بررسی اسرار ستارگان نوترونی با یک آنالوگ شگفت انگیز زمینی
گازهای فوق سرد در آزمایشگاه می‌توانند به دانشمندان در درک بهتر جهان کمک کنند.
مفهوم هنری از ستاره نوترونی
اگرچه برخی از ستاره‌های نوترونی را می‌توان با پالس‌های تابشی شناسایی کرد که ساطع می‌کنند، اما عملکرد اسرارآمیز درونی ستارگان تقریبا غیرقابل شناسایی است. فیزیکدانان امیدوارند با آزمایش مواد مشابه در آزمایشگاههای روی زمین، درباره ماهیت این اجساد ستاره‌ای فوق‌چگال اطلاعات بیشتری کسب کنند. اعتبار: آزمایشگاه تصویر مفهومی مرکز پرواز فضایی گوددارد ناسا
از زمانی که ستاره‌های نوترونی کشف شدند، محققان از خواص غیرعادی آنها برای کاوش در جهان ما استفاده کردند. ستارگان نوترونی، بقایای فوق چگال انفجارهای ستاره ای، جرمی بزرگتر از خورشید را در توپی به پهنای سانفرانسیسکو جمع می‌کنند. وزن یک فنجان از این ماده ستاره‌ای تقریباً به اندازه قله اورست است.
این اجرام عجیب و غریب آسمانی می‌توانند ما را از آشفتگیهای دور در بافت فضازمان آگاه کنند، در مورد شکل‌گیری عناصر به ما بیاموزند، و اسرار نحوه عملکرد گرانش و فیزیک ذرات در برخی از شدیدترین شرایط جهان را باز کنند.
ونسا گرابر، اخترفیزیکدان از موسسه علوم فضایی بارسلونا، می گوید: «آنها در مرکز بسیاری از سؤالات باز در نجوم و اخترفیزیک قرار دارند.
اما برای تفسیر دقیق برخی از سیگنالهای ستارگان نوترونی، محققان ابتدا باید بفهمند که در درون آنها چه می‌گذرد. آنها تصورات خود را دارند، اما آزمایش مستقیم روی یک ستاره نوترونی قابل بحث نیست. بنابراین دانشمندان به روش دیگری برای آزمایش نظریه‌های خود نیاز دارند. رفتار ماده در چنین جسم فوق چگالی آنقدر پیچیده است که حتی شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نیز در حد کار نیستند. اما محققان فکر می‌کنند که ممکن است راه حلی پیدا کرده باشند: یک آنالوگ زمینی.
اگرچه ستارگان نوترونی جوان می‌توانند در درون خود دمای میلیون‌ها درجه داشته باشند، با یک معیار انرژی مهم، نوترون‌ها «سرد» در نظر گرفته می‌شوند. فیزیکدانان فکر می‌کنند این ویژگی است که می‌توانند از آن برای مطالعه عملکرد درونی ستارگان نوترونی استفاده کنند. محققان به جای نگاه کردن به آسمان، به ابرهای اتمهای فوق سردی نگاه می‌کنند که در آزمایشگاههای اینجا روی زمین ایجاد شده‌اند و این ممکن است به آنها کمک کند در نهایت به برخی از سؤالات قدیمی در مورد این اشیاء مرموز پاسخ دهند.
این اجرام عجیب و غریب آسمانی می‌توانند ما را از آشفتگیهای دور در بافت فضازمان آگاه کنند، در مورد شکل‌گیری عناصر به ما بیاموزند و اسرار نحوه عملکرد گرانش و فیزیک ذرات در برخی از شدیدترین شرایط جهان را باز کنند.
ونسا گرابر، اخترفیزیکدان از موسسه علوم فضایی بارسلونا، می گوید: «آنها در مرکز بسیاری از سؤالات باز در نجوم و اخترفیزیک قرار دارند.
اما برای تفسیر دقیق برخی از سیگنالهای ستارگان نوترونی، محققان ابتدا باید بفهمند که در درون آنها چه می‌گذرد. آنها تصورات خود را دارند، اما آزمایش مستقیم روی یک ستاره نوترونی قابل بحث نیست. بنابراین دانشمندان به روش دیگری برای آزمایش نظریه‌های خود نیاز دارند. رفتار ماده در چنین جسم فوق چگالی آنقدر پیچیده است که حتی شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نیز قادر به کار در این مورد نیستند. اما محققان فکر می‌کنند که ممکن است راه حلی پیدا کرده باشند: یک آنالوگ زمینی.
اگرچه ستارگان نوترونی جوان می‌توانند در درون خود دمای میلیون‌ها درجه داشته باشند، با یک معیار انرژی مهم، نوترون‌ها «سرد» در نظر گرفته می‌شوند. فیزیکدانان فکر می کنند این ویژگی است که می‌توانند از آن برای مطالعه عملکرد درونی ستارگان نوترونی استفاده کنند. محققان به جای نگاه کردن به آسمان، به ابرهای اتمهای فوق سردی نگاه می‌کنند که در آزمایشگاههای اینجا روی زمین ایجاد شده‌اند و این ممکن است به آنها کمک کند در نهایت به برخی از سؤالات قدیمی در مورد این اشیاء مرموز پاسخ دهند.
وجود ستاره‌های نوترونی برای اولین بار در سال 1934، دو سال پس از کشف خود نوترون، زمانی که ستاره‌شناسان والتر بااد و فریتز زویکی به این فکر افتادند که آیا یک جرم آسمانی مطرح شد که تماماً از نوترون ساخته شده است، ممکن است پس از یک انفجار ابرنواختری باقی بماند. اگرچه آنها همه جزئیات را به درستی دریافت نکردند، ایده کلی آنها اکنون به طور گسترده پذیرفته شده است.
ستارگان با آمیختن هسته‌های اتمهای سبکتر به هسته‌های اتمهای سنگین تر، خود را نیرو می‌دهند. اما وقتی ستاره‌ها از اتمهای سبکتر به پایان می‌رسند، همجوشی هسته‌ای متوقف می‌شود و دیگر فشار بیرونی برای مبارزه با نیروی گرانش درونی وجود ندارد. هسته فرو می‌ریزد و لایه بیرونی ستاره به سمت داخل حرکت می‌کند. هنگامی که این لایه به هسته متراکم برخورد می‌کند، به سمت بیرون منفجر می‌شود و یک ابرنواختر تولید می‌کند. هسته متراکمی که پس از آن باقی می‌ماند یک ستاره نوترونی است.
وجود ستاره‌های نوترونی برای اولین بار در سال 1934، دو سال پس از کشف خود نوترون، زمانی که ستاره‌شناسان والتر باده و فریتز زویکی به این فکر افتادند که آیا یک جرم آسمانی مطرح شد که تماماً از نوترون ساخته شده است، ممکن است پس از یک انفجار ابرنواختری باقی بماند. اگرچه آنها همه جزئیات را به درستی دریافت نکردند، ایده کلی آنها اکنون به طور گسترده پذیرفته شده است.
ستارگان با آمیختن هسته‌های اتمهای سبکتر به هسته‌های اتمهای سنگین‌تر، نیرو می‌گیرند. اما وقتی اتمهای سبکتر ستاره‌ها به پایان می‌رسد، همجوشی هسته‌ای متوقف می‌شود و دیگر فشار بیرونی برای مبارزه با نیروی گرانش درونی وجود ندارد. هسته فرو می‌ریزد و لایه بیرونی ستاره به سمت داخل حرکت می‌کند. هنگامی که این لایه به هسته متراکم برخورد می‌کند، به سمت بیرون منفجر می شود و یک ابرنواختر تولید می‌کند. هسته متراکمی که پس از آن باقی می‌ماند یک ستاره نوترونی است.
سحابی خرچنگ
بقایای یک ابرنواختر که در سال 1054 مشاهده شد، سحابی خرچنگ حاوی یک ستاره نوترونی به سرعت در حال چرخش است که به عنوان تپ اختر شناخته می‌شود. اعتبار: ناسا: اشعه ایکس: چاندرا (CXC)، نوری: هابل (STScI)، مادون قرمز: اسپیتزر (JPL-Caltech)
تا دهه 1960 بود که ستاره‌های نوترونی فرضی والتر باده و فریتز زویکی سرانجام کشف شدند. جوسلین بل برنل، ستاره‌شناس رادیویی، هنگام کار به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه کمبریج متوجه سیگنال موج رادیویی عجیب و منظم از فضا شد. او چیزی را تشخیص می‌داد که قبلاً هرگز دیده نشده بود: یک نوع خاص از ستاره نوترونی به نام تپ اختر که پرتوهای تابش را در فواصل زمانی منظم مانند یک فانوس دریایی می‌چرخد.
از آن زمان تاکنون هزاران ستاره نوترونی کشف شده‌اند. ستاره‌های نوترونی به‌عنوان برخی از چگال‌ترین و پرفشارترین اجرام در کیهان، ممکن است به ما کمک کنند تا درباره آنچه بیاموزیم که در چگالی بسیار بالا برای ماده رخ می‌دهد. درک ساختار آنها و رفتار ماده نوترونی که آنها را تشکیل می‌دهد برای فیزیکدانان از اهمیت بالایی برخوردار است.
دانشمندان قبلاً می‌دانند که نوترون‌ها، پروتون‌ها و سایر ذرات زیراتمی که یک ستاره نوترونی را تشکیل می‌دهند، بسته به اینکه در کجای ستاره هستند، خود را به‌طور متفاوتی ترتیب می‌دهند. در بخش‌های خاصی، آنها مانند مولکول‌های آب در یک بلوک یخ بسته می‌شوند. در برخی دیگر، آنها مانند یک سیال بدون اصطکاک جریان دارند و می‌چرخند. اما فیزیکدانان مطمئن نیستند که این گذار دقیقا کجا اتفاق می‌افتد و مراحل مختلف ماده چگونه رفتار می‌کنند.
به نظر می‌رسد یک ستاره فوق چگال که از یک گلوله آتشین هسته‌ای متولد شده است، در چهره‌اش، اشتراکات بسیار کمی با ابر رقیق ذرات فوق سرد داشته باشد. اما آنها می‌توانند حداقل یک ویژگی مفید را به اشتراک بگذارند: هر دو زیر آستانه‌ای هستند که به عنوان دمای فرمی شناخته می‌شود که به ماده‌ای که هر سیستم از آن ساخته شده بستگی دارد – و بر اساس آن محاسبه می‌شود. سیستمی که بسیار بالاتر از این دما باشد تا حد زیادی مطابق با قوانین فیزیک کلاسیک رفتار می‌کند. اگر بسیار پایینتر باشد، رفتار آن توسط مکانیک کوانتومی کنترل می‌شود. کریستوفر پتیک، فیزیکدان نظری بررسی علوم هسته‌ای در مؤسسه نیلز بور در کپنهاگ و نویسنده همکار در بررسی اولیه ستارگان نوترونی در سال 1975، می‌گوید برخی گازهای فوق سرد و مواد ستاره نوترونی می‌توانند بسیار کمتر از دمای فرمی خود باشند و در نتیجه می‌توانند به روش‌های مشابهی عمل کنند.
ماده ای که کمتر از دمای فرمی خود باشد می‌تواند از قوانین جهانی به طور قابل ملاحظه‌ای تبعیت کند. این جهانی بودن بدان معناست که در حالی که ما دسترسی آسانی به ماده ستاره نوترونی چند میلیون درجه نداریم، می‌توانیم با آزمایش گازهای فوق سردی که می‌توان در اتاقک‌های خلاء آزمایشگاهی روی زمین ایجاد و دستکاری کرد، در مورد برخی از رفتارهای آن بیاموزیم.
جیمز لاتیمر اخترفیزیکدان نظری از دانشگاه استونی بروک در نیویورک، نویسنده خلاصه‌ای از علم ماده هسته‌ای در سال 2012 بررسی سالانه علوم هسته ای و ذرات، به حالتی نظری به نام گاز واحد علاقه ویژه‌ای دارد. یک گاز زمانی واحد است که حوزه نفوذ هر یک از ذرات آن بینهایت شود، به این معنی که آنها بدون توجه به فاصله آنها بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند. چنین چیزی در واقعیت غیرممکن است، اما ابرهای اتمی فوق سرد می‌توانند به گاز واحد نزدیک شوند – و همینطور ماده درون ستاره‌های نوترونی. لاتیمر می گوید: «این شبیه به گاز واحد است، اما یک گاز واحد کامل نیست.»
برای مدت طولانی، رابطه دقیق بین فشار گاز و چگالی آن برای محاسبه دقیق بسیار پیچیده بود. اما هنگامی که فیزیکدانان تجربی توانایی کنترل ابرهای اتمهای سرد و تنظیم آنها را برای نزدیک شدن بسیار بسیار به یک گاز واحد توسعه دادند، راه جدیدی را برای تعیین ویژگیهای چنین گازی باز کرد: به جای تلاش برای درگیری ریاضی سخت در کامپیوتر با گاز، به سادگی آن را مستقیما اندازه گیری کنید.
این ابرهای اتمی فوق سرد در واقع به گاز واحد بودن نسبت به ماده ستاره نوترونی نزدیکتر هستند، بنابراین این تشبیه کامل نیست. اما به اندازه کافی نزدیک است که لاتیمر توانسته است اندازه‌گیری‌های تقریباً واحدی گاز را از ابرهای اتم سرد بگیرد و آنها را روی ماده نوترونی به کار گیرد تا برخی از مدل‌های نظری را اصلاح کند که عملکرد درونی ستاره‌های نوترونی را توصیف می‌کنند و آزمایش‌ها با اتمهای سرد می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا نظریه‌هایی فیزیکی توسعه دهند که ممکن است در برخی از پدیده‌های غیرقابل توضیح ستاره‌های نوترونی نقش داشته باشد.
به طور خاص، گرابر و دانشمندان دیگر امیدوارند سرنخ هایی را برای یکی از بزرگترین اسرار، به نام اشکالات تپ اختر پیدا کنند. به طور کلی، تیک تاک زمان بندی شده یک “ساعت” تپ اختری آنقدر قابل اعتماد است که دقت آن با ساعتهای اتمی رقابت می‌کند. اما نه همیشه: گاهی اوقات، سرعت چرخش تپ اختر به طور ناگهانی افزایش می‌یابد و باعث ایجاد اشکال می‌شود. این صدای اضافی از کجا می آید، مشخص نیست. پاسخ این است که چگونه این ماده در یک ستاره نوترونی حرکت می‌کند.
هم گازهای سرد و هم ماده نوترونی در برخی از قسمت‌های یک ستاره نوترونی ابر سیال هستند – ذرات بدون هیچ اصطکاک در جریان هستند. هنگامی که یک ابر سیال می‌چرخد، گردابهایی ایجاد می‌شود. اینکه دقیقاً چگونه این گردابها با یکدیگر و ساختارهای دیگر درون یک ستاره نوترونی در حال چرخش حرکت می‌کنند و برهم کنش دارند، هنوز یک سوال بدون جواب است. مایکل مک نیل فوربس در دانشگاه ایالتی واشنگتن در پولمن فیزیک نظری می‌گوید: «احتمالاً این شبکه گردابهای منظم و خوب نیست. «ممکن است درهم پیچیده ای از گرداب ها در کل ستاره باشد. ما نمی‌دانیم.»
فوربس و دیگران گمان می‌کنند که اشکالاتی که در چرخش تپ‌اخترها مشاهده می‌کنند، ارتباطی با نحوه چسباندن این گردابها به ساختارهای ستاره دارد. به طور کلی، یک گرداب منفرد آزادانه در اطراف یک سیال می‌چرخد. اما زمانی که سیال حاوی یک ناحیه فشرده از ماده باشد که مانع حرکت گرداب می‌شود، گرداب متوقف می‌شود و گاهی اوقات حتی بازوهای چرخان خود را به دور جسم صلب می‌پیچد و خود را طوری قرار می‌دهد که مرکز آن درست بالای آن قرار گیرد.
گردابهای ابر سیال
گردابهای ابر سیال هم در ستاره‌های نوترونی و هم در ابرهای اتمهای سرد یافت می‌شوند. فیزیکدانان با استفاده از نور لیزر و تله‌های مغناطیسی برای دستکاری ابرها، این موارد را در اتمهای سرد مطالعه می‌کنند. در اینجا، دانشمندان شکل‌گیری و پوسیدگی گردابها (نقاط تاریک) در ابرها را در مدت زمان فزاینده (از 25 میلی‌ثانیه، بالا سمت چپ، تا 40 ثانیه، پایین سمت راست) مورد مطالعه قرار دادند. مطالعات اضافی به این امر می‌پردازند که وقتی چنین گردابهایی حرکت یا برهم کنش می‌کنند چه اتفاقی می‌افتد. اعتبار: J.R. Abo-Shaeer et al./Science 2001
گردابها تمایل دارند به این شکل وصل شوند، اما گاهی اوقات می‌توانند اتصال را باز کنند و از جسم دور شوند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، جریان سیال گشتاوری را بر جسم وارد می‌کند. اگر صدها هزار گرداب به طور همزمان از ساختارهای مختلف یک ستاره نوترونی جدا شوند، ناگهان می‌توانند چرخش ستاره را تسریع کنند. فوربس توضیح می‌دهد که چگونه بسیاری از گردابها می‌توانند به یکباره اتصالشان را باز کنند: «مثل انداختن شن روی یک توده شن – هیچ چیز واقعاً اتفاق نمی‌افتد تا زمانی که … یک بهمن کامل را تجربه کنید.»
اما برای رایانه‌های کلاسیک تقریباً غیرممکن است که همه پیچیدگی‌های رقص این همه گرداب را به طور همزمان محاسبه کنند. بنابراین فوربس قصد دارد با گروه‌های آزمایشی استفاده کند که می‌توانند این گردابها را در ابرهای اتمهای سرد خود تشکیل دهند و ببینند چه اتفاقی می‌افتد. او می‌گوید، ایده این است که از «آزمایش‌های اتم سرد به‌عنوان رایانه‌های کوانتومی آنالوگ برای محاسبه چیزهایی استفاده کنیم که به روش دیگری نمی‌توانیم انجام دهیم».
محققان مشغول بررسی این موضوع هستند که چگونه سایر پدیده‌های فوق سردی که به طور مرتب در آزمایشگاه می‌بینند می‌توانند الهام بخش تحقیقات جدیدی در مورد رفتار ستاره‌های نوترونی باشند. اخیراً گرابر و همکارانش احتمالات زیادی را بیان کردند که برای انتشار همه آنها به 125 صفحه نیاز داشتند. در سال 2019، ده‌ها ستاره‌شناس، فیزیکدان هسته‌ای و فیزیکدان اتمی فوق سرد از سراسر جهان گرد هم آمدند تا در مورد ارتباطات شگفت انگیز بین رشته‌های خود بحث کنند. محققان تازه شروع به آزمایش برخی از ایده‌های تولید شده توسط این طوفان‌های مغزی کرده‌اند.
با تلسکوپ‌های بهتر و روش‌های جدید برای جمع‌آوری ویژگیهای درونی غیرقابل کشف یک ستاره نوترونی، دانشمندان می‌توانند امیدوار باشند که تا چه حد می‌توان این قیاس بین اتمهای سرد و ستاره‌های نوترونی را دریافت کرد.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
Probing the mysteries of neutron stars with a surprising earthly analog
By Katie McCormick | Published: July 28, 202
https://www.astronomy.com/science/probing-the-mysteries-of-neutron-stars-with-earthly-analog/