تپ اختر چیست؟

 

 

این فانوسهای دریایی کیهانی می‌توانند با سرعت 700 دور در ثانیه بچرخند.

 

تصویر هنری از تپ‌اختر (اعتبار تصویر: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY از طریق Getty Images)

 

تپ اخترها ستارگان نوترونی به سرعت در حال چرخش هستند که پالس‌های تابشی را در فواصل منظم از ثانیه تا میلی‌ثانیه منفجر می‌کنند.

 

تپ اخترها دارای میدان‌های مغناطیسی قوی هستند که ذرات را در امتداد قطبهای مغناطیسی خود جمع می‌کند و آنها را به سرعتهای نسبیتی شتاب می‌دهد که دو پرتو قدرتمند نور از هر قطب تولید می‌کند. به گفته دانشگاه کالیفرنیا، از آنجایی که قطبهای میدان مغناطیسی با محور چرخش تپ‌اختر همسو نیستند، پرتوهای ذرات و نوری که تولید می‌کنند با چرخش تپ اختر به اطراف تابیده می شوند.

 

تناوب تپ‌اخترها به دلیل عبور این پرتوهای نور از خط دید در اینجا روی زمین است، به نظر می‌رسد که تپ اختر در نقاطی خاموش می‌شود که نور رو به ما است. زمان بین این پالس‌ها “دوره” تپ‌اختر است.

 

تصور کنید که یک جفت قیچی باز روی یک دسته می‌چرخد. یک تیغه به سمت بالا است، این محور چرخش است، در حالی که تیغه دیگر پرتو نور است. در حالی که محور چرخش جهت‌گیری یکسانی دارد، جهت پرتو با چرخش ستاره نوترونی می‌چرخد.

 

بنابراین، در واقع، تپ اخترها را می‌توان به عنوان “فانوس دریایی کیهانی” در نظر گرفت. اگرچه ممکن است فانوس دریایی تمام شب پرتوهای نور را به بیرون بفرستد، اما ملوانان آن را تنها زمانی می‌بینند که رو به آنها باشد. از آنجا که آنها به سرعت می‌چرخند ظاهر “سوسو زدن” به خود می‌گیرد.

 

این امر همچنین به این معنی است که نام “تپ‌اختر” ممکن است در واقع گمراه‌کننده باشد، زیرا این ستاره‌های نوترونی در واقع با کوچک شدن و بزرگ شدن دوره‌ای اندازه آنها، همانطور تپش ندارند که ستاره شناسان زمانی فکر می‌کردند. ضربان آنها صرفاً عاملی از جهت گیری آنها در رابطه با دیدگاه ما از آنها است، خروجی نور آنها عمدتاً ثابت است.

 

دو نوع تپ‌اختر وجود دارد، تپ‌اخترهایی با دوره‌های چند میلی‌ثانیه‌ای که این تناوب در طول زمان بسیار آهسته تغییر می‌کند، تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای نامیده می‌شوند، و تپ‌اخترهای دیگری که فقط “تپ‌اخترهای معمولی” نامیده می شوند.

 

تپ اخترها چگونه تشکیل می‌شوند؟

دانشگاه ایالتی پن می‌گوید، مانند همه ستارگان نوترونی، تپ‌اخترها زمانی متولد می‌شوند که ستارگانی با جرم بین چهار تا هشت برابر خورشید، سوختشان برای همجوشی هسته‌ای تمام شود. هنگامی که ادغام عناصر سبکتر به عناصر سنگینتر متوقف می‌شود، تولید انرژی نیز متوقف می‌شود که ستاره پرجرم را در برابر فشار درونی گرانش عظیم خود حمایت می‌کند. تعادلی که ستاره در تمام عمر خود از آن لذت برده است به پایان می‌رسد و شروع به فروپاشی می‌کند.

 

همانطور که فروپاشی ادامه می‌یابد، لایه‌های بیرونی ستاره در یک انفجار ابرنواختری منفجر می‌شوند و تنها هسته آهنی ستاره پرجرم حاوی جرمی معادل جرم خورشید تا حدود 1.5 برابر جرم ستاره ما باقی مانده است که این ماده ستاره نوترونی متشکل از 95 درصد نوترون را ایجاد می‌کند، زیرا فروپاشی الکترونها و پروتون‌ها را به هم واداشته است. به گفته ناسا، موادی که ستارگان نوترونی را تشکیل می‌دهند آنقدر متراکم هستند که یک قاشق چای‌خوری از آن 4 بیلیون تن وزن دارد. این معادل 10000 ساختمان امپایر استیت است که روی یک قاشق کوچک چیده شده‌اند!

 

این ماده فوق متراکم از جمع شدن بیشتر به هم جلوگیری می‌کند زیرا جرم هسته ستاره نمی‌تواند بر خواص کوانتومی نوترون‌های آن غلبه کند. اگر ستاره به اندازه کافی جرم داشت که بر این اثر غلبه کند، ستاره نوترونی به فروپاشی ادامه می‌داد تا زمانی که به سیاهچاله تبدیل شود.

 

ستاره‌ای با جرم خورشید هرگز تبدیل به یک ستاره نوترونی نمی‌شود، در عوض، ستاره ما با تمام شدن هیدروژن به صورت بقایای ستاره‌ای در حال دود به نام کوتوله سفید به زندگی خود پایان می‌دهد.

 

فرآیند فروپاشی هسته ممکن است چیزی باشد که باعث می‌شود ستاره‌های نوترونی جوان به صورت تپ‌اختر به سرعت بچرخند.

 

یک نظریه در مورد اینکه چرا تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای حتی با سرعت بیشتری می‌چرخند این است که آنها از ستاره‌های پرجرم در یک سیستم دوتایی متولد شده‌اند. پس از اینکه فرآیند ایجاد ستاره نوترونی به پایان رسید، ستاره نوترونی تازه متولد شده مواد را از همدم دوتایی نزدیک خود جدا می‌کند. این حرکت زاویه‌ای را از ستاره چرخشی به ستاره نوترونی تغذیه کننده منتقل می‌کند که چرخش آن را افزایش می‌دهد یا آن را به سمت بالا می‌چرخاند.

 

یک ستاره همدم بزرگ در سمت راست به داخل تپ‌اختری در سمت چپ کشیده می‌شود که مواد را از بین می‌برد.

 

برداشت هنری از یک تپ اختر که مواد دور ستاره همدم را جذب می‌کند که منجر به تشکیل یک تپ اختر میلی‌ثانیه‌ای می‌شود. (اعتبار تصویر: حق چاپ NASA/CXC/M.Weiss)

 

آیا همه ستارگان نوترونی تپ‌اختر هستند؟

به طور خلاصه، همه تپ‌اخترها ستاره‌های نوترونی هستند، اما همه ستاره‌های نوترونی تپ‌اختر نیستند.

 

اکثر ستارگان نوترونی که تاکنون کشف کرده‌ایم تپ‌اختر هستند، اما این به این دلیل که آنها بسیار واضح‌تر از ستاره‌های نوترونی هستند. با فانوس‌های بزرگ تابشی که از قطب‌های مغناطیسی منفجر می‌شوند، اخترشناسان می‌توانند این فانوس‌های دریایی کیهانی را بسیار آسان‌تر از ستاره‌های کوچک و کم نور نوترونی مشاهده کنند.

 

با این حال، برخی از تپ اخترها ممکن است از زمین قابل مشاهده نباشند، زیرا پرتوهای نور تابیده شده آنها هرگز به سمت ما قرار نمی‌گیرند.

 

ما می‌توانیم نسبتاً مطمئن باشیم که تپ‌اخترها به سرعت در حال چرخش به دور ستارگان نوترونی هستند، زیرا تپ‌اخترهای جوان در بقایای ابرنواخترها، دقیقاً جایی شناسایی شده‌اند که انتظار می‌رود ستاره‌های نوترونی پیدا شوند.

 

ستاره‌های نوترونی دیگری که در حال حاضر تپ‌اختر به نظر نمی‌رسند و شبیه ستاره‌های نوترونی غیرقابل چرخش هستند، ممکن است زمانی تپ‌اختر بوده باشند، اما فرآیندی که باعث می‌شود پرتوهای تابش را منفجر کنند، ممکن است «خاموش» شده باشد یا گسیل‌ها بیش از حد باشد. به صورت ضعیف قابل مشاهده است. میانگین عمر یک تپ‌اختر حدود 10 میلیون سال است و با افزایش سن چرخش آنها کندتر می‌شود.

 

بنابراین اگر همه ستارگان نوترونی تپ اختر نیستند، چگونه برخی از این بقایای عجیب و غریب مانند فانوس‌های دریایی قدرتمند کیهانی به پایان می‌رسند؟

 

چه کسی تپ اخترها را کشف کرد؟

 

پس از کشف نوترون‌ها در سال 1932 توسط فیزیکدان انگلیسی، جیمز چادویک، مفهوم ستاره نوترونی برای اولین بار در سال 1934 توسط لو لاندائو در اتحاد جماهیر شوروی و به طور جداگانه توسط والتر بااد و فریتز زوئیسکی در ایالات متحده در همان سال به طور جداگانه پیش‌بینی شد.  

 

پنج سال بعد در سال 1939، رابرت اوپنهایمر و جورج ولکوف یک مدل نظری برای ستارگان نوترونی ایجاد کردند، اما سه دهه دیگر طول کشید تا اولین ستاره نوترونی به شکل یک تپ‌اختر کشف شود.

 

در سال 1967، ستاره‌شناسان رادیویی در کمبریج در جستجوی اختروشها بودند و ابزاری را توسعه دادند که قادر به تشخیص تغییرات سریع و تصادفی در شدت امواج رادیویی بود که چنین سیگنال‌هایی را برای تجزیه و تحلیل بعدی ذخیره می‌کرد.

 

جوسلین بل تحت نظارت آنتونی هیویش، یک دانشجوی 24 ساله فارغ التحصیل در نیو هال که در آزمایشگاه کاوندیش کمبریج تحقیق می‌کرد، با بررسی این داده‌ها، سیگنال‌های مرموز بسیار منظمی را کشف کرد که بسیار متفاوت از سیگنال‌های تصادفی مورد انتظار از اختروش‌های متاثر از بادهای خورشیدی بود.

 

سیگنال‌ها به قدری منظم بودند که وقتی برای اولین بار کشف شدند به فعالیتهای انسانی نسبت داده شدند. زمانی که نتیجه‌گیری شد که این سیگنال‌های بسیار منظم باید از کیهان سرچشمه بگیرند، این پیشنهاد مطرح شد که آنها می‌توانند نتیجه حیات فرازمینی هوشمند باشند.

 

این امر منجر به این شد که منبع این پالس‌ها نام اصلی “LGM1” یا “مرد سبز کوچک 1” را به خود اختصاص دهد. البته، بل و هیویش در ادامه کشف کردند که منبع واقعی انتشار یک تپ اختر با دوره زمانی 1.3373 ثانیه است. این تپ‌اختر اکنون نام کمی هیجان‌انگیزتر PSR B1919+21 را دارد.

 

دانشگاه کمبریج می‌گوید که تا به امروز بیش از 3000 تپ اختر کشف شده است و در حالی که این تپ‌اخترها در ابتدا در امواج رادیویی یافت شدند، ما از آن زمان این فانوسهای دریایی کیهانی را در اشعه ایکس، پرتو گاما و حتی مرئی کشف کرده‌ایم.

 

تپ‌اخترها: تپ‌اخترها با چه سرعتی می‌توانند بچرخند؟

مانند همه ستارگان نوترونی، تپ‌اخترها جرم و اندازه کاملاً محدودی دارند، بیشتر ستارگان نوترونی جرمی در حدود 1.5 برابر خورشید دارند. یکی از جنبه‌هایی که تپ‌اخترها در آن بسیار متفاوت هستند، سرعت چرخش آنهاست. برخی با سرعت صدها بار در ثانیه می‌چرخند که ناسا می‌گوید سریعتر از تیغه‌های یک مخلوط‌کن خانگی است.

 

در سال 2022 اخترشناسان سنگین‌ترین ستاره نوترونی تا به امروز را با جرم 2.35 برابر خورشید کشف کردند که همچنین سریع‌ترین تپ اختر در حال چرخش است که تاکنون در کهکشان راه شیری یافت شده است. تپ‌اختر با نام PSR J0952-0607 به نام تپ اختر بیوه سیاه نیز شناخته می‌شود زیرا اعتقاد بر این است که با مصرف یک ستاره دوتایی همراه به سرعت و جرم دورانی رکوردشکنی رسیده است.

 

تپ اختر بیوه سیاه با سرعت 707 هرتز (HZ) یا 707 بار در ثانیه می چرخد. در راس آن تپ‌اختر PSR J1748–2446ad قرار دارد که با سرعت 716 هرتز یا 716 بار در ثانیه می‌چرخد.

 

در سال 1974، راسل آلن هولس و جوزف هوتون تیلور جونیور از دانشگاه ماساچوست آمهرست نوع افراطی دیگری از تپ‌اختر را کشف کردند که در یک سیستم دوتایی با یک ستاره نوترونی وجود داشت.

 

این نوع منظومه تپ‌اختری که یک دوتایی هالس-تیلور نام دارد، برای ستاره‌شناسانی که به دنبال مطالعه محدودیت‌های نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین و برای مطالعه امواج گرانشی، امواج ریز در بافت فضازمان هستند قوی‌ترین و خشن‌ترین وقایع و اشیای جهان بسیار مهم شده است.

 

موارد استفاده از تپ اخترها

نقشه‌ای از آسمان که تپاخترهای پرتو گاما را نشان می‌دهد که با ابزار LAT در تلسکوپ پرتو گاما فرمی شناسایی شده‌اند. در بالا تپ‌اخترهای پرتو گاما شناسایی شده با LAT نشان داده شده است. (اعتبار تصویر: Fermi-LAT/GSFC)

 

تپ‌اخترها ابزارهای کیهانی خارق‌العاده‌ای برای دانشمندان برای مطالعه طیف گسترده‌ای از پدیده‌ها هستند.

 

نور ساطع شده توسط یک تپ‌اختر اطلاعاتی در مورد این اجرام و آنچه در داخل آنها اتفاق می‌افتد را حمل می‌کند. این بدان معناست که تپ‌اخترها اطلاعاتی در مورد فیزیک ستارگان نوترونی به دانشمندان می‌دهند که چگال‌ترین ماده در جهان هستند (به استثنای هر اتفاقی که برای ماده داخل سیاهچاله می‌افتد). تحت چنین فشار باورنکردنی، ماده به گونه‌ای رفتار می‌کند که قبلاً در هیچ محیط دیگری در جهان دیده نشده بود. وضعیت عجیب ماده درون ستارگان نوترونی چیزی است که دانشمندان آن را «ماکارونی هسته‌ای» می‌نامند.

 

برخی از تپ اخترها نیز به دلیل دقت پالس‌هایشان بسیار مفید هستند. تپ‌اخترهای شناخته شده زیادی وجود دارند که با چنین نظم دقیقی چشمک می‌زنند. آنها دقیق‌ترین ساعتهای طبیعی در جهان در نظر گرفته می‌شوند. در نتیجه، دانشمندان می‌توانند تغییراتی را در چشمک زدن یک تپ‌اختر مشاهده کنند که می‌تواند نشان دهنده اتفاقی در فضای نزدیک باشد.

 

با این روش بود که دانشمندان شروع به شناسایی وجود سیارات بیگانه در مدار این اجرام متراکم کردند. در واقع، اولین سیاره خارج از منظومه شمسی زمین که تا به حال یافت شد، به دور یک تپ‌اختر می‌چرخید.

 

از آنجایی که تپ‌اخترها در فضا حرکت می‌کنند، دانشمندان می‌توانند از تپ‌اخترهای زیادی برای محاسبه فواصل کیهانی استفاده کنند. تغییر موقعیت تپ‌اختر به این معنی است که نوری که از خود ساطع می‌کند زمانی کم و بیش طول می‌کشد تا به زمین برسد. به لطف زمان‌بندی دقیق پالس‌ها، دانشمندان برخی از دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های فاصله اجرام کیهانی را انجام داده‌اند.

 

تپ اخترها برای آزمایش جنبه‌هایی از نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، مانند نیروی جهانی گرانش استفاده شده است.

 

زمان‌بندی منظم تپ‌اخترها نیز ممکن است توسط امواج گرانشی مختل شود – موج‌هایی در فضا-زمان که توسط اینشتین پیش‌بینی شد و برای اولین بار در فوریه 2016 مستقیماً شناسایی شد. در حال حاضر آزمایش‌های متعددی برای جستجوی امواج گرانشی از طریق این روش تپ‌اختر وجود دارد.

 

اسکات رانسوم، ستاره‌شناس رصدخانه ملی رادیویی نجوم (NRAO) در شارلوتزویل، ویرجینیا، گفت: استفاده از تپ‌اخترها برای این نوع کاربردها بستگی به این دارد که آنها در چرخش خود چقدر پایدار هستند (در نتیجه چشمک‌های بسیار منظمی ارائه می‌دهند).

 

همه تپ‌اخترها در حین چرخش به تدریج سرعت خود را کاهش می‌دهند. اما آنهایی که برای اندازه‌گیری‌های دقیق استفاده می‌شوند با سرعتی باورنکردنی کند می‌شوند، بنابراین دانشمندان همچنان می‌توانند از آن‌ها به عنوان دستگاه‌های ثابت زمان استفاده کنند.

 

قبرستان‌های تپ اختری

 

تصویر ناسا از یک تپ اختر، یک ستاره نوترونی که به سرعت در حال چرخش است که به طور دوره‌ای انفجارهای تابش را به زمین نشان می‌دهد. (اعتبار تصویر: مرکز پرواز فضایی گوددارد ناسا)

 

همه تپ‌اخترها با افزایش سن به تدریج سرعت خود را کاهش می‌دهند. تابش ساطع شده توسط یک تپ اختر به طور مشترک از میدان مغناطیسی و اسپین آن تغذیه می‌شود. هاردینگ گفت، در نتیجه، تپ‌اختری که سرعتش کاهش می‌یابد نیز قدرت خود را از دست می‌دهد و به تدریج انتشار تشعشعات را متوقف می‌کند (یا حداقل، تابش کافی برای تشخیص با تلسکوپها). مشاهدات تاکنون نشان می‌دهد که تپ‌اخترها با پرتوهای گاما قبل از امواج رادیویی به زیر آستانه تشخیص سقوط می‌کنند. وقتی تپ‌اخترها به این مرحله از زندگی می‌رسند، وارد جایی می‌شوند که به قبرستان تپ‌اختر معروف است. (تپ‌اخترهایی که تابش خود را متوقف کرده‌اند ممکن است توسط ستاره‌شناسان به عنوان ستاره‌های نوترونی معمولی در نظر گرفته شوند).

 

رانسوم گفت وقتی یک تپ اختر از لاشه یک ابرنواختر تشکیل می‌شود، به سرعت می‌چرخد و انرژی زیادی از خود ساطع می‌کند. تپ اختر خرچنگ که به خوبی مطالعه شده است نمونه‌ای از چنین تپ‌اختر جوانی است. این مرحله ممکن است چند صد هزار سال طول بکشد، پس از آن تپ‌اختر شروع به کند شدن می‌کند و فقط امواج رادیویی ساطع می‌کند. او افزود که این تپ‌اخترهای «میانسال» احتمالاً بیشتر جمعیت تپ‌اخترهایی را تشکیل می دهند که تنها امواج رادیویی ساطع می کنند. این تپ‌اخترها ده‌ها میلیون سال زندگی می‌کنند تا در نهایت سرعتشان به قدری کاهش یابد که «مرده» و وارد قبرستان تپ‌اخترها شوند.

 

اما اگر تپ اختر در نزدیکی همدم ستاره‌ای قرار گیرد، ممکن است «بازیافت» شود، به این معنی که مواد و انرژی را از همسایه خود بیرون می‌کشد و چرخش خود را به صدها بار در ثانیه افزایش می‌دهد – بنابراین یک تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای ایجاد می‌کند و تپ اختری که زمانی مرده بود، زندگی جدیدی آغاز می‌کند. این تغییر می‌تواند در هر زمانی از زندگی یک تپ‌اختر رخ دهد، به این معنی که سرعت چرخش یک تپ‌اختر در حال مرگ می‌تواند طی صدها تا میلیون ها سال افزایش یابد. رانسوم گفت که تپ اختر شروع به انتشار پرتوهای ایکس می‌کند و این جفت اشیاء به عنوان یک دودویی پرتو ایکس با جرم کم شناخته می‌شوند. (این تپ اخترهای آدمخوار با اشاره به دو گونه عنکبوت که همراهان خود را می‌کشند، تپ‌اخترهای «بیوه سیاه» یا تپ اخترهای «قرمز» نامیده می‌شوند). تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای قدیمی‌ترین تپ‌اخترهای شناخته شده هستند – برخی از آنها بیلیونها سال قدمت دارند و بیلیونها سال به چرخش خود با این سرعت بالا ادامه خواهند داد.

 

تپ‌اخترها تنها نمونه افراطی از ستاره‌های نوترونی در جهان نیستند. مگنتارها نوعی ستاره نوترونی هستند که تصور می‌شود قوی‌ترین میدانهای مغناطیسی در جهان را دارند.

 

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

What are pulsars?

By Robert Lea Contributions from  Calla Cofield  last updated 24 January 2023

https://www.space.com/32661-pulsars.html