عندما يتعلق الأمر بـ “تحطيم” الأشباح الكونية، فإن الأجسام الأكثر تطرفًا في الكون فقط هي التي قد تكون على مستوى المهمة: النجوم النيوترونية.
أجرى العلماء عمليات محاكاة للاصطدامات بين هذه النجوم فائقة الكثافة والنجوم الميتة، مما يدل على أن مثل هذه الأحداث القوية قد تكون قادرة على “احتجاز” النيوترينوات لفترة وجيزة، والمعروفة باسم “جسيمات الشبح”. يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف العلماء على فهم عمليات اندماج النجوم النيوترونية ككل بشكل أفضل، وهي الأحداث التي تخلق بيئات مضطربة بما يكفي لتكوين عناصر أثقل من الحديد. لا يمكن حتى إنشاء مثل هذه العناصر في قلوب النجوم، وهذا يشمل الذهب الموجود في إصبعك والفضة الموجودة حول رقبتك.
تعتبر النيوترينوات بمثابة “أشباح” حديقة الحيوان الجزيئية بسبب افتقارها إلى الشحنة وكتلتها الصغيرة بشكل لا يصدق. هذه الخصائص تعني أنها نادرًا ما تتفاعل مع المادة. لوضع ذلك في الاعتبار، أثناء قراءتك لهذه الجملة، يتدفق أكثر من 100 تريليون نيوترينو عبر جسمك بسرعة قريبة من سرعة الضوء، ولا يمكنك أن تشعر بأي شيء.
تم إجراء هذه المحاكاة الجديدة لاندماج النجوم النيوترونية من قبل فيزيائيين من جامعة ولاية بنسلفانيا، وأظهرت في النهاية أن النقطة التي تلتقي عندها هذه النجوم الميتة (الواجهة) تصبح ساخنة وكثيفة بشكل لا يصدق. في الواقع، يصبح الأمر متطرفًا بما يكفي للإيقاع بمجموعة من تلك “الأشباح الكونية”.
على الأقل لفترة قصيرة، على أي حال.
على الرغم من افتقارها إلى التفاعل مع المادة، إلا أن النيوترينوات الناتجة عن الاصطدام ستُحاصر عند واجهة اندماج النجوم النيوترونية وتصبح أكثر سخونة من القلوب الباردة نسبيًا للنجوم الميتة المتصادمة.
متعلق ب: يجد تلسكوب جيمس ويب الفضائي أن اندماج النجوم النيوترونية يصوغ الذهب في الكون: “لقد كان الأمر مثيرًا”
ويشار إلى ذلك على أن النيوترينوات “خارجة عن التوازن الحراري” مع نوى النجوم النيوترونية الباردة. خلال هذه المرحلة الساخنة، والتي تستمر حوالي 2 إلى 3 مللي ثانية، أشارت عمليات المحاكاة التي أجراها الفريق إلى أن النيوترينوات يمكن أن تتفاعل مع مادة النجم النيوتروني المندمجة، مما يساعد بدوره على إعادة التوازن الحراري.
وقال قائد الفريق ديفيد راديس، الأستاذ المساعد في الفيزياء وعلم الفلك: “النجوم النيوترونية قبل الاندماج كانت باردة فعليا. وبينما قد تكون درجة حرارتها مليارات الدرجات، كلفن، فإن كثافتها المذهلة تعني أن هذه الحرارة تساهم بشكل ضئيل للغاية في طاقة النظام”. والفيزياء الفلكية في كلية إيبرلي للعلوم في ولاية بنسلفانيا، في بيان. “أثناء اصطدامها، يمكن أن تصبح ساخنة حقًا. يمكن تسخين واجهة النجوم المتصادمة إلى درجات حرارة تصل إلى تريليونات درجة كلفن. ومع ذلك، فهي كثيفة جدًا بحيث لا تستطيع الفوتونات الهروب لتبديد الحرارة؛ بدلاً من ذلك، نعتقد أنها يبرد عن طريق انبعاث النيوترينوات.”
وضع مصائد الأشباح الكونية
تولد النجوم النيوترونية عندما ينفد الوقود اللازم للاندماج النووي في قلب نجم ضخم تبلغ كتلته ثمانية أضعاف كتلة الشمس على الأقل. وبعد انتهاء إمدادات الوقود، لم يعد النجم قادرًا على دعم نفسه ضد الدفع الداخلي لجاذبيته.
يؤدي هذا إلى إطلاق سلسلة من الانهيارات الأساسية التي تؤدي إلى اندماج العناصر الأثقل، والتي يتم الحصول عليها بعد ذلك حتى أثقل عناصر. تنتهي هذه السلسلة عندما يمتلئ قلب النجم المحتضر بالحديد، وهو أثقل عنصر يمكن تشكيله في قلب النجوم الأكثر ضخامة. ثم يحدث انهيار الجاذبية مرة أخرى، مما يؤدي إلى انفجار مستعر أعظم يؤدي إلى تفجير الطبقات الخارجية للنجم ومعظم كتلته.
بدلًا من تكوين عناصر جديدة، يشكل هذا الانهيار النهائي للنواة حالة جديدة تمامًا من المادة فريدة من نوعها في الأجزاء الداخلية للنجوم النيوترونية. تُجبر الإلكترونات السالبة والبروتونات الموجبة معًا، مما يؤدي إلى تكوين حساء فائق الكثافة من النيوترونات، وهي جسيمات محايدة. أحد جوانب فيزياء الكم يسمى “ضغط الانحلال” يمنع هذه النوى الغنية بالنيوترونات من الانهيار بشكل أكبر، على الرغم من أنه يمكن التغلب على هذا من خلال النجوم ذات الكتلة الكافية التي تنهار تمامًا – لولادة الثقوب السوداء.
نتيجة هذه السلسلة من الانهيارات هي نجم ميت كثيف، أو نجم نيوتروني، تتراوح كتلته بين ضعفي كتلة النجم الأصلي، محشورًا في عرض يبلغ حوالي 12 ميلًا (20 كيلومترًا). للسياق، فإن المادة التي تتكون منها النجوم النيوترونية كثيفة جدًا لدرجة أنه إذا أحضرنا ملعقة كبيرة منها إلى الأرض، فسوف يصل وزنها إلى وزن جبل إيفرست تقريبًا. ربما أكثر.
ومع ذلك، لا تعيش هذه النجوم المتطرفة (أو تموت) دائمًا في عزلة. تحتوي بعض أنظمة النجوم الثنائية على نجمين كبيرين بما يكفي لولادة نجوم نيوترونية. عندما تدور هذه النجوم النيوترونية الثنائية حول بعضها البعض، فإنها تصدر تموجات في نسيج المكان والزمان تسمى موجات الجاذبية.
عندما يصدر صدى موجات الجاذبية هذه من ثنائيات النجوم النيوترونية، فإنها تحمل معها الزخم الزاوي. ويؤدي هذا إلى فقدان الطاقة المدارية في النظام الثنائي ويتسبب في تجمع النجوم النيوترونية معًا. كلما اقتربت من مدارها، زادت سرعة إصدار موجات الجاذبية، وكلما زادت سرعة تضييق مداراتها. في النهاية، تتولى جاذبية النجوم النيوترونية زمام الأمور، وتتصادم النجوم الميتة وتندمج.
وينتج عن هذا الاصطدام “رذاذات” من النيوترونات، مما يثري البيئة المحيطة بالاندماج بنسخ حرة من هذه الجسيمات يمكن “انتزاعها” بواسطة ذرات العناصر الموجودة في هذه البيئة خلال ظاهرة تسمى “عملية الالتقاط السريع” (r-process). . يؤدي هذا إلى إنشاء عناصر فائقة الثقل تخضع للتحلل الإشعاعي لتكوين عناصر أخف وزنًا لا تزال أثقل من الحديد. فكر في الذهب والفضة والبلاتين واليورانيوم. يؤدي اضمحلال هذه العناصر أيضًا إلى خلق انفجار من الضوء يطلق عليه علماء الفلك “كيلونوفا”.
اللحظات الأولى لاصطدام النجوم النيوترونية
كما يقول الفريق، يتم إنشاء النيوترينوات أيضًا خلال اللحظات الأولى من اندماج نجم نيوتروني، حيث يتم تمزق النيوترونات، مما يؤدي إلى تكوين الإلكترونات والبروتونات. وأراد الباحثون معرفة ما يمكن أن يحدث خلال هذه اللحظات الأولية. للحصول على بعض الإجابات، أنشأوا عمليات محاكاة تستخدم كمية هائلة من القوة الحاسوبية لنمذجة اندماج النجوم النيوترونية الثنائية والفيزياء المرتبطة بمثل هذه الأحداث.
كشفت عمليات المحاكاة التي أجراها فريق ولاية بنسلفانيا لأول مرة أن الحرارة والكثافة الناتجة عن اصطدام نجم نيوتروني كافية للحظة وجيزة لاصطياد حتى النيوترينوات، والتي اكتسبت في جميع الظروف الأخرى ألقابها الشبحية.
وأضاف راديس: “تمتد هذه الأحداث المتطرفة إلى حدود فهمنا للفيزياء، وتسمح لنا دراستها بتعلم أشياء جديدة”. “الفترة التي تكون فيها النجوم المندمجة خارج التوازن هي فقط 2 إلى 3 مللي ثانية، ولكن مثل درجة الحرارة، الوقت نسبي هنا؛ يمكن أن تكون الفترة المدارية للنجمين قبل الاندماج أقل من 1 مللي ثانية.
“هذه المرحلة القصيرة من عدم التوازن هي عندما تحدث الفيزياء الأكثر إثارة للاهتمام. وبمجرد عودة النظام إلى التوازن، يتم فهم الفيزياء بشكل أفضل.”
قصص ذات الصلة:
– قد يساعد النهج الجديد العلماء على رؤية ما بداخل النجم النيوتروني
– قد تكون النجوم النيوترونية بحجم مدينة أكبر مما كنا نعتقد
– أثقل نجم نيوتروني تم رصده على الإطلاق يقوم بتمزيق رفيقه
ويعتقد الفريق أن التفاعلات الفيزيائية الدقيقة التي تحدث أثناء اندماج النجوم النيوترونية يمكن أن تؤثر على الإشارات الضوئية الصادرة عن هذه الأحداث القوية التي يمكن ملاحظتها على الأرض.
“كيفية تفاعل النيوترينوات مع مادة النجوم وانبعاثها في النهاية يمكن أن تؤثر على تذبذبات البقايا المندمجة للنجمين، والتي بدورها يمكن أن تؤثر على الشكل الذي تبدو عليه إشارات الموجات الكهرومغناطيسية وموجات الجاذبية الناتجة عن الاندماج عندما تصل إلينا هنا وقال عضو الفريق بيدرو لويس إسبينو، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في ولاية بنسلفانيا وجامعة كاليفورنيا في بيركلي، في البيان: “على الأرض”. “يمكن تصميم أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية من الجيل التالي للبحث عن هذه الأنواع من اختلافات الإشارات. وبهذه الطريقة، تلعب عمليات المحاكاة هذه دورًا حاسمًا، مما يسمح لنا بالحصول على نظرة ثاقبة لهذه الأحداث المتطرفة مع إثراء التجارب والملاحظات المستقبلية بطريقة ما”. ردود الفعل حلقة.
“لا توجد طريقة لإعادة إنتاج هذه الأحداث في المختبر لدراستها تجريبيا، لذا فإن أفضل نافذة لدينا لفهم ما يحدث أثناء اندماج نجمين نيوترونيين ثنائيين هي من خلال عمليات المحاكاة المستندة إلى الرياضيات التي تنشأ من نظرية النسبية العامة لأينشتاين.”
تم نشر بحث الفريق في 20 مايو في مجلة Physical Review Letters.