بیگ بنگ: ستاره‌های نوترونی در صدر لیست خوشمزه‌ترین موضوعات کیهانی قرار دارند. اول اینکه چیزی به نام، “پاستای هسته‌ای ” در زیر پوسته‌های آن‌ها متراکم شده و حالا هم انگار شواهد تازه‌ای دال بر این امر به دست آمده که هسته‌های عظیم این ستاره‌های نوترونی از یک “سوپ ” عجیب‌وغریب از ذرات زیر اتمی به نام کوارک ساخته شده است.

به گزارش بیگ بنگ، فیزیکدانان، محاسبات جدیدی را با استفاده از داده‌های امواج گرانشی و مشاهدات گسترده انجام شده بر روی ستاره‌های نوترونی عظیم ارائه داده‌اند. این امواج برای اولین بار پس از انفجار یک ستاره نوترونی در اوت سال 2017 کشف شدند. دستاوردهای این دانشمندان نشان‌دهنده نتایج مهیجی است که بیان می‌دارند – هسته‌های عظیم ستاره‌های نوترونی به شدت متراکم بوده و از ماده‌ای تحت عنوان کوارک تشکیل شده است.

محققان می‌گویند، این کشفیات یک نقطه عطف در درک ذات ِ عجیب‌وغریب این اجرام بسیار عظیم به شمار می­‌آید. “الكسی ورینن”، فیزیكدان نظریه‌پرداز دانشگاه هلسینكی و مؤسسه هلسینكی در این خصوص گفت: «وجود هسته‌های کوارک در ستاره‌های نوترونی یكی از مهم‌ترین اهداف ِ دانشمندان برای شناخت ستاره‌های نوترونی بوده که از 40 سال پیش تاکنون به دنبال این کشف هستند.»

ستاره‌های نوترونی بسیار خشن هستند. در واقع این ستاره‌ها مرده‌اند و بقایای ستاره‌های عظیمی هستند که بین 8 تا 30 برابر توده خورشیدی بودند (اندازه‌گیری بر اساس جرم خورشید). وقتی این ستاره‌ها به ابرنواختر تبدیل می‌شوند، بیشتر جرم خود را به درون فضا منتشر می‌کنند و هستۀ باقی‌مانده به یک جسم فوق‌العاده متراکم تبدیل می‌شود.

ستاره‌های نوترونی می‌توانند دارای جرمی در حدود 1.1 تا 2.3 جرم خورشیدی باشند که در یک کرۀ متراکم و کوچک جای گرفته و طولی برابر با 10 تا 20 کیلومتر داشته باشند. هر ستاره نوترونی بزرگ، جرم بیشتری نسبت به خورشید دارد، اما به راحتی در کنار دیوار هادریان(با طولی حدود 1200 کیلومتر) جای می‌گیرد و باز هم فضایی برای سایر ستاره‌ها وجود خواهد داشت.

هنگامی که ابرنواختری با هسته از هم پاشیده ایجاد می‌شود، پروتون‌ها و الکترون‌های موجود در اتم‌هایی که جسم را تشکیل می‌دهند در نوترون‌ها و نوترینوها فشرده می‌شوند. نوترینوها فرار می‌کنند و نوترون‌ها را در این شرایط پر فشار تنها می‌گذارند، لذا نوترون‌ها به هم می‌پیوندند و اساساً یک ستاره نوترونی با یک هسته بزرگ شکل می‌گیرد که دارای چگالی بیش از 100 تریلیون برابر آب در پایۀ پوسته است. (همین امر باعث تولید ساختار “پاستای هسته‌ای ” می‌شود).

انتظار می‌رود که هرچه بیشتر به سمت عمق این ستارگان پیش برویم، چگالی بیشتر شود و لذا همین امر باعث شکل‌گیری ایدۀ هسته کوارک می‌شود. کوارک‌ها، ذرات فرواتمی بنیادینی هستند که برای تشکیل ذرات ترکیبی مانند پروتون و نوترون با هم ادغام می‌شوند. احتمالاً می‌توانید حدس بزنید که این داستان تا کجا ادامه خواهد داشت. برای چند دهه، اخترشناسان این فرضیه را مطرح می‌کردند كه، در شرایط گرما و چگالی كافی، نوترون‌ها بیشتر و بیشتر به کوارک سازندۀ خود تجزیه می‌شوند و نوعی سوپ کوارك ایجاد می‌شود.

البته درک ِ اینکه چه چیزی درون یک ستارۀ نوترونی وجود دارد، واقعاً دشوار است؛ بنابراین انفجار آگوست 2017 بنام GW170817 – برای اخترشناسان بسیار هیجان‌انگیز بود، زیرا به وضوح نحوۀ تغییر شکل ِ گرانشی این دو ستاره را با نزدیک شدن به یکدیگر نشان می‌داد و اطلاعات مفیدی را در مورد ساختار داخلی آن‌ها ارائه نمود.

“ورینن” و گروهش از این سیگنال موج گرانشی به همراه نتایج تئوریک فیزیک ذرات استفاده نمودند تا محاسبات دقیقی را ارائه نمایند. آن‌ها دریافتند که ستاره‌های نوترونی با جرم بسیار بالا که – حداقل برابر با 2 برابر جرم خورشید است – ویژگی‌هایی را نشان می‌دهند که وجود یک هسته بزرگ کوارکی که بیش از نیمی از کل قطر ستاره نوترونی را اشغال نموده تأیید می‌کند. البته این نتایج قطعی‌ای نیستند؛ اما محاسبات نشان می‌دهد که اگر هستۀ این ستاره‌ها از کوارک تشکیل نشده باشد، چیزهای عجیب‌وغریبی روی خواهد داد.

“وورینن” افزود: «هنوز یک احتمال کوچک غیر صفر وجود دارد که تمام ستارگان نوترونی فقط از مواد هسته‌ای تشکیل شده باشند. با این وجود، کاری که ما انجام دادیم، این بود که چنین سناریویی را به دقت سبک و سنگین کنیم. به‌طور خلاصه می‌توان گفت که رفتار مادۀ هسته‌ای متراکم در صورتی که از کوارک تشکیل نشده باشد باید شرایط عجیبی داشته باشند.

کشف کوارک درون ستاره‌های نوترونی نه تنها شگفت‌انگیز است بلکه – به ما کمک می‌کند تا در مورد اولین لحظات تشکیل جهان هستی اطلاعات بیشتری کسب کنیم. کیهان‌شناسان بر این باورند که درست چند میکروثانیه بعد از بیگ بنگ که به عصر کوارک معروف است، جهان با یک سوپ داغ پلاسمای پرچگالی که به سرعت در هادرون‌ها جمع شد پر شده بود.

این روزها، ما می‌توانیم مادۀ آزمایشی کوارک را تنها در آزمایش‌های شتاب‌دهنده ذرات مشاهده نماییم؛ اما برخی از ستاره‌های عظیم نوترونی نیز می‌توانند آن را در خود جای‌داده باشند. اگر بتوانیم ویژگی‌های ستاره نوترونی‌ای را که مادۀ کوارکی در درونشان شکل می‌گیرد، تعیین نماییم، می‌توانیم به درک بهتری از دوره کوارک بدست بیاوریم.

از آنجا که رویداد GW170817، که توسط ابزار لایگو- ویرگو کشف شد، دومین ادغام ستاره نوترونی بود؛ قطعاً باقی ادغام‌های ستاره‌ای نیز دور یا زود می‌توانند به دانشمندان کمک کنند. در حقیقت تجزیه‌وتحلیل‌های بیشتر می‌تواند به محققان کمک کند تا محاسبات خود را دقیق‌تر نموده و شک و شبهات را برطرف نمایند. “وورینن” در پایان گفت: «این کشفیات نشان می‌دهد كه عصر طلایی اخترفیزیک امواج گرانشی بتازگی آغاز شده و به زودی شاهد کشفیات بسیار اعجاب‌برانگیزی در این عرصه خواهیم بود. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature Physics منتشر شده است.

ترجمه: سهیلا دوست پژوه/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com