سنگین‌ترین ستاره نوترونی کشف شده تا کنون، «بیوه سیاه» ای است که جفت خود را می‌خورد!!
ستاره نوترونی/ تپ اختر طرف مقابل شریک ستاره‌ای خود (راست) را تا دمای دو برابر سطح خورشید گرم می‌کند و به آرامی آن را تبخیر می‌کند. اعتبار: مرکز پرواز فضایی گوددارد ناسا
یک ستاره متراکم و فروپاشیده که 707 بار در ثانیه می‌چرخد – که آن را به یکی از سریع‌ترین ستاره‌های نوترونی در حال چرخش در کهکشان راه شیری تبدیل می‌کند که تا به امروز مشاهده شده است – تقریباً کل جرم ستاره‌ای خود را خرد و مصرف کرده و در این فرآیند به سنگین‌ترین ستاره نوترونی تبدیل شده است.
وزن کردن این ستاره نوترونی رکوردار که در بالای نمودارها با جرمی 2.35 برابر خورشید قرار دارد، به ستاره‌شناسان کمک می‌کند تا وضعیت کوانتومی عجیب ماده درون این اجرام متراکم را درک کنند که اگر بسیار سنگینتر از آن شوند، به طور کامل فرو می‌ریزند و به یک سیاهچاله تبدیل می‌شوند.
الکس فیلیپنکو، استاد برجسته نجوم در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، می‌گوید: «ما تقریباً می‌دانیم که ماده در چگالی هسته‌ای مانند هسته اتم اورانیوم چگونه رفتار می‌کند. یک ستاره نوترونی مانند یک هسته غول‌پیکر است، اما وقتی شما یک و نیم جرم خورشیدی از این مواد را داشته باشید، یعنی حدود 500000 جرم زمین از هسته که همه به هم چسبیده‌اند، اصلاً مشخص نیست که آنها چگونه رفتار خواهند کرد.
این ویدئوی 2014 ناسا، تپ‌اخترهای بیوه سیاه و چگونگی کشف تپ اخترهای بیوه سیاه توسط ستاره شناسان به نام PSR J1311-3430 را توضیح می‌دهد که اولین مورد از نوع خود است که تنها از طریق مشاهدات پرتو گاما کشف شده است. اعتبار: مرکز پرواز فضایی گوددارد ناسا
راجر دبلیو رومانی، استاد اخترفیزیک در دانشگاه استنفورد، خاطرنشان کرد که ستارگان نوترونی آنقدر چگال هستند – 1 اینچ مکعب وزنی بیش از 10 بیلیون تن دارد – که هسته آنها چگالترین ماده در جهان است که سیاهچاله‌ها ندارد، زیرا در پشت آنها پنهان شده‌اند. مطالعه افق رویداد آنها غیرممکن است. ستاره نوترونی، یک تپ اختر با نام PSR J0952-0607، متراکم‌ترین جرم در دید زمین است.
اندازه‌گیری جرم ستاره نوترونی به لطف حساسیت فوق‌العاده تلسکوپ 10 متری Keck I در Maunakea در هاوایی امکان‌پذیر شد که به تازگی قادر به ثبت طیفی از نور مرئی از ستاره همدم بسیار درخشان بود که اکنون کاهش یافته است. به اندازه یک سیاره گازی بزرگ ستارگان حدود 3000 سال نوری از زمین در جهت صورت فلکی سکستانت فاصله دارند.
PSR J0952-0607 که در سال 2017 کشف شد، به عنوان یک تپ اختر “بیوه سیاه” نامیده می‌شود (در قیاس با تمایل عنکبوتهای بیوه سیاه ماده به مصرف نر بسیار کوچکتر پس از جفت‌گیری). فیلیپنکو و رومانی بیش از یک دهه است که روی سیستم‌های بیوه سیاه مطالعه می‌کنند، به این امید که حد بالایی را در مورد چگونگی رشد ستاره‌های نوترونی/تپ اخترهای بزرگ تعیین کنند.
رومانی که استاد فیزیک در دانشکده علوم انسانی و علوم استنفورد و عضو موسسه اخترفیزیک ذرات و کیهان شناسی کاولی است، می‌گوید: «با ترکیب این اندازه‌گیری با چندین بیوه سیاه‌پوست دیگر، نشان می‌دهیم که ستاره‌های نوترونی باید حداقل به این جرم برسند ( 2.35 مثبت یا منهای 0.17 جرم خورشید). این امر به نوبه خود برخی از قوی‌ترین محدودیت‌ها را بر روی خاصیت ماده با چگالی چند برابری فراهم می‌کند که در هسته‌های اتمی مشاهده می‌شود،.
محققان می‌گویند اگر جرم 2.35 خورشیدی نزدیک به حد بالایی ستاره‌های نوترونی باشد، احتمالاً فضای داخلی سوپ نوترون‌ها و همچنین کوارک‌های بالا و پایین – اجزای تشکیل دهنده پروتون‌ها و نوترون‌های عادی – است، اما نه ماده عجیب و غریبی مانند کوارک های «عجیب» یا کائون‌ها که ذرات حاوی کوارک عجیبی هستند.
ستاره‌شناسان سرعت یک ستاره کم نور (دایره سبز) را اندازه‌گیری کردند که توسط یک همراه نامرئی، یک ستاره نوترونی و یک تپ اختر میلی‌ثانیه‌ای، تقریباً کل جرمش را از دست داده است، و آنها تشخیص دادند که پرجرم ترین ستاره ای است که تاکنون پیدا شده و شاید حد بالایی برای ستارگان نوترونی باشد. . اعتبار: رصدخانه دبلیو ام کک، راجر دبلیو رومانی، الکس فیلیپنکو
رومانی گفت: “ماکسیمم جرم بالای ستاره‌های نوترونی نشان می‌دهد که این ستاره مخلوطی از هسته ها و کوارک های بالا و پایین حل شده آنها تا هسته است.” این امر بسیاری از حالت‌های پیشنهادی ماده را حذف می‌کند، به‌ویژه آن‌هایی که دارای ترکیب داخلی عجیب و غریب هستند.»
چقدر می‌توانند رشد کنند؟
اخترشناسان عموماً موافقند که وقتی ستاره‌ای با هسته‌ای بزرگتر از جرم خورشیدی 1.4 در پایان عمر خود فرو می‌ریزد، جسم متراکم و فشرده‌ای را تشکیل می‌دهد که درون آن تحت فشار بالایی قرار دارد که همه اتم‌ها با هم در هم کوبیده می‌شوند و دریایی از نوترون‌ها و اجزای زیرهسته‌ای آنها، کوارکها را تشکیل می‌دهند. این ستاره‌های نوترونی در حال چرخش به دنیا می‌آیند و اگرچه بسیار کم نور هستند که در نور مرئی دیده نمی‌شوند، اما خود را به صورت تپ‌اخترها نشان می‌دهند که پرتوهایی از نور – امواج رادیویی، پرتوهای ایکس یا حتی پرتوهای گاما – منتشر می‌کنند که در حین چرخش، زمین را بسیار شبیه به چرخش پرتو یک فانوس دریایی درخشان می‌کنند.
تپ اخترهای «معمولی» به طور متوسط تقریباً یک بار در ثانیه می‌چرخند و چشمک می‌زنند، سرعتی که با توجه به چرخش طبیعی یک ستاره قبل از فروپاشی آن به راحتی قابل توضیح است. اما برخی تپ اخترها صدها یا تا 1000 بار در ثانیه تکرار می‌کنند که توضیح آن سخت است مگر اینکه ماده روی ستاره نوترونی افتاده باشد و آن را بچرخاند. اما برای برخی از تپ اخترهای میلی‌ثانیه‌ای، هیچ همراهی قابل مشاهده نیست.
یک توضیح ممکن برای تپ اخترهای میلی‌ثانیه‌ای جدا شده این است که هر کدام یک بار یک همراه داشتند، اما آن را به هیچ وجه از بین بردند.
فیلیپنکو گفت: “زمانی که ستاره همراه تکامل می‌یابد و شروع به تبدیل شدن به یک غول سرخ می‌کند، مواد به سمت ستاره نوترونی می‌ریزند و ستاره نوترونی را به سمت بالا می‌چرخاند. با چرخش به سمت بالا، اکنون به طرز باورنکردنی انرژی می‌گیرد و باد ذرات ستاره از نوترون بیرون می‌آید. سپس آن باد به ستاره اهداکننده برخورد می‌کند و شروع به جدا کردن مواد می‌کند و با گذشت زمان، جرم ستاره اهداکننده به جرم یک سیاره کاهش می‌یابد و اگر زمان بیشتری بگذرد، به طور کلی ناپدید می‌شود. آنها در ابتدا تنها نبودند – آنها باید در یک جفت دوتایی قرار می‌گرفتند – اما آنها به تدریج همراهان خود را از بین بردند و اکنون تنها هستند.”
تپ اختر PSR J0952-0607 و ستاره همراه کم نور آن از این داستان منشا تپ اخترهای میلی‌ثانیه‌ای پشتیبانی می‌کنند.
رومانی می‌گوید: «این اجرام سیاره‌مانند پسماند ستارگان عادی هستند که به جرم و حرکت زاویه‌ای کمک می‌کنند، جفت‌های تپ‌اختر خود را تا دوره‌های میلی‌ثانیه می‌چرخانند و در این فرآیند جرم خود را افزایش می‌دهند.
فیلیپنکو می گوید: «در صورت ناسپاسی کیهانی، تپ اختر بیوه سیاه که بخش بزرگی از جفت خود را بلعیده است، اکنون همدم را گرم و تبخیر می کند تا توده‌های سیاره‌ای و شاید نابودی کامل را به همراه داشته باشد.
تپ اخترهای عنکبوتی شامل ردبک ها و تایدارنها هستند
یافتن تپ اخترهای بیوه سیاه که در آنها همدم کوچک است، اما آنقدر کوچک نیست که بتوان آن را تشخیص داد، یکی از معدود روشهای وزن ستارگان نوترونی است. در مورد این منظومه دوتایی، ستاره همراه – که اکنون تنها 20 برابر جرم مشتری است – توسط جرم ستاره نوترونی منحرف شده و به طور جزر و مدی قفل شده است، شبیه به روشی که قمر ما در مدار قفل شده است، به طوری که ما فقط یک سمت را می‌بینیم. سمت رو به ستاره نوترونی تا دمای حدود 6200 کلوین یا 10700 درجه فارنهایت گرم می‌شود که کمی داغتر از خورشید ما است و به اندازه کافی روشن است که بتوان با یک تلسکوپ بزرگ آن را دید.
فیلیپنکو و رومانی در شش نوبت طی چهار سال گذشته تلسکوپ Keck I را روی PSR J0952-0607 چرخانده و هر بار با طیف‌سنج تصویربرداری با وضوح پایین در تکه‌های 15 دقیقه‌ای رصد کردند تا همراه کم نور را در نقاط خاصی در مدار 6.4 ساعته‌اش بگیرند. از تپ اختر با مقایسه طیف‌ها با طیف ستاره‌های مشابه خورشید، آنها توانستند سرعت مداری ستاره همراه را اندازه‌گیری کنند و جرم ستاره نوترونی را محاسبه کنند.
فیلیپنکو و رومانی تاکنون حدود دوازده سیستم بیوه سیاه را مورد بررسی قرار داده‌اند، اگرچه تنها شش مورد ستاره‌های همدم آنقدر درخشان بودند که به آنها اجازه محاسبه جرم را می‌دادند. همه ستارگان نوترونی درگیر جرم کمتری نسبت به تپ اختر PSR J0952-060 دارند. آنها امیدوارند بیشتر تپ اخترهای بیوه سیاه و همچنین پسرعموهایشان را مطالعه کنند: تپ اخترهای قرمز که به خاطر معادل استرالیایی تپ اخترهای بیوه سیاه نامگذاری شده‌اند که همراهانی نزدیک به یک دهم جرم خورشید دارند و چیزی که رومانی آن را تایدارن (tidarrens) نامید – جایی که همدم در حدود یک صدم جرم خورشید است (به نام یکی از بستگان عنکبوت بیوه سیاه). نر این گونه، Tidarren sisyphoides، حدود 1٪ از اندازه ماده است.
فیلیپنکو گفت: ما می‌توانیم به دنبال بیوه‌های سیاه و ستارگان نوترونی مشابهی باشیم که حتی نزدیک‌تر به لبه سیاهچاله حضور دارند. اما اگر هیچ کدام را پیدا نکنیم، این استدلال را تشدید می‌کنیم که 2.3 جرم خورشیدی حد واقعی است که فراتر از آن به سیاهچاله تبدیل می‌شوند.
رومانی افزود: «این دقیقاً در مرز کاری است که تلسکوپ کک می‌تواند انجام دهد، بنابراین به جز شرایط رصد فوق‌العاده، سخت‌تر کردن اندازه‌گیری PSR J0952-0607 احتمالاً در انتظار عصر تلسکوپ 30 متری است».
ترجمه: نجمه قاسمی
Heaviest neutron star to date is a ‘black widow’ eating its mate
by Robert Sanders, University of California – Berkeley JULY 26, 2022
https://phys.org/news/2022-07-heaviest-neutron-star-date-black.html