درون ستاره‌های نوترونی چه می‌گذرد؟

به گزارش مجله خبری نگار و به نقل از سایتک دیلی، تصور کنید ستاره‌ای با جرم دو برابر خورشید را بگیرید و آن را با فشردن، به اندازه منهتن نیویورک برسانید. نتیجه، یک ستاره نوترونی خواهد بود. ستاره نوترونی، یکی از متراکم‌ترین اجرامی است که در کیهان یافت می‌شود. چگالی ستاره‌های نوترونی از چگالی هر ماده‌ای که به طور طبیعی روی زمین یافت می‌شود، ده‌ها تریلیون بیشتر است. اگرچه ستاره‌های نوترونی به خودی خود اجرام اخترفیزیکی قابل توجهی هستند، اما چگالی این ستاره‌ها می‌تواند آن‌ها را تحت شرایطی که هرگز روی زمین بازتولید نمی‌شوند، به آزمایشگاهی برای بررسی پرسش‌های اساسی فیزیک هسته‌ای تبدیل کند.

به دلیل این شرایط عجیب و غریب، دانشمندان هنوز نمی‌دانند که ستاره‌های نوترونی دقیقا از چه چیزی ساخته شده‌اند. پاسخ دادن به این پرسش، هدف اصلی پژوهش اخترفیزیک مدرن است. قطعه جدیدی از این پازل که دامنه احتمال‌ها را محدود می‌کند، توسط دو پژوهشگر در "موسسه مطالعات پیشرفته" (IAS) آمریکا کشف شده است. این دو پژوهشگر، "کارولین رایتل" (Carolyn Raithel)، عضو دانشکده علوم طبیعی و "الیاس موست" (Elias Most) هستند.

در حالت ایده‌آل، اخترفیزیکدانان دوست دارند به درون این اجرام عجیب و غریب نگاه کنند، اما این ستاره‌ها آن قدر کوچک و دور هستند که نمی‌توان از آن‌ها با تلسکوپ‌های استاندارد تصویربرداری کرد. پژوهشگران در عوض برای محاسبه "معادله حالت" (EoS)، بر خواص غیرمستقیمی مانند جرم و شعاع یک ستاره نوترونی تکیه می‌کنند که می‌توانند به اندازه‌گیری آن‌ها بپردازند. در هر حال، مشکل اینجاست که اندازه‌گیری دقیق شعاع یک ستاره نوترونی بسیار دشوار است. یک جایگزین امیدوارکننده برای مشاهده‌های آینده، استفاده از کمیتی به نام "فرکانس طیفی اوج" (f۲) در جای خود است.

اما فرکانس طیفی اوج چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟ برخورد بین ستارگان نوترونی که بر اساس قوانین نظریه نسبیت انیشتین تحلیل می‌شود، انتشار قوی امواج گرانشی را در پی دارد. دانشمندان در سال ۲۰۱۷ برای نخستین بار، چنین انتشار‌هایی را به طور مستقیم اندازه‌گیری کردند.

موست گفت: حداقل در اصل، فرکانس طیفی اوج را می‌توان از روی سیگنال موج گرانشی ساطع‌شده توسط بقایای متزلزل دو ستاره نوترونی ادغام‌شده محاسبه کرد.

پیشتر انتظار می‌رفت که فرکانس طیفی اوج، یک نماینده معقول برای شعاع باشد، زیرا پژوهشگران تاکنون باور داشتند که یک مطابقت مستقیم بین آن‌ها وجود دارد، اما رایتل و موست نشان داده‌اند که این موضوع همیشه درست نیست. آن‌ها معتقدند که تعیین معادله حالت، مانند حل کردن یک مسئله ساده در مورد وتر نیست. در عوض، بیشتر شبیه به محاسبه طولانی‌ترین ضلع یک مثلث نامنظم است. در اینجا، شخص محاسبه‌کننده به اطلاعات سومی نیز نیاز دارد که زاویه بین دو ضلع کوتاه‌تر است.

این بخش سوم اطلاعات برای رایتل و موست، شیب رابطه جرم-شعاع است که اطلاعات مربوط به معادله حالت را در چگالی بالاتر و در نتیجه شرایط ناملایم‌تر نسبت به شعاع، به تنهایی رمزگذاری می‌کند.

این یافته جدید، به پژوهشگرانی که با نسل بعدی رصدخانه‌های امواج گرانشی کار می‌کنند، امکان می‌دهد تا از داده‌های به دست‌آمده پس از ادغام ستاره‌های نوترونی، بهتر استفاده کنند. به گفته رایتل، این داده‌ها می‌توانند اجزای اساسی ماده ستاره نوترونی را نشان دهند.

رایتل افزود: برخی از پیش‌بینی‌های نظری نشان می‌دهند که در هسته ستاره‌های نوترونی، تغییر فاز ممکن است نوترون‌ها را در ذرات زیر اتمی به نام "کوارک" (Quark) غرق کند. این بدان معناست که ستاره‌ها دارای دریایی از ماده کوارکی آزاد در خود هستند. پژوهش ما ممکن است به پژوهشگران آینده کمک کند تا بفهمند که آیا چنین تغییر فازی واقعا رخ می‌دهد یا خیر.

این پژوهش در "The Astrophysical Journal Letters" به چاپ رسید.