قد يفهم العلماء أخيرًا ديناميكيات “مواطن الخلل” في النجوم النيوترونية التي تحدث عندما تقوم هذه النجوم الميتة فائقة الكثافة بتسريع دورانها فجأة. يبدو أن هذا السلوك الغريب قد يكون سببه دوامات صغيرة من المواد الداخلية الدوامة “تكسر سطح” هذه الجثث النجمية الكثيفة.
من المثير للاهتمام أن الإنجاز الجديد في فهم سلوك النجوم النيوترونية يأتي من فريق موحد من علماء الفيزياء الفلكية وعلماء فيزياء الكم – الذين يدرسون عادةً التفاعلات التي تحكم العالم دون الذري – ويدرسون شكلًا غريبًا من المادة هنا على الأرض.
إن الفهم الأفضل لمواطن الخلل في النجوم النيوترونية يمكن أن يكشف المزيد عن تركيبها الداخلي وحركاتها، مما يمنح العلماء نافذة على جسم يمكن القول إنه مصنوع من أكثر أشكال المادة تفردًا وغرابة في الكون. تتكون النجوم النيوترونية، في جوهرها، بشكل حصري تقريبًا من النيوترونات، ولهذا السبب فهي كثيفة للغاية.
“يؤسس بحثنا رابطًا قويًا بين ميكانيكا الكم والفيزياء الفلكية ويوفر منظورًا جديدًا حول الطبيعة الداخلية للنجوم النيوترونية،” إيلينا بولي، مؤلفة البحث الرئيسية والباحثة في جامعة إنسبروك. قال في بيان.
متعلق ب: تجربة كيمياء الكم على محطة الفضاء الدولية تخلق الحالة الخامسة الغريبة للمادة
جلب النجوم النيوترونية إلى الأرض
تتشكل النجوم النيوترونية عندما “تموت” النجوم الضخمة، وتنهار نواتها النجمية، التي تتراوح كتلتها بين مرة أو مرتين كتلة الشمس، إلى عرض 12 ميلًا (20 كيلومترًا) فقط. وهذا انخفاض كبير للغاية في الحجم. إن المادة الغنية بالنيوترونات التي تتكون منها النجوم النيوترونية كثيفة جدًا لدرجة أن مجرد مكعب سكر منها يزن حوالي مليار طن على الأرض، أي حوالي 150 ضعف وزن الهرم الأكبر في الجيزة.
هذا الوزن الزائد، إلى جانب المسافة الهائلة التي تفصلنا عن هذه الجثث النجمية، يعني أننا بالكاد نستطيع إحضار عينات من النجوم النيوترونية إلى الأرض لدراستها. ومع ذلك، تمكن الفريق متعدد التخصصات من جلب دراسة النجوم النيوترونية “إلى الأرض” من خلال محاكاة عددية لنجم نيوتروني باستخدام وكيل في شكل ذرات ثنائية القطب فائقة البرودة – وهي مرحلة غريبة من الغازات المغناطيسية مع ذرة سالبة الشحنة مقرونة بـ ذرة موجبة الشحنة لمسافات طويلة.
قد يشير خلل النجوم النيوترونية إلى أن المادة الموجودة أسفل أسطح هذه الأجسام موجودة على شكل سائل فائق، وهي مادة تشبه السائل ولكن ليس لها لزوجة – وهو مقياس لمقاومة السائل للتغير في الشكل أو التدفق حوله .
تتدفق السوائل عالية اللزوجة، مثل العسل أو شراب القيقب البارد، ببطء ويمكن أن تتصرف مثل المواد الصلبة. فكر في زبدة الفول السوداني القاسية أو حتى الزجاج. من ناحية أخرى، تتدفق السوائل منخفضة اللزوجة بسرعة أكبر. لكن اللزوجة صفر السوائل الزائدة هي قصة أخرى. وهي تدور على شكل العديد من الدوامات الصغيرة، والتي تحمل جميعها القليل من الزخم الزاوي للنظام.
أحد العوامل الرئيسية في هذا السلوك، وبالتالي عنصر حيوي في خلل النجوم النيوترونية، هو الحالة التي تظهر خصائص البلورية والسوائل الفائقة – ما يسمى بـ “الصلبة الفائقة”. إذا أظهرت النجوم النيوترونية هذا السلوك أثناء دورانها، غالبًا بسرعة تصل إلى مئات المرات في الثانية، فستحدث مواطن الخلل عندما تندلع الدوامات من القشرة الداخلية للنجم – السائل الفائق – إلى قشرته الخارجية البلورية الصلبة. ستحمل تلك الدوامات المتطايرة معها زخمًا زاويًا يعزز سرعة دوران الطبقة الخارجية للنجم.
قصص ذات الصلة:
– قد يفسر “الزمكان المتموج” سبب عدم لعب الجاذبية بقواعد الكم
– يكسر كاشف موجات الجاذبية LIGO “الحد الكمي” للعثور على تصادمات الثقوب السوداء في الكون العميق
– يمكن أن تكون الانفجارات الإشعاعية الغامضة قادمة من “الزلازل النجمية” على النجوم النيوترونية
تم استحداث هذه المرحلة فائقة الصلابة في ذرات ثنائي القطب شديدة البرودة للإربيوم (Er) والديسبروسيوم (Dy) من قبل مجموعة بقيادة فرانشيسكا فيرلاينو في جامعة إنسبروك، وهي أيضًا مؤلفة هذا العمل.
ووجد الفريق أن الخلل يمكن أن يحدث بالفعل في المواد الصلبة الفائقة البرودة، وهو ما يشبه الخلل الأكبر حجمًا والأكثر تطرفًا الذي تظهره النجوم النيوترونية. تشير هذه النتائج إلى أن الدوامات فائقة السيولة التي تحمل الزخم الزاوي إلى سطح هذه النجوم هي التي تجعلها تبدو وكأنها خلل.
سيتم الآن استكشاف النهج الذي طوره الفريق متعدد التخصصات بشكل أكبر من خلال التحقيق في آلية الخلل بمزيد من التفصيل بالإضافة إلى كيفية اعتمادها على جودة المادة فائقة الصلابة. يمكن أن تساعد الدراسة أيضًا في إيجاد طريقة جديدة لدراسة بقايا النجوم مثل النجوم النيوترونية في المختبر لأغراض أخرى.
وخلص فيرلاينو إلى أن “هذا البحث يظهر نهجا جديدا لاكتساب نظرة ثاقبة حول سلوك النجوم النيوترونية ويفتح آفاقا جديدة للمحاكاة الكمومية للأجسام النجمية من مختبرات الأرض منخفضة الطاقة”.
تم نشر بحث الفريق في نوفمبر في المجلة رسائل المراجعة البدنية.