کشف یکی از سنگین‌ترین ستاره های نوترونی

پژوهشگران گروه نجوم و اختر‌فیزیک UPC و موسسه‌ی اختر‌فیزیک جزایر قناری (IAC) از روش جدیدی برای یک ستاره‌ی نوترونی بسیار سنگین استفاده کردند. این ستاره‌ی نوترونی، یکی از سنگین‌ترین ستاره‌ها‌ی تا به حال دیده شده است و جرم آن حدود ۲.۳ جرم خورشید است. مقاله‌ی این پژوهش در تاریخ ۲۳ می در مجله‌ی Astrophysical Journal منتشر شد و راه تازه‌ای برای پژوهش در زمینه‌ها‌ی مختلف اختر‌فیزیک و فیزیک هسته‌ای ایجاد کرده است.

ستاره‌ها‌ی نوترونی که معمولا با نام پالسار شناخته می‌شوند، بقایا‌ی ستاره‌هایی هستند که به پایان دوره‌ی تحولات خود رسیده‌اند: این ستاره‌ها، از مرگ ستارگان پرجرمی که بین ۱۰ تا ۳۰ برابر جرم خورشید هستند، باقی می‌مانند. جرم ستاره‌ها‌ی نوترونی از جرم خورشید بیش‌تر است و با این حال، قطر آن‌ها حدود ۲۰ کیلومتر است. بنابر این چگالی این ستاره‌ها بسیار زیاد است.

پژوهشگران دانشگاه پلی‌تکنیک کاتانولیا (UPC) به همراه موسسه‌ی اختر‌فیزیک جزایر قناری (IAC)، روش جدیدی را برای بررسی یکی از سنگین‌ترین ستاره‌ها‌ی نوترونی شناخته‌شده تا به امروز، به‌کار گرفتند. ستاره‌ی نوترونی مورد نظر در سال ۲۰۱۱ کشف شده است و به‌نام PSR J2215+5135 شناخته می‌شود. این ستاره که تقریبا ۲/۳ جرم خورشید را دارد یکی از سنگین‌ترین ستاره‌ها در میان ۲۰۰۰ ستاره‌ی نوترونی شناخته‌شده‌ی تاریخ است. با اینکه در یکی از مقاله‌ها‌ی منتشر‌شده در سال ۲۰۱۱، یک ستاره‌ی نوترونی با جرم ۲/۴ جرم خورشید معرفی شد، سنگین‌ترین ستاره‌ها‌ی نوترونی مورد توافق دانشمندان، در  سال‌ها‌ی ۲۰۱۰ و ۲۰۱۳ گزارش شدند و هر کدام دو برابر خورشید جرم دارند. 

این پژوهش توسط پژوهشگران گروه نجوم و اختر‌فیزیک (GAA) به‌نام‌ها‌ی منوئل لینارس و ماری کوری هدایت شده است و به موسسه‌ی فیزیک UPC با همکاری منجمانی به‌نام‌ها‌ی طریق شهباز و جورج کازارس از IAC مرتبط شده است. پژوهشگران این گروه از داده‌ها‌ی تلسکوپ GTC، بزرگ‌ترین تلسکوپ نوری مادون‌قرمز در جهان، تلسکوپ ویلیام هرشل (WHT)، گروه تلسکوپ ایزاک نیوتن (ING) و تلسکوپ IAC_80 به صورت هم‌زمان استفاده کردند و داده‌ها را با مدل‌ها‌ی دینامیکی تابش ستاره‌ها‌ی دو‌تا‌یی ترکیب کردند. مقاله‌ای شامل نتایج این پژوهش با عنوان: خیره به تاریکی: خطوط منیزیوم ستاره‌ی نوترونی سنگین PSR J2215+5135 را نشان می‌دهند در Astrophysical Journal منتشر شد.

روش جدید اندازه‌گیری

تیم پژوهشی، روش بسیار دقیقی را در مقایسه با روش‌ها‌ی قبلی دیگران برای اندازه‌گیری جرم ستاره‌ها‌ی نوترونی در یک دو‌تا‌یی جفت شده به‌کار گرفتند. ستاره‌ی PSR J2215+5135 جزئی از یک سیستم دو‌تایی است که در این سیستم دو ستاره، حول مرکز جرم سیستم در حال گردش هستند. در این سیستم، یک ستاره‌ی معمولی مانند خورشید، با یک ستاره‌ی نوترونی جفت می‌شود و ستاره‌ی معمولی به‌شدت توسط ستاره‌ی نوترونی روشن می‌شود.

هر‌چه جرم ستاره‌ی نوترونی بیش‌تر باشد، ستاره‌ی دیگر در مدار خود سریع‌تر حرکت می‌کند. در این روش جدید اندازه‌گیری، خطوط طیفی هیدورژن و منیزیوم برای اندازه‌گیری سرعت ستاره‌ی جفت استفاده می‌شود. این روش برای اولین بار امکان بررسی هر دو ستاره‌ی این سیستم (ستاره‌ی مورد تابش قرار گرفته و ستاره‌ی در سایه قرار گرفته) را به تیم مورد نظر داده است و نشان داده است که یک ستاره‌ی نوترونی می‌تواند جرمی بیش‌تر از دو برابر جرم خورشید داشته باشد.

این روش می‌تواند به جمعیت در حال رشد ستاره‌ها‌ی نوترونی تعمیم داده شود. در ۱۰ سال گذشته، تلسکوپ Fermi_LAT ناسا چندین ستاره‌ی نوترونی شبیه به PSR J2215+5135 را آشکار کرده است. در اصل این روش می‌تواند برای اندازه‌گیری جرم سیاهچاله‌ها و کوتوله‌ها‌ی سفید (بقایای ستار‌ه‌ها‌یی با جرم بین ۱۰ تا ۳۰ برابر جرم خورشید)، زمانی که در یک سیستم دو‌تا‌یی قرار می‌گیرند نیز به‌کار گرفته شود.

چگال‌تر از یک هسته اتمی

تعیین بیشینه‌ی جرمی که یک ستاره‌ی نوترونی می‌تواند داشته باشد، تاثیرات بسیار مهمی در زمینه‌ها‌ی مختلف مانند اختر‌فیزیک و فیزیک هسته‌ای خواهد داشت. بر‌هم‌کنش‌ها‌ی داخل یک هسته (بر‌هم‌کنش بین نوترون‌ها و پروتون‌ها‌ی سازنده‌ی هسته‌ی اتم) در چگالی‌ها‌ی بالا، امروزه یکی از بزرگ‌ترین معما‌ها‌ی فیزیک هستند. ستاره‌ها‌ی نوترونی، آزمایشگاهی طبیعی برای بررسی چگال‌ترین و بر‌انگیخته‌ترین حالت‌ها‌ی ماده است. 

نتایج پروژه نشان می‌دهند که به دلیل جرم حدود ۲/۳ جرم خورشید، نیروی دافعه‌ی بین ذرات در هسته‌ی ستاره‌ها‌ی نوترونی باید بسیار شدید باشد. این نشان می‌دهد که شاید بتوانیم ذراتی مانند کوارک‌ها‌ی آزاد را در هسته‌ی یک ستاره‌ی نوترونی پیدا کنیم.