تلسکوپ پرتو ایکس ناسا، نزدیک‌ترین ستاره مرده به زمین را که با سرعت زیادی در حال چرخش است، وزن‌ می‌کند

ستاره نوترونی PSR J0437 صدها بار در ثانیه می چرخد ​​و جرمی معادل ۱.۴ خورشید دارد.

ستاره شناسان با استفاده از تلسکوپ پرتو ایکس ناسا که در ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) نصب شده است، ستاره مرده ای را که به سرعت در حال چرخش است وزن کرده اند که نشان دهنده قلب نزدیک ترین تپ اختر میلی ثانیه ای به زمین است.

مانند تمام ستارگان نوترونی، تپ اخترها زمانی متولد می شوند که ستارگان پرجرم می میرند، اما چیزی که واقعا تپ اخترهای میلی ثانیه ای را متمایز می کند این واقعیت است که آنها صدها بار در ثانیه می چرخند. با انجام این کار، پرتوهای تشعشع و ماده از قطب های این ستارگان مرده منفجر می شوند و سراسر جهان را فرا می گیرند و تپ اخترها را شبیه به ‘فانوس های دریایی کیهانی’ قدرتمند می کنند.

PSR J0437-۴۷۱۵ (PSR J0437) که در فاصله ۵۱۰ سال نوری از زمین در صورت فلکی Pictor قرار دارد، نزدیک‌ترین نمونه تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای به منظومه شمسی ما و درخشان‌ترین نمونه از چنین جرمی در آسمان شب است. PSR J0437 صد و هفتاد و چهار بار در ثانیه می چرخد، به این معنی که هر ۵.۷۵ میلی ثانیه یک بار با اشعه ایکس و امواج رادیویی زمین را منفجر می کند. این پالس ها به قدری منظم هستند که مانند سایر تپ اخترها، از این فانوس دریایی سریع کیهانی در واقع می توان برای نگه داشتن زمان استفاده کرد.

اکنون دانشمندان می‌دانند که ستاره نوترونی تشکیل‌دهنده PSR J0437 چهارده مایل (۲۲.۵ کیلومتر) عرض و جرمی معادل ۱.۴ برابر خورشید دارد. این تیم همچنین کشف کرد که قطب های مغناطیسی داغ ستاره نوترونی در هم راستا نیستند و مستقیماً در مقابل یکدیگر نیستند.

برای جمع آوری اندازه گیری های جدید PSR J0437، تیم به کاوشگر ترکیب داخلی ستاره نوترونی ناسا (NICER) که به ایستگاه فضایی بین المللی متصل است، روی آورد. آنها این داده های اشعه ایکس را با یک روش مدل سازی به نام ‘مدل سازی پروفایل پالس’ مورد بررسی قرار دادند و سپس شبیه سازی هایی از PSR J0437 را با استفاده از ابررایانه ملی هلندی اسنلیوس ایجاد کردند.

‘قبلا امیدوار بودیم که بتوانیم شعاع را به طور دقیق محاسبه کنیم. و اگر بتوانیم نشان دهیم که قطب های مغناطیسی داغ مستقیماً در مقابل یکدیگر روی سطح ستاره قرار ندارند، بسیار عالی خواهد بود.’ رهبر تیم Devarshi Choudhury از دانشگاه آمستردام، در بیانیه ای گفت. ‘و ما فقط توانستیم هر دو را انجام دهیم!’

افراطی ترین ستاره ها

وقتی ستارگانی که جرمی بین هشت تا ۲۵ برابر خورشید دارند، سوختشان تمام می شود، پس از میلیاردها سال از وجودشان، دیگر نمی توانند همجوشی هسته ای را در هسته خود انجام دهند. این نه تنها بخش اعظم انرژی تابشی یک ستاره را قطع می کند، بلکه جریان فشار تشعشع به بیرون را نیز متوقف می کند.

در طول عمر یک ستاره، این فشار تشعشعی آن را در برابر فشار گرانش درونی خود پشتیبانی می کند. این بدان معناست که وقتی سوخت آن تمام می شود، ستاره دیگر نمی تواند از فروپاشی گرانشی خود جلوگیری کند. با فروپاشی هسته، این فرآیند امواج شوکی را از طریق لایه‌های بیرونی ستاره می‌فرستد و باعث انفجار ابرنواختری می‌شود که اکثریت جرم ستاره را از بین می‌برد. صرف نظر از جرم آغازین ستاره، یک ستاره نوترونی حاصل می تواند با محدوده جرمی بسیار محدودتر، از یک تا دو برابر جرم خورشید، متولد شود.

با این حال، فروپاشی این هسته ستاره ای در حال مرگ، پهنای ستاره نوترونی مولد را به حدود ۱۲ مایل (۲۰ کیلومتر) کاهش می دهد. در نتیجه، ماده ای که یک ستاره نوترونی را تشکیل می دهد به قدری متراکم است که یک حبه قند از آن به زمین آورده می شود ۱ میلیارد تن وزن دارد – این وزن حدود ۲۵۰۰ برابر وزن ساختمان امپایر استیت است.

پیامد دیگری از کوچک شدن سریع یک هسته ستاره ای برای تولد یک ستاره نوترونی وجود دارد. به دلیل حفظ تکانه زاویه ای، کاهش شعاع رادیکال باعث افزایش سرعت چرخش باقیمانده ستاره می شود. این شبیه به یک اسکیت باز روی زمین است که در آغوش خود می کشد تا سرعت یک پیروت را افزایش دهد.

ستاره‌های نوترونی که تپ‌اخترها را تشکیل می‌دهند نیز می‌توانند از یک ستاره همراه افزایش سرعت بیشتری دریافت کنند. وقتی ستاره نوترونی و همدم ستاره ای به اندازه کافی به هم نزدیک هستند، اولی می تواند مواد را از دومی جدا کند. این ماده ستاره ای حرکت زاویه ای را با خود حمل می کند که سرعت چرخش ستاره نوترونی را بیشتر می کند.

PSR J0437 احتمالاً در گذشته درگیر این آدم‌خواری ستاره‌ای بوده است تا به سرعت چرخش ۱۷۴ چرخش در ثانیه برسد. شاهد این امر این واقعیت است که این ستاره کوتوله سفید همراه غنی از هلیوم با جرم تنها یک چهارم جرم خورشید دارد که به نظر می رسد لایه های بیرونی آن حذف شده است.

در حالی که بسیاری از اندازه‌گیری‌های PSR J0437 درک دانشمندان از چگونگی شکل‌گیری این اجرام را تأیید کرد، این تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای یک شگفتی را به همراه داشت.جرم PSR J0437 به تیم نشان می‌دهد که حداکثر جرم ستاره‌های نوترونی می‌تواند کمتر از آن چیزی باشد که برخی تئوری‌ها پیش‌بینی می‌کنند.

آنا واتس، عضو تیم و متخصص ستاره نوترونی دانشگاه آمستردام، گفت: این به نوبه خود، به خوبی با آنچه مشاهدات امواج گرانشی به نظر می‌رسد مطابقت دارد.

تحقیقات این تیم در یک سری مقالات از پیش بررسی شده در سایت مخزن arXiv و در مجله Astrophysical منتشر شد.