌دهد.

تصویر جدید ما در حال حاضر نرم ترین و سخت ترین معادلات ستاره نوترونی حالت را رد می کند. دانشمندان به رمزگشایی دقیقاً به معنای وجود ماده عجیب و غریب در هسته داخلی ستارگان نوترونی ادامه خواهند داد.

تئوری‌ها نشان می‌دهند که این ماده ممکن است شامل کوارک‌هایی باشد که از خانه‌های معمولی خود در ذرات بزرگ‌تر فرار کرده‌اند، یا ذرات نادری به نام هایپرون‌ها.

این داده‌های جدید به مدل در حال ظهور فضای داخلی ستاره‌های نوترونی می‌افزایند که همچنین با رصد امواج گرانشی ناشی از برخورد ستارگان نوترونی و انفجار مرتبط با آن به نام کیلونووا مطلع شده‌اند.

موریانگ سابقه طولانی در کمک به ماموریت‌های ناسا دارد و به‌عنوان گیرنده اصلی فیلم برای اکثر پیاده‌روی ماه آپولو ۱۱ مورد استفاده قرار گرفت.

اکنون، ما از این تلسکوپ نمادین استفاده کرده‌ایم تا فیزیک درونی ستاره‌های نوترونی را بسنجیم و درک بنیادی خود را از جهان ارتقا دهیم.
دانیل ریردون، محقق فوق دکتری در زمان‌بندی تپ‌اختر و امواج گرانشی، دانشگاه فناوری سوئینبرن

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.