قد نتمكن قريبًا من “الرؤية” داخل نجم نيوتروني ومعرفة المادة المتطرفة التي تحكمها الفيزياء الغريبة الكامنة هناك، وذلك بفضل بصمة تفاعلات المد والجزر على موجات الجاذبية المنبعثة من أزواج النجوم النيوترونية المتصاعدة نحو اندماج متفجر.
“أحد الأمل هو أننا سنكون قادرين على الحصول على بعض المعلومات حول معادلة حالة النجم النيوتروني عند الكثافات الموجودة في النواة الداخلية للنجم. نجم نيوترونيوقال نيكولاس يونس من جامعة إلينوي، الذي قاد البحث، في أ إفادة. “هل هناك حقا أ كوارك الأساسية، كما ادعى البعض مؤخرا؟ هل هناك تحولات طورية تحدث في الداخل ولا نعرف عنها بعد؟”
يستمر المقال أدناه
ومع ذلك، في أعماق النجم النيوتروني، بالقرب من قلبه، يمكن أن تكون الأمور أكثر غرابة. يمكن أن يكون ضغط الجاذبية شديدًا جدًا لدرجة أنه يسحق النيوترونات إلى وحدات البناء الخاصة بها، وهي جسيمات أساسية تسمى الكواركات و غلوونات التي عادة ما تربط الكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات.
يسمي العلماء هذه الحالة من المادة ببلازما كوارك-غلوون. هذه الحالة من المادة كانت موجودة خلال الجزء الأول من الثانية بعد الانفجار العظيموخارج تجارب مسرعات الجسيمات، الموقع الآخر الوحيد في الكون الذي قد توجد فيه بلازما كوارك-غلوون هو داخل النجوم النيوترونية.
إذا تمكن العلماء من فهم الجزء الداخلي من النجوم النيوترونية، فيمكنهم معرفة المزيد عن حالة المادة مباشرة بعد الانفجار الكبير.
لطالما اعتبرت النجوم النيوترونية الثنائية أفضل رهان لفك رموز ما يكمن بداخلها. هذه الأزواج من النجوم النيوترونية تدور حول بعضها البعض في مدارات إهليلجية، وتقترب أكثر فأكثر حتى تصطدم وتندمج في شكل واحد. كيلونوفا. بشكل حاسم, تشهد دوامتهم إطلاق سراح موجات الجاذبية.
الآن، يعتقد العلماء بقيادة يونس وأبهيشيك هيجاد من جامعة برينستون أنهم اكتشفوا كيفية فك رموز تردد موجات الجاذبية هذه لتفسير البنية الداخلية للنجوم النيوترونية.
وقال هيجاد: “مع اقترابهما، تبدأ قوى المد والجزر الصادرة عن أحد النجوم (النيوترونية) في تشويه النجم الآخر، والعكس صحيح”. “يعتمد مقدار التشوه على ما يوجد داخل تلك النجوم.”
المشكلة هي أن الجاذبية الشديدة والسرعة العالية (تصل إلى 40٪ من سرعة الضوء) للنجوم النيوترونية أثناء دورانها حول بعضها البعض يعني أن على العلماء أن يتطلعوا نحوها ألبرت أينشتاين's النظرية النسبية العامة للحلول. وهذا مسعى معقد، لكن يونس وهيجادي يعتقدان أنهما يمتلكان الإجابة الآن.
عندما تشوه النجوم النيوترونية الثنائية شكل وبنية بعضها البعض من خلال مد الجاذبية، فإنها تؤدي إلى تذبذبات داخلها، مثل رنين الجرس. تُسمى أنماط هذه التذبذبات بالأنماط، ويُطبع تردد هذه الأنماط على موجات الجاذبية التي تشعها النجوم النيوترونية الثنائية بعيدًا.
مطلوب مجموعة كاملة من الأوضاع لفهم النظام الثنائي. ومع ذلك، فإن تمييز هذه الأنماط معقد بسبب حقيقة أن قوى المد والجزر ديناميكية: فهي تتغير عندما تدور النجوم النيوترونية حول بعضها البعض، وتأثيرات كل نجم نيوتروني تتداخل، مما يجعل التمييز بين ما يحدث أكثر صعوبة.
قال يونس: “بدون مجموعة كاملة من الأوضاع، من الممكن تمامًا أن تفوت جزءًا من استجابة المد والجزر عند تصميمها، حيث من المحتمل أن تكون هناك أجزاء أخرى تحذفها من الوصف الرياضي للاستجابة اللازمة لالتقاط كل الفيزياء”.
فيزياء نيوتن – أي فيزياء الجاذبية الأساسية وفقًا لـ إسحاق نيوتنقانون الجاذبية — يحتوي على مجموعة كاملة من أوضاع التذبذب لجسم عادي. يشار إلى هذه الأوضاع باسم المذبذب التوافقي المخمد. ومع ذلك، في الفيزياء النسبية، لم يكن من الواضح ما إذا كان من الممكن اشتقاق جميع الأنماط. على سبيل المثال، موجات الجاذبية التي تشع الطاقة بعيدًا عن النجوم النيوترونية الثنائية هي إحدى ظواهر النسبية العامة، والتي خلفت الجاذبية النيوتونية، وعلى هذا النحو لا تؤخذ في الاعتبار من قبل الفيزياء النيوتونية.
وقال هيجاد: “إذا كان نظامك يفقد الطاقة، فلا يمكن أن تكتمل أوضاعه”.
وكان الحل هو تحليل المشكلة، مع الأخذ في الاعتبار أن كل نجم نيوتروني على حدة، ومرافقه مجرد مصدر للمد والجزر الجاذبية. قام فريق يونس وهيجادي بعد ذلك بتقسيم كل نجم نيوتروني إلى مناطق منفصلة ذات قوة جاذبية متفاوتة بمقاييس مختلفة، واصفين الجاذبية القوية والجاذبية الأضعف. لقد وجدوا حلولاً تقريبية لكل مقياس، ثم قاموا بدمجها. حتى أنهم وجدوا أن فقدان الطاقة من موجات الجاذبية تم إلغاؤه فعليًا. وقد سمح لهم ذلك باستخلاص حل يصف جميع الأنماط التذبذبية لداخل النجم النيوتروني، علاوة على ذلك، كيف يمكن طبع هذه الأنماط على تردد موجات الجاذبية الناتجة.
وقال هيجاد “لقد أظهرنا شيئين رئيسيين”. “أولاً، تمكنا من طرح الإشعاع، ووجدنا أن أوضاع النجم النيوتروني تشكل بالفعل مجموعة كاملة. ثانيًا، وجدنا أنه إذا قمت بحل مجموعة معينة من المعادلات باستمرار باستخدام مجال مد وجزر يكون “سلسًا” بدرجة كافية، فهذا حل للجزء الداخلي من النجم، ويمكنك القيام بنفس الأشياء في النسبية العامة كما هو الحال في الجاذبية النيوتونية.”
هذه ليست نهاية القصة. إن عمل فريق يونس وهيجادي هو عمل نظري بحت في هذه المرحلة، وأجهزة كشف موجات الجاذبية الحالية ليست حساسة بما فيه الكفاية عند الترددات الأعلى للكشف عن هذه البصمة. ومع ذلك، فإن يونس وهيجاد متفائلان بأن الجيل القادم من أجهزة الكشف سيفي بالغرض.
ونشرت النتائج في 18 فبراير في المجلة رسائل المراجعة البدنية.
التعليقات