دراسة جديدة تكشف أن بنية النجوم النيوترونية تشبه "علبة الشوكولاتة"

اكتشف فريق من العلماء من جامعة غوته في ألمانيا، أن النجوم النيوترونية يمكن أن تشبه مجموعة متنوعة من الشوكولاتة بحشوات مختلفة.

وقام الفريق بدمج الفيزياء النووية النظرية والأرصاد الفيزيائية الفلكية لهذه الأجسام ذات المادة فائقة الكثافة لنمذجة مجموعة من أكثر من مليون "معادلة حالة" تصف الأجزاء الداخلية لهذه النجوم.

ومن خلال حساب سرعة الصوت في النجوم النيوترونية، رجح العلماء أن بنية النجم تعتمد على كتلته، حسب ما أفادوا في دراسة نشرت في مجلة The Astrophysical Journal Letters.

وبمجرد أن ينفد نجم كتلته نحو 8 إلى 30 ضعف كتلة الشمس من المادة لتندمج في لبه، لم يعد مدعوما بالضغط الخارجي للحرارة، ما يسمح للنواة بالانهيار تحت تأثير الجاذبية مع انجراف غلاف الغازات المحيطة به في الفضاء.

والنجم النيوتروني الناتج لديه كتلة مخفضة تصل إلى نحو 2.3 ضعف كتلة الشمس، لكنه مضغوط في كرة يبلغ قطرها نحو 20 كيلومترا فقط.

تقترح بعض الدراسات أن النوى تتجمع معا حتى تشكل أشكالا تشبه المعكرونة. ويقترح البعض الآخر، أن الضغوط تصبح شديدة لدرجة أن النوى الذرية تتوقف تماما عن الوجود، وتتكثف في "حساء" من مادة الكوارك.

والآن، اكتشف علماء الفيزياء نظرية جديدة بقيادة لوتشيانو ريزولا من جامعة غوته كيف يمكن أن تكون النجوم النيوترونية شبيهة بالشوكولاتة ذات الحشوات المختلفة.

وجمع الفريق بين الفيزياء النووية النظرية والأرصاد الفيزيائية الفلكية لتطوير مجموعة من أكثر من مليون "معادلة حالة". وهذه معادلات تربط بين الضغط ودرجة الحرارة والحجم لنظام معين، وهو في هذه الحالة نجم نيوتروني.

وطور الفريق نموذجا يعتمد على المقياس لسرعة الصوت في النجوم النيوترونية. ويمكن لسرعة الصوت في جسم معين، سواء أكان نجما أم كوكبا، أن تكشف عن بنية باطنه.

ومثلما تنتشر الموجات الزلزالية على الأرض والمريخ بشكل مختلف من خلال مواد ذات كثافة مختلفة، وتكشف عن الهياكل والطبقات، فإن الموجات الصوتية التي ترتد في النجوم يمكن أن تكشف ما يحدث بداخلها.

وعندما استخدم الفريق معادلات الحالة الخاصة بهم لدراسة سرعة الصوت في النجوم النيوترونية، لم تكن هياكلها موحدة في جميع المجالات. وبدلا من ذلك، يبدو أن النجوم النيوترونية في الطرف الأدنى من نطاق الكتلة، أقل من 1.7 مرة من كتلة الشمس، لها غطاء اسفنجي ناعم ونواة صلبة، في حين أن النجوم التي تزيد كتلتها عن 1.7 كتلة شمسية، لها بنية عكسية، أي غطاء صلب ولب اسفنجي.

ويقول ريزولا: "هذه النتيجة مثيرة جدا لأنها تعطينا مقياسا مباشرا لمدى انضغاط مركز النجوم النيوترونية. ويبدو أن النجوم النيوترونية تتصرف قليلا مثل حلوى الشوكولاتة: النجوم الفاتحة تشبه تلك الشوكولاتة التي تحتوي على بندق في وسطها محاطة بالشوكولاتة الناعمة، في حين يمكن اعتبار النجوم الثقيلة أشبه بتلك الشوكولاتة، حيث تحتوي الطبقة الصلبة على حشوة ناعمة".

ويبدو أن هذا يتناسب مع كل من تفسيرات المعكرونة النووية وحساء الكوارك لأجزاء النجوم النيوترونية، ولكنه يوفر أيضا معلومات جديدة يمكن أن تساعد في نمذجة النجوم النيوترونية عبر مجموعة من الكتل في الدراسات المستقبلية.

ويمكن أن يفسر هذا أيضا كيف أن جميع النجوم النيوترونية، بغض النظر عن كتلها، لها نفس القطر تقريبا، البالغ نحو 20 كيلومترا.

ويقول الفيزيائي كريستيان إيكر من جامعة غوته: "دراستنا العددية الشاملة لا تسمح لنا فقط بعمل تنبؤات لنصف القطر والكتل القصوى للنجوم النيوترونية، ولكن أيضا لوضع حدود جديدة على تشوهها في الأنظمة الثنائية، أي مدى قوة تشويه بعضها البعض من خلال مجالات الجاذبية الخاصة بهم. وستصبح هذه الرؤى مهمة بشكل خاص لتحديد المعادلة غير المعروفة للحالة مع الملاحظات الفلكية المستقبلية واكتشافات موجات الجاذبية من النجوم المندمجة".

كلمات مفتاحية :