روشی برای کشف مهیب‌ترین ادغام‌های گیتی قبل از وقوع!

به گزارش ایسنا و به نقل از اسپیس، ستاره‌های نوترونی، هسته‌های بسیار متراکم ستارگان بزرگ مرده هستند که به سمت یکدیگر یا به درون یک سیاه‌چاله حرکت می‌کنند و می‌توانند امواج جزر و مدی(کِشَندی) را در اقیانوس‌هایی از ذرات باردار سنگین اطراف خود ایجاد کنند.

محققان دریافته‌اند این امواج کشندی، خود را از طریق جرقه‌های منظمی از تابش الکترومغناطیسی نشان می‌دهند که می‌تواند به عنوان یک سیستم هشدار اولیه برای ادغام قریب‌الوقوع عمل کند.

ستاره‌های نوترونی احتمالاً افراطی‌ترین اجرام در جهان هستند. درست است که سیاه‌چاله‌ها ممکن است عجیب‌تر باشند، اما آنها نسبتاً ساده هستند، چرا که فقط گرانش بسیار زیادی دارند. در مقابل، ستاره‌های نوترونی اساساً هسته‌های اتمی غول‌پیکری هستند و مسائل فیزیکی جالب و پیچیده‌ای دارند که سیاه‌چاله‌ها دارای آن نیستند.

یک ستاره نوترونی معمولی فقط چند کیلومتر عرض دارد، اما می‌تواند تا چند برابر جرم خورشید جرم داشته باشد. آنها تقریباً به طور کامل از نوترون ساخته شده‌اند، از همین رو نام آن را ستاره نوترونی گذاشته‌اند، اما حاوی جمعیت‌هایی از الکترون‌های سست، پروتون‌ها و یون‌های هسته‌های سنگین هستند. آنها از ابرنواخترها که انفجار ستارگان پرجرم در حال مرگ هستند، متولد می‌شوند و برخی از آنها می‌توانند میزبان قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی در کل جهان هستی باشند.

فضای داخلی ستارگان نوترونی از اسرارآمیزترین مسائل کیهان است، زیرا فشارها و چگالی آن آنچنان شدید است که فراتر از دانش فعلی ما از فیزیک است. برخی مدل‌ها نشان می‌دهند که هسته‌ها صرفاً یک حباب همگن از نوترون‌ها هستند، در حالی که برخی دیگر اشاره می‌کنند که خود نوترون‌ها به کوارک‌های تشکیل‌دهنده خود تجزیه می‌شوند.

فراتر از هسته داخلی، بخش جامد و صافی از نوترون‌ها قرار دارد که به آرامی به الگوهای پیچیده‌تری مانند توده‌ها و رشته‌ها تبدیل می‌شوند و در مجموع به عنوان "پاستای هسته‌ای" شناخته می‌شوند.

تصور می‌شود که پوسته بیرونی یک ستاره نوترونی از الکترون‌ها و نوترون‌های اَبَرسیال تشکیل شده است که هرچه به سطح نزدیک‌تر می‌شود، جای خود را به شبکه بلوری می‌دهد. در نهایت، یک اقیانوس وجود دارد که لایه‌ای از الکترون‌ها، نوترون‌ها و یون‌های مایع در عمق ۱۰ تا ۱۰۰ متری است.

مشاهده رفتار عجیب و غریب ستاره‌های نوترونی

ماهیت بسیار عجیب و غریب ماده در این شرایط که معمولاً نوترون‌های ابرسیال را فقط در اطراف آن پیدا نمی‌کنید، ستاره‌های نوترونی را قادر می‌سازد کاندیدای اصلی برای مطالعه فیزیک شدید باشند. این ایده از زمان کشف "GW ۱۷۰۸۱۷"؛ یک سیگنال موج گرانشی که در کنار تابش الکترومغناطیسی از دو ستاره نوترونی در هم ادغام شده شناسایی شد، تقویت شده است.

این تشخیص مشترک که "اخترشناسی چند پیام‌رسان" نامیده می‌شود، به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تا قلب ستاره‌های نوترونی را آنگونه که تاکنون ممکن نبود، بررسی کنند. اما از زمان اولین تشخیص امواج گرانشی در سال ۲۰۱۷، ما هیچ رویداد ادغام ستاره‌های نوترونی دیگری را ندیده‌ایم که ناامید کننده است، زیرا ستاره‌های نوترونی از بهترین آزمایشگاه‌های طبیعت برای آزمایش فیزیک پرانرژی هستند.

اما اکنون، کشف یک روش جدید برای مشاهده رفتار عجیب ستارگان نوترونی ممکن است به این معنی باشد که ما نیازی به صبر بیش از این نداریم. این کار جدید که در ماه مه در پایگاه داده پیش‌چاپ arXiv منتشر شده است، بر اقیانوس‌های ستاره‌ای نوترونی متمرکز است که علاوه بر الکترون‌ها و نوترون‌های آزاد، می‌توانند حاوی کربن، اکسیژن و آهن نیز باشند. اگرچه این اقیانوس‌ها در مقایسه با عمق کل ستاره نوترونی نسبتا کم‌عمق هستند، اما آنها بیرونی‌ترین لایه(بدون احتساب جو فوق‌العاده نازک آن) و بخشی از ستاره نوترونی هستند که به راحتی به جهان بیرونی واکنش نشان می‌دهد.

محققان به طور مشخص دریافتند که این اقیانوس‌های کم‌عمق می‌توانند از جزر و مد(نیروی کشندی) پشتیبانی کنند، همانطور که اقیانوس‌های روی زمین انجام می‌دهند. اما فعالیت جزر و مدی در یک ستاره نوترونی به کشش گرانشی بسیار بیشتری برای غلبه بر آن همه جاذبه شدید نیاز دارد. جزر و مد در ستارگان نوترونی تنها زمانی ظاهر می‌شود که ستاره نوترونی به اندازه کافی به یک جسم پرجرم و متراکم مانند یک ستاره نوترونی دیگر یا یک سیاه‌چاله نزدیک شده باشد.

خوشبختانه، این نوع از جفت‌ها نسبتاً رایج هستند، زیرا ستارگان تمایل دارند در منظومه‌های متعدد تشکیل شوند و سپس چرخه‌های زندگی خود را ادامه دهند و در نهایت ترکیبی از سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی را پشت سر بگذارند.

فانوس‌های دریایی عجیب و غریب

هنگامی که یک ستاره نوترونی شروع به ادغام با یک ستاره نوترونی دیگر یا یک سیاه‌چاله می‌کند، این اجرام، چند سالی را به آرامی به سمت یکدیگر به صورت مارپیچ حرکت می‌کنند. امواج گرانشی در حین چرخش، انرژی را از این سامانه دور می‌کنند و این جفت را به هم نزدیک‌تر می‌کنند. در نهایت در لحظات پایانی، این ادغام در عرض چند ثانیه به پایان می‌رسد.

اما قبل از اینکه این اتفاق بیفتد، ستاره یا سیاه‌چاله‌ی همراهِ در حال گردش می‌تواند یک مجموعه جزر و مد تشدید کننده را روی ستاره نوترونی ایجاد کند. این جزر و مد می‌تواند فرکانس‌های تا ۱۰۰ مگاهرتز را حفظ کند و تا ۱۰ به توان ۲۹ ژول انرژی حمل کند. برای اینکه بدانید این عدد چقدر زیاد است، بد نیست بدانید که تمام بشریت روی کره زمین هر سال از ۱۰ به توان ۲۰ ژول استفاده می‌کند و همچنین یک موج جزر و مدی تشدید شده از ستاره نوترونی، انرژی بیشتری نسبت به کل انرژی خروجی خورشید ظرف ۱۰ هزار سال دارد.

برخلاف امواج اقیانوس‌های روی زمین، این اقیانوس از پلاسما ساخته شده است. بارهای الکتریکی شدید به این معنی است که با کاهش جزر و مد در اطراف، آنها می‌توانند انفجارهای شدید تابش الکترومغناطیسی را ساطع کنند که می‌تواند به عنوان تابش جرقه‌ای پرتوهای ایکس و گاما ظاهر شود.

محققان بر اساس محاسبات خود تخمین می‌زنند که رصدخانه‌های فضایی مانند تلسکوپ فضایی پرتو گامای "فِرمی" و آرایه تلسکوپ طیف‌سنجی هسته‌ای(NuSTAR) می‌توانند هر ساله تعداد انگشت شماری از ستاره‌های نوترونی را شناسایی کنند و این سیگنال‌ها تا حد ممکن چند سال قبل از ادغام نهایی ظاهر شوند.

با این کار، اخترشناسان می‌توانند تلسکوپ‌ها و رصدخانه‌های خود را آماده کنند تا آماده باشند که لحظه ادغام را دریافت کنند و حتی داده‌های گرانبهای الکترومغناطیسی و امواج گرانشی را بررسی کنند.