من خلال تطوير علاقة نظرية جديدة تصف مدى اندماج النجوم النيوترونية – وهي بقايا النجوم الضخمة التي تحولت إلى مستعرات أعظم – فقد وجد الباحثون طريقة لاختبار خصائص الفيزياء النووية في ظل ظروف شديدة القسوة.
كما انهار جوهر أ نجم ضخم، أ نجم نيوتروني هو جسم صغير ولكنه كثيف بشكل لا يصدق، حيث يصل حجمه إلى ثلاثة أضعاف حجمه كتلة شمسنا في حجم صغير. تتنبأ النماذج بأن النجوم النيوترونية يبلغ عرضها حوالي عشرة أميال أو نحو ذلك، لكن نصف قطرها الدقيق كان دائمًا غير واضح.
لقد جعل ريزولا وزميله في فرانكفورت كريستيان إيكر الأمور الآن أكثر وضوحًا من خلال دراستهما الجديدة حول اكتناز النجوم النيوترونية.
هناك عدة أسباب وراء صعوبة تحديد نصف قطر النجم النيوتروني. إحدى العقبات هي أن جميع النجوم النيوترونية المعروفة بعيدة جدًا، لكن التحدي الرئيسي يدور حول ما يسميه الفيزيائيون معادلة الحالة. يصف هذا الكثافة والضغط داخل النجم النيوتروني، والذي يمكن من خلاله استخلاص نصف القطر والخصائص الأخرى بدقة.
المشكلة هي أن الظروف داخل النجم النيوتروني شديدة للغاية لدرجة أنها تدفع فهمنا للفيزياء النووية إلى أقصى الحدود. ملعقة من مادة النجم النيوتروني يمكن أن تزن مليار طن. وتحت هذا الضغط الشديد، يتم سحق الذرات وتندمج البروتونات ذات الشحنة الموجبة مع الإلكترونات ذات الشحنة السالبة لإنتاج جسم مملوء بـ النيوترونات.
ولكن في قلب النجم النيوتروني، قد تسود الفيزياء الغريبة: على سبيل المثال، قد توجد جسيمات مادية “غريبة” تسمى هايبرونات، أو ربما تتسبب الجاذبية الهائلة في اندماج النيوترونات معًا وإجبارها على الانهيار. كوارك الجسيمات مصنوعة من التدفق بحرية تقريبًا. ومع ذلك، لا توجد طريقة لاختبار أي من هذا، لأن العلماء غير قادرين على تكرار الظروف داخل النجم النيوتروني في المختبر. أرض. انها مجرد متطرفة للغاية.
لذا، بدلاً من وجود معادلة حالة واحدة للنجوم النيوترونية، هناك قائمة كاملة من معادلات الحالة المحتملة، واحدة لكل نموذج تصف الظروف المحتملة داخل النجم النيوتروني.
ولتقييم مدى تماسك النجم النيوتروني، قام ريزولا وإيكر بدراسة عشرات الآلاف من معادلات الحالة. ولكن لجعل الأمور أكثر قابلية للإدارة، نظروا فقط إلى النجم النيوتروني الأكثر ضخامة في كل حالة.
قال ريزولا: “النتيجة المعروفة في النسبية العامة هي أنه لكل معادلة حالة هناك كتلة قصوى مسموحة”. “أي كتلة أكبر من الحد الأقصى للكتلة ستؤدي إلى الثقب الأسود. نحن نعلم من الملاحظات أن الحد الأقصى للكتلة المسموح بها يجب أن يتراوح بين ضعفين وثلاثة أضعاف كتلة الشمس.”
تفاجأ ريزولا وإيكر عندما اكتشفا وجود حد أعلى لضغط النجم النيوتروني، وبناءً على ذلك فإن النسبة بين كتلة النجم النيوتروني ونصف قطره تكون دائمًا أصغر من 1/3.
ويمكن تحديد هذه النسبة بفضل ما يعرف بالوحدات الهندسية، وهي شائعة الاستخدام في فيزياء النسبية العامة والسماح بالتعبير عن الكتلة بالطول بدلاً من الوزن.
وقال ريزولا: “نظرًا لأننا وضعنا حدًا أعلى للاكتناز، فيمكننا وضع حد أدنى لنصف القطر”. “بمجرد قياس كتلة النجم النيوتروني، يمكننا القول أن نصف قطره يجب أن يكون أكبر من ثلاثة أضعاف كتلته.”
كما وجد ريزولا وإيكر أن هذه النسبة تنطبق على جميع معادلات الحالة بغض النظر عن كتلتها القصوى. قد يبدو هذا مفاجئًا للوهلة الأولى نظرًا لأن المرء قد يعتقد تلقائيًا أن النجوم النيوترونية الأكثر ضخامة ستكون الأكثر ضغطًا لأنها تتمتع بجاذبية أقوى تحاول جعلها تنكمش. وبدلا من ذلك، يبدو أن الفيزياء النووية الغريبة التي تلعبها النجوم النيوترونية تتجاوز هذا الأمر وتوازن الأمور.
العلاقة مشتقة جزئيًا من مبادئ الديناميكا اللونية الكمومية، أو QCD، وهي النظرية التي توضح كيفية قوة قوية تربط جسيمات تسمى الكواركات لتكوين جسيمات مثل النيوترونات. يتم تنفيذ القوة القوية بواسطة جسيمات تسمى غلوونات (الاسم يأتي من حقيقة أنها تلصق الكواركات معًا) وQCD هي نظرية المجال الكمي التي تحكمها، مما يمنحها عددًا كميًا يُعرف بشكل غريب باسم “شحنة اللون”.
طبق ريزولا وإيكر بعض الافتراضات القياسية المعتمدة على QCD لاشتقاق علاقة الاكتناز الخاصة بهم – ووصفوها بأنها QCD تترك “بصمة” على البنية الداخلية للنجوم النيوترونية. هذا يعني أنه إذا أصبح من الممكن قياس نصف قطر نجم نيوتروني بدقة، فإن أي انحراف عن هذه العلاقة سيكون بمثابة دليل كبير على وجود خطأ ما في فهمنا للـ QCD.
قال ريزولا: “إذا رأينا انتهاكًا لهذه النتيجة، مثل نجم نيوتروني ذو ضغط أكبر من 1/3، فإن هذا يشير إلى وجود خطأ ما في افتراضات QCD التي استخدمناها”.
ربما لن نضطر إلى الانتظار لفترة أطول حتى نتمكن من إجراء مراقبة دقيقة لنصف قطر النجم النيوتروني، حيث يمكن اختبار هذه العلاقة وQCD لاحقًا. يصف ريزولا التوقعات بأنها “متفائلة” ويستشهد بتجربة NICER (مستكشف التركيب الداخلي للنجم النيوتروني) على الكوكب. محطة الفضاء الدوليةوكذلك القياسات من موجة الجاذبية أحداث بعضها يتضمن اندماج ثقب أسود مع نجم نيوتروني. في حالة واحدة فقط حتى الآن، GW 170817، شارك نجمان نيوترونيان في عملية اندماج.
قال ريزولا: “إذا تمكنا فقط من رؤية المزيد من الأحداث مثل GW 170817، فيمكننا وضع قيود أكثر صرامة على نصف القطر المحتمل للنجوم النيوترونية”.
تم نشر بحث Rezzolla وEcker في مستودع ورق ما قبل الطباعة arXiv.
التعليقات