اكتشاف مادة غريبة في نجم نيوتروني

قام الباحثون بقياس نصف قطر وكتلة النجم النيوتروني

محاكاة حاسوبية للانفجارات النووية الحرارية على سطح نجم نيوتروني. الائتمان: ناسا

العنوان المباشر لهذه الصفحة:
https://www.hayadan.org.il/neutron0904.html

(بيان صحفي من ناسا)

أنتج العلماء أدق قياسات حتى الآن لحجم ومحتوى النجم النيوتروني، وهو جسم فائق الكثافة يحتوي على أغرب وأندر مادة في الكون.

قد تؤدي هذه القياسات إلى تحسين فهمنا لوحدات بناء المادة - البروتونات والنيوترونات والكواركات التي تتكون منها - في ظل الظروف التي يتم فيها ضغطها داخل النجم النيوتروني بكثافة أكبر بمئات المرات من كثافة النجم النيوتروني. الأرض.

قدم الدكتور تود ستروماير من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ميريلاند بالولايات المتحدة، وزميله آدم فياريال، وهو طالب دراسات عليا في جامعة أريزونا، نتائج قياساتهم في مؤتمر صحفي عبر الإنترنت في نيو أورليانز في اجتماع قسم فيزياء الطاقة الفلكية بالجمعية الفلكية الأمريكية.

وقال الاثنان إن أفضل تقدير لنصف قطر النجم النيوتروني هو 11.5 كيلومترًا. ومن المرجح أن الكتلة، أكبر من التوقعات النظرية، تساوي 1.75 كتلة شمسية. أجرى العلماء قياساتهم بمساعدة مستكشف توقيت الأشعة السينية التابع لوكالة ناسا وباستخدام بيانات الأشعة السينية الأرشيفية.

وتحدد نسبة الكتلة إلى نصف القطر المطلوبة العلاقة بين الكثافة الداخلية للنجم النيوتروني وضغطه الداخلي، وهو ما يعرف باسم "معادلة الحالة". تحدد معادلة الحالة من الناحية النظرية أنواع المواد التي يمكن أن توجد داخل النجم النيوتروني. تقدم دراسة محتويات النجم النيوتروني اختبارًا مهمًا للنظريات التي تصف الطبيعة الأساسية للمادة والطاقة والقوة النووية الشديدة.

وقال سترومير: "نود بالتأكيد أن نضع أيدينا على المواد الموجودة في مركز النجم النيوتروني". "ومع ذلك، بما أننا لا نستطيع القيام بذلك، فإن القياسات التي أجريناها هي الأقرب لذلك. النجم النيوتروني هو مختبر كوني. إنها فرصتنا الوحيدة لرؤية سلوك المادة بهذه الكثافة العالية."

النجم النيوتروني هو بقايا قلب نجم كان في يوم من الأيام أكبر من الشمس. يحتوي الجزء الداخلي من النجم النيوتروني على مادة تؤثر عليها قوى، والتي ربما كانت موجودة لحظة الانفجار الأعظم، لكن لا يمكن إنتاجها على الأرض. وينتمي النجم النيوتروني، الذي أجريت عليه الملاحظات المعنية، إلى نظام نجمي ثنائي يسمى EXO 0748676 ويبعد عنا حوالي 30,000 ألف سنة ضوئية.

في هذا النظام، يهبط الغاز الصادر من النجم "العادي" نحو النجم النيوتروني نتيجة لجاذبيته. تؤدي هذه المادة إلى حدوث انفجارات نووية على سطح النجم النيوتروني، مما يضيء المنطقة بأكملها. غالبًا ما تكشف الومضات الموجودة في الأشعة السينية المنبعثة من مثل هذه الانفجارات، والتي تسمى تذبذبات الانفجار، عن معدل دوران النجم النيوتروني.

واكتشف العلماء تردد تذبذب انفجاري قدره 45 هرتز، وهو ما يتوافق مع إكمال النجم النيوتروني دورة كاملة حول نفسه 45 مرة في الثانية. وهذه وتيرة بطيئة للنجوم النيوترونية، التي تدور أحيانًا 300 مرة في الثانية.

ثم اعتمد العلماء على ملاحظات EXO 0748676 التي أجراها القمر الصناعي XMM-Newton التابع لوكالة الفضاء الأوروبية في عام 2002 تحت إشراف الدكتور جين كوتام من مركز جودارد التابع لناسا. اكتشف فريق كوتام الخطوط الطيفية، المنبعثة من الغاز المغلي، والتي تشبه إلى حد كبير خطوط جهاز رسم القلب (مخطط القلب). وكان لهذه الخطوط خاصيتين. أولاً، تم انحرافها بواسطة تأثير دوبلر. وهذا يعني أن الطاقة المكتشفة كانت متوسطًا للضوء الذي يتحرك حول النجم بعيدًا عنا ويعود. وبصرف النظر عن ذلك، فقد تحولت الخطوط الطيفية بفعل الجاذبية إلى اللون الأحمر، مما يعني أن الجاذبية سحبت الضوء في محاولته للهروب من المنطقة و"سرقت" القليل من الطاقة منه.

حدد ستروهمير وويليريل أن التردد 45 هرتز وعرض الخطوط المرصودة يتوافق مع نجم نيوتروني يبلغ نصف قطره 9.5 إلى 15 كيلومترًا، وأفضل تقدير هو 11.5 كيلومترًا. وتحدد العلاقة بين تكرار الانفجارات وإزاحة دوبلر ونصف قطر النجم النيوتروني أن سرعة دوران الغاز حول النجم النيوتروني تعتمد على نصف قطر النجم ومعدل دورانه الذاتي. في الأساس، الدوران الذاتي الأسرع يتوافق مع خط طيفي أوسع (على غرار الطريقة التي يكتشف بها ضباط الشرطة السيارات المسرعة).

قدمت قياسات الانزياح الأحمر الثقالي التي أجراها فريق كوتام أول قياس لنسبة الكتلة إلى نصف القطر لنجم نيوتروني، على الرغم من عدم معرفة الكتلة ولا نصف القطر. والسبب في ذلك يكمن في أن مستوى الانزياح نحو الأحمر (وهو مقياس لقوة الجاذبية) يعتمد على كتلة النجم النيوتروني ونصف قطره. وهناك علماء يشككون في هذا القياس، لأن الخطوط الطيفية التي تم اكتشافها بدت ضيقة للغاية. تعزز النتيجة الجديدة الاستنتاجات (وبالتالي نسبة نصف القطر المحسوبة) التي استخلصها فريق كوتام من قياس الانزياح الأحمر الثقالي، حيث أن مثل هذا النجم النيوتروني البطيء يمكنه بسهولة إنتاج خطوط طيفية رفيعة نسبيًا.

لذا فإن العلماء، الذين أصبحوا الآن أكثر ثقة بشأن نسبة الكتلة إلى نصف القطر المحسوبة، قاموا بحساب كتلة النجم النيوتروني باستخدام نصف القطر المقاس. تصل القيمة التي تم الحصول عليها إلى 1.5 إلى 2.3 كتلة شمسية، وأفضل تقدير هو 1.75 كتلة شمسية.

تدعم النتيجة التي تم الحصول عليها النظرية القائلة بأن المادة الموجودة في النجم النيوتروني في EXO 0748676 مضغوطة بإحكام، بحيث تم ضغط جميع البروتونات والإلكترونات تقريبًا إلى نيوترونات، والتي تدور حولها مثل السائل، وهو سائل يتحرك دون احتكاك. ومع ذلك، فإن المادة ليست مضغوطة بدرجة كافية لتحرر الكواركات، وهي حالة تعرف باسم نجم الكوارك.

وقال فيلاريل: "من المؤكد أن نتائجنا بدأت في تشديد معادلة حالة النجم النيوتروني". "من الواضح أن معادلات الحالة، التي تتنبأ بنجوم نيوترونية كبيرة جدًا أو صغيرة جدًا، غير واردة. ولعل الجزء الأكثر إثارة هو أننا اكتسبنا طريقة رصد تسمح لنا بقياس العلاقات بين الكتلة ونصف القطر في النجوم النيوترونية الأخرى.

سيكون لدى مهمة ناسا المحتملة، والتي تسمى مرصد كوكبة الأشعة السينية، القدرة على إجراء مثل هذه القياسات، ولكن بدقة أعلى بكثير، للعديد من الأنظمة التي تشمل النجوم النيوترونية.

ترجمة: ديكلا أورين

المقال في الكون اليوم
معرفة الفيزياء الفلكية - النجوم والمجرات

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~948186764~~~97&SiteName=hayadan