أظهرت محاكاة جديدة تم إنشاؤها باستخدام كمبيوتر عملاق تابع لوكالة ناسا كيف تصبح الأمور فوضوية عند دمج النجوم النيوترونية حتى قبل أن تصطدم ببعضها البعض؛ أغلفتها المغناطيسية، وهي أقوى المجالات المغناطيسية في الكون المعروف، تتشابك وتولد الفوضى.
وقال قائد الفريق ديميتريوس سكياثاس، الباحث في مركز غودارد للطيران التابع لناسا، في بيان: “قبل تحطم النجوم النيوترونية مباشرة، تبدأ المناطق الممغنطة للغاية والمملوءة بالبلازما حولها، والتي تسمى الغلاف المغناطيسي، في التفاعل بقوة”. “لقد درسنا المدارات العديدة الأخيرة قبل الاندماج، عندما خضعت المجالات المغناطيسية المتشابكة لتغيرات سريعة ومثيرة، وقمنا بتصميم إشارات عالية الطاقة يمكن ملاحظتها.”
ما الذي يجعل النجوم النيوترونية متطرفة إلى هذا الحد؟
عندما ينفد الهيدروجين من النجوم التي لها نفس كتلة الشمس تقريبًا، فإن الوقود اللازم لها الاندماج النووي في قلوبها، تنهار قلوبها وتنتفخ طبقاتها الخارجية وتضيع في النهاية. يؤدي هذا إلى إنهاء النجوم حياتهم كما يطلق على الجمر النجمي المشتعل الأقزام البيضاء.
ومع ذلك، فإن الوضع مختلف بالنسبة للنجوم التي تبلغ كتلتها حوالي 10 أضعاف كتلة الشمس أو أكثر. عندما تنهار نوى هذه النوى المستنفدة للهيدروجين، فإن الكتلة الإضافية تولد الضغط ودرجات الحرارة اللازمة للسماح للهيليوم، الذي نشأ في هذه النوى على مدى ملايين السنين من اندماج الهيدروجين، بالاندماج، وتشكيل عناصر أثقل.
تستمر هذه العملية المتكررة من استنفاد الوقود والانهيار وإعادة الاشتعال حتى يمتلئ قلب النجم الضخم بالحديد. عندما يحدث هذا الانهيار النهائي، تمتد موجات الصدمة إلى الطبقات الخارجية للنجم، والتي تنفجر في انفجار مستعر أعظم، آخذة معها الغالبية العظمى من كتلة النجم.
والنتيجة هي بقايا نجمية تتراوح كتلتها بين مرة إلى ضعفي كتلة الشمس، ومليئة بمادة غنية بالنيوترونات محشورة في عرض يبلغ حوالي 12 ميلاً (20 كيلومترًا). إن السحق السريع لهذا النواة النجمية لا يؤدي إلى إنشاء جسم ذي كثافة مذهلة فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى إنشاء مجالات مغناطيسية يمكن أن تكون 1 كوادريليون مرات أقوى من الغلاف المغناطيسي للأرض.
غالبًا ما توجد النجوم الضخمة في أزواج ثنائية مع رفيق نجمي، وفي هذه الحالات، عندما يموت كلا النجمين، تكون النتيجة ثنائي نجم نيوتروني. عندما يدور النجمان الميتان حول بعضهما البعض، فإنهما يولدان تموجات في الزمكان تسمى موجات الجاذبية، والتي تحمل الزخم الزاوي بعيدًا. وينتج عن هذا تشديد ثنائي النجم النيوتروني. بمعنى آخر، تقترب البقايا النجمية من بعضها البعض، مما يتسبب في إصدار موجات جاذبية ذات ترددات أعلى، مما يؤدي إلى فقدان الزخم الزاوي بسرعة أكبر وتتجمع معًا بشكل أسرع.
وينتهي هذا عندما تكون النجوم النيوترونية قريبة بما يكفي من بعضها البعض حتى تتمكن جاذبيتها من السيطرة عليها، مما يؤدي إلى الاصطدام والاندماج الحتمي. يتسبب هذا في انفجار إشعاع عالي الطاقة يسمى انفجار أشعة جاما (GRB)، وهو صرير أخير لموجات الجاذبية، ويرسل رذاذًا من مادة غنية بالنيوترونات، مما يسمح بحدوث عملية تولد عناصر ثقيلة جدًا ولكنها غير مستقرة. تتحلل هذه العناصر في النهاية لتكوين الذهب والفضة ومعادن أخرى أثقل من الحديد. ويخلق الاضمحلال أيضًا توهجًا يسميه علماء الفلك كيلونوفا.
حقيقة أن هذه الأحداث مسؤولة عن خلق بعض العناصر الأكثر قيمة وأهمية لدينا، بالإضافة إلى الظواهر الكونية الساطعة مثل انفجارات أشعة جاما والكيلونوفات، تعني أنه كان هناك تحيز كبير تجاه دراسة الآثار اللاحقة لاندماج النجوم النيوترونية.
اتخذ سكياثاس وزملاؤه نهجًا مختلفًا، حيث نظروا بمزيد من التعمق في ما يحدث قبل اجتماع النجوم النيوترونية.
المغناطيسية الفوضوية
للنظر في الـ 7.7 مللي ثانية التي سبقت اندماج النجوم النيوترونية، لجأ الفريق إلى الكمبيوتر العملاق Pleiades التابع لناسا في مركز أبحاث Ames التابع لناسا، حيث أنشأ أكثر من 100 محاكاة لنظام من نجمين نيوترونيين، تبلغ كتلة كل منهما حوالي 1.4 مرة كتلة الشمس.
قال عضو الفريق كونستانتينوس كالابوتاراكوس من وكالة ناسا غودارد في البيان: “في عمليات المحاكاة لدينا، يتصرف الغلاف المغناطيسي كدائرة مغناطيسية تعمل على تجديد نفسها باستمرار أثناء دوران النجوم. تتصل خطوط المجال وتنكسر وتعيد الاتصال بينما تتدفق التيارات عبر البلازما التي تتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء، ويمكن للمجالات المتغيرة بسرعة تسريع الجسيمات”. “إن اتباع هذا التطور غير الخطي بدقة عالية هو بالضبط سبب حاجتنا إلى كمبيوتر فائق السرعة!”
كان الهدف الرئيسي للفريق هو استكشاف كيفية تأثير المجالات المغناطيسية لهذه البقايا النجمية على الضوء، أو الإشعاع الكهرومغناطيسي من الناحية الفنية، خلال المدارات النهائية للنجوم النيوترونية حول بعضها البعض.
وأضاف عضو الفريق زوراوار وادياسينغ من جامعة ميريلاند، كوليدج بارك، وناسا جودارد، في البيان: “يُظهر عملنا أن الضوء المنبعث من هذه الأنظمة يختلف بشكل كبير في السطوع ولا يتم توزيعه بالتساوي، لذا فإن منظور الراصد البعيد حول الاندماج له أهمية كبيرة”. “كما تصبح الإشارات أقوى بكثير مع اقتراب النجوم أكثر فأكثر بطريقة تعتمد على التوجهات المغناطيسية النسبية للنجوم النيوترونية.”
كشفت عمليات المحاكاة أن المجالات المغناطيسية الخاصة بالنجوم النيوترونية انجرفت خلفها أثناء دورانها حول بعضها البعض، وربطت بقايا النجوم، ثم انكسرت، ثم أعادت الاتصال مرة أخرى.
وتمكن الباحثون أيضًا من استخدام الثريا لمحاكاة كيفية تأثير القوى الكهرومغناطيسية على أسطح النجوم النيوترونية. كان الهدف من ذلك هو تحديد كيفية تراكم الضغط المغناطيسي في مثل هذه الأنظمة، ولكن ستكون هناك حاجة إلى نماذج مستقبلية لتحديد كيف يلعب التفاعل المغناطيسي دورًا في اللحظات الأخيرة من اندماج النجم النيوتروني.
وقال ديموسثينيس كازاناس، عضو الفريق والباحث في مركز جودارد التابع لناسا، في البيان: “مثل هذا السلوك يمكن طباعته على إشارات موجات الجاذبية التي يمكن اكتشافها في منشآت الجيل التالي”. “إحدى قيم مثل هذه الدراسات هي مساعدتنا في معرفة ما قد تكون المراصد المستقبلية قادرة على رؤيته وما يجب أن تبحث عنه في كل من موجات الجاذبية والضوء.”
وتمكن الباحثون من استخدام المجالات المغناطيسية المحاكية لتحديد النقاط التي نشأت فيها الانبعاثات ذات الطاقة الأعلى وكيف ستنتشر هذه الانبعاثات عبر بيئة اندماج النجم النيوتروني.
ووجد الباحثون أن المناطق المحيطة باندماج النجوم النيوترونية تنتج أشعة جاما ذات طاقة عالية، لكن هذا الإشعاع لم يتمكن من الهروب. وذلك لأن فوتونات أشعة جاما، وهي جسيمات فردية من الضوء، تحولت بسرعة إلى أزواج من الإلكترونات والبوزيترونات. ومع ذلك، تمكنت أشعة غاما ذات الطاقة المنخفضة من الهروب من اندماج النجوم النيوترونية إلى جانب الإشعاعات ذات الطاقة المنخفضة مثل الأشعة السينية.
وهذا يعني المستقبل أشعة جاما ويمكن استخدام التلسكوبات الفضائية، خاصة تلك التي تتمتع بمجال رؤية واسع، لرصد الإشارات الصادرة عن النجوم النيوترونية التي على وشك الاندماج. إحدى الطرق الأخرى التي يمكن بها دراسة هذه الأنظمة قبل الاندماج في المستقبل هي عن طريق الكشف عن موجات الجاذبية.
يمكن أن يكون مشروع هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي (LISA) التابع لناسا ووكالة الفضاء الأوروبية مفيدًا بشكل خاص في هذا الصدد. من المقرر إطلاق LISA في منتصف ثلاثينيات القرن الحالي، وسيكون أول كاشف فضائي لموجات الجاذبية، مستفيدًا من حساسية أكبر بكثير من الجيل الحالي من أجهزة الكشف الأرضية، بما في ذلك مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO). نُشرت نتائج الفريق في 20 نوفمبر 2025 في مجلة الفيزياء الفلكية.
التعليقات