ستارههای نوترونی یکی از عجیبغریبترین اجرام در جهان شناخته شده هستند.ستارههای نوترونی بقایای هسته ستارههای عظیمی هستند که به پایان عمر خود رسیدهاند.
آنها یکی از دو نقطه پایانی تکاملی احتمالی عظیمترین ستارههاهستند،نقطه پایانی دیگر سیاهچالهها هستند.ستارههای نوترونی،چگالترین اجرام ستارهای و شاید جدا از هر آنچه که در قلب یک سیاهچاله وجود دارد، از جمله شگفت انگیزترین اجرام کیهان هستند.ناسا تخمین میزند که تا یک میلیارد ستاره نوترونی در کهکشان راه شیری ما وجود دارد.اکثر ستارههای نوترونی کشف شده تاکنون،ستارههای نوترونی جوانی هستند که با سرعت باورنکردنی میچرخند و تشعشعات پرانرژی را بر فراز زمین پخش میکنند. ستارههای نوترونی قدیمیتر که میلیاردها سال فرصت داشتهاند تا چرخش خود را کند کرده و خنک شوند، کمتر به چشم میآیند، اما به همان اندازه جذاب هستند.
دیوید تامپسون، عضو تیم علمی تلسکوپ منطقه وسیع (LAT) از مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا، در بیانیهای از ناسا گفت: «در ستارههای نوترونی، ما ترکیبی از گرانش قوی، میدانهای مغناطیسی و الکتریکی قدرتمند و سرعتهای بالا را مشاهده میکنیم. آنها آزمایشگاههایی برای فیزیک پیشرفته و در شرایطی هستند که ما نمیتوانیم آنها را اینجا روی زمین تولید کنیم.»
ستارههای نوترونی چگونه تشکیل میشوند؟
زندگی یک ستاره، صرف نظر از اندازه آن، یک عمل متعادل کننده بین دو فشار است : “فشار” ناشی از گرانش به داخل و فشار به بیرون که توسط فوتونهای تولید شده هنگام انجام همجوشی هستهای، برای تشکیل هستههای اتمی سنگین از هستههای سبک، در مرکز ستاره ،ایجاد میشود. هنگامی که ستارگان هیدروژن لازم برای همجوشی و تبدیل به هلیوم را تمام میکنند،به پایان توالی اصلی زندگی خود با سوخت هستهای میرسند. انرژی رو به بیرون ناشی از هم جوشی هسته ای متوقف و گرانش پیروز میشود و باعث میشود هسته ستاره در خود فرو بریزد. با وقوع این اتفاق، همجوشی هستهای در پوسته بیرونی ستاره ادامه مییابد و این باعث میشود که این لایههای بیرونی “پف کنند”. این لایههای بیرونی ریخته شده در اطراف هسته که هنوز در حال فروپاشی است، خنک میشوند، که اگر به اندازه کافی عظیم باشد، دور جدیدی از همجوشی هستهای را آغاز میکند و هلیوم را به عناصر سنگینتری مانند کربن تبدیل میکند.
حتی ستارگانی با جرم بین ۱۰ تا ۲۰ برابر خورشید، به محدودیتی در تولید عناصر سنگین میرسند و معمولاً در نهایت به هستهای از آهن تقریباً خالص میرسند. حتی این عنصر سنگین نیز به اندازه کافی متراکم نیست تا از فروپاشی بیشتر هستههای عظیم جلوگیری کند. با وقوع این اتفاق، فشار گرانشی آنقدر شدید است که الکترونهای با بار منفی و پروتونهای با بار مثبت که هستههای آهن را در این هسته ستارهای تشکیل میدهند، در هم فشرده میشوند و دریایی از نوترونهای بدون بار یا خنثی ایجاد میکنند.
برخی از هستههای عظیم ستارهای در این مرحله توسط پدیدهای کوانتومی به نام «فشار تبهگنی نوترون» از فروپاشی بیشتر نجات مییابند. این پدیده زمانی رخ میدهد که چگالی به حدی میرسد که نوترونها دیگر نمیتوانند بیشتر از این به هم نزدیک شوند و در نتیجه به صورت ستارههای نوترونی باقی میمانند.
چرا یک ستاره نوترونی تشکیل میشود و نه یک سیاهچاله؟
اگر این فرآیند تولد ستاره نوترونی آشنا به نظر میرسد، میتواند به این دلیل باشد که یک ستاره عظیم نیز مسیری را طی میکند تا به سیاهچاله تبدیل شود. سوال این است که چرا برخی از ستارهها ،ستاره نوترونی تولید میکنند در حالی که برخی دیگر سیاهچاله به جا میگذارند؟
به نظر میرسد تفاوت اصلی، هسته ستارهای در حال فروپاشی است که جرم کافی برای فراتر رفتن از محافظتی که تبهگنی نوترونی برای ستارههای نوترونی فراهم میکند، دارد. در حال حاضر، دانشمندان دقیقاً مطمئن نیستند که مرز مشخص بین سیاهچالهها و ستارههای نوترونی کجاست. این عدم قطعیت وجود دارد زیرا بررسی فیزیک درون ستارههای نوترونی همچنان دشوار است.
سنگینترین ستاره نوترونی شناخته شده جرمی معادل حدود ۲.۵ برابر جرم خورشید دارد، در حالی که سبکترین سیاهچاله شناخته شده جرمی حدود ۵ برابر خورشید دارد. بنابراین، بین این دو نوع ستاره مرده، شکاف جرمی وجود دارد که دانشمندان در حال حاضر در تلاش برای کاهش آن هستند و در این شکاف است که باید در مرز بین یک مسیر و مسیر دیگر قرار گیرد.
محققان در حال حاضر فکر میکنند که خط تقسیم بین ستارههای نوترونی و سیاهچالهها بسیار نزدیکتر به ۳ برابر جرم خورشید تا ۵ برابر جرم خورشید است
از آنجایی که تفاوت اصلی بین سیاهچاله و ستاره نوترونی جرم است، منطقی است که ستارههای نوترونی که مواد را از یک جفت دوتایی جمع میکنند، در نهایت بتوانند به یک سیاهچاله تبدیل شوند. به گفته جف مگنوم، دانشمند رصدخانه ملی نجوم رادیویی (NRAO)، فرآیند انباشت جرم میتواند تا میلیونها سال طول بکشد، اما تبدیل نهایی از یک ستاره نوترونی به یک سیاهچاله کمتر از یک ثانیه طول میکشد.
آیا خورشید به یک ستاره نوترونی (یا سیاهچاله) تبدیل خواهد شد؟
در حالی که مرز بین ستارههای نوترونی و سیاهچالهها مبهم و به خوبی تعریف نشده است، مرز بین بقایای ستارهای که خورشید ما به آن تبدیل خواهد شد، یک کوتوله سفید و یک ستاره نوترونی بسیار بهتر قابل درک است.
هنگامی که خورشید در حدود ۵ میلیارد سال به پایان ذخیره هیدروژن خود میرسد و فشار بیرونی که مانع از فروپاشی گرانشی میشود، متوقف میشود، هسته آن فرو میریزد. پس از عبور از مرحله غول سرخ که در طی آن لایههای بیرونی خورشید متورم شده و سیارات داخلی، از جمله زمین را میبلعند، هسته خورشید به عنوان یک کوتوله سفید سوزان باقی میماند.
همانطور که فشار تبهگنی نوترونی مانع از تبدیل شدن ستارههای نوترونی به سیاهچاله میشود، ستارههای کوتوله سفید نیز توسط فشار تبهگنی الکترونی که مانع از فشرده شدن بیشتر الکترونها به یکدیگر میشود، از فروپاشی بیشتر محافظت میشوند. فشار تبهگنی الکترونی بسیار ضعیفتر از معادل نوترونی آن است و اختر فیزیکدانان نیز ایده بهتری از جرمهای مورد نیاز برای غلبه بر آن نسبت به فشار انحطاط نوترونی دارند.
طبق دایرهالمعارف نجوم SAO، برای اینکه این کوتوله سفید در نهایت به یک ستاره نوترونی تبدیل شود، باید از حد چاندراسخار که عموماً ۱.۴ جرم خورشیدی در نظر گرفته میشود، فراتر رود. این بدان معناست که هسته خورشید به تنهایی باید ۱.۴ برابر جرم کل خورشید جرم داشته باشد. جرم حد چاندراسخار که اولین بار توسط سوبرامانیان چاندراسخار در سال ۱۹۳۱ پیشبینی شد، تاکنون با مشاهدات کوتولههای سفید مطابقت خوبی داشته است، زیرا ما هنوز بقایای ستارهای از این نوع را با جرمی بالاتر از ۱.۴ جرم خورشیدی پیدا نکردهایم.
ناسا تخمین میزند که خورشید باید ۱۰ برابر سنگینتر باشد تا به زندگی خود به عنوان یک ستاره نوترونی پایان دهد، یا باید ۲۰ برابر سنگینتر باشد تا در حدود ۵ میلیارد سال آینده یک سیاهچاله در منظومه شمسی باقی بگذارد.
اندازه و جرم ستارههای نوترونی
برای اینکه بفهمیم فروپاشی گرانشی تقریباً کامل که منجر به تولد یک ستاره نوترونی میشود چقدر چشمگیر و خشونتآمیز است، فقط باید به مادهای که ایجاد میکند و ابعاد جسمی که در آن قرار دارد نگاه کنیم.
فروپاشی هستههای عظیم ستارهای منجر به جسمی میشود که جرم آن از یک تا دو برابر جرم خورشید است، اما عرض آن فقط بین ۶ تا ۱۲ مایل (۱۰ تا ۲۰ کیلومتر) است. تصور کنید که خورشید به اندازهای کوچک شود که به راحتی در شهر نیویورک، که ۳۵ مایل (۵۶ کیلومتر) عرض دارد، قرار گیرد.
کاهش قطر آن از ۸۷۰۰۰۰ مایل (۱.۴ میلیون کیلومتر) به تنها ۱۲ مایل (۲۰ کیلومتر) تأثیر قابل توجهی بر مواد درون آن خواهد داشت و این قطعاً در مورد ستارههای نوترونی صدق میکند. ناسا تخمین میزند که یک حبه قند متشکل از این ماده غنی از نوترون اگر به زمین آورده شود، حدود ۱ تریلیون کیلوگرم (یا ۱ میلیارد تن) وزن خواهد داشت. این یک حبه قند است که به اندازه ۳۰۰۰ ساختمان امپایر استیت یا کل نژاد بشر وزن دارد.
طبق گفته مرکز اخترفیزیک و ابررایانه سوینبرن، این باعث میشود ماده ستاره نوترونی متراکمترین مادهای باشد که میتوانیم در جهان ببینیم و این اثر دیگری نیز دارد. ستارههای نوترونی آنقدر متراکم هستند که سرعت لازم برای فرار از تأثیر گرانشی آنها نصف سرعت نور است.
در نتیجه، گرانش ستارههای نوترونی آنقدر قوی است که اگر یک مارشمالو (نوعی شیرینی کوچک پفی ) به سطح یکی از این بقایای ستارهای عجیب و غریب پرتاب شود، آنقدر سریع شتاب میگیرد که وقتی به سطح آن برخورد میکند، انرژی معادل انفجار هزار بمب هیدروژنی آزاد میکند.
در حالی که مارشمالوها تمایلی به بارش بر روی ستارههای نوترونی ندارند، گاز جدا شده از ستارههای هم دم در سامانه های ستاره های دوتایی با این بقایای ستارهای چگال اغلب این کار را انجام میدهد. وقتی این گاز با سرعتی به بزرگی میلیونها مایل در ساعت به سطح ستاره نوترونی برخورد میکند، نمایشهای آتشبازی قدرتمندی را در نور پرتو ایکس ایجاد میکند که هزاران بار در ثانیه با شدت سوسو میزنند یا شاید فقط هر چند سال یک بار منفجر شوند.
چگالی و گرانش ستارههای نوترونی تنها چیزی نیست که آنها را به عجیبترین اجرام کیهان تبدیل میکند، آنها ویژگیهای فوق العاده دیگری نیز دارند.
انواع ستارههای نوترونی: بلازارها و مگنتارها
هنگامی که ستارههای نوترونی متولد میشوند، پایستگی گشتاور زاویهای منجر به چرخش آنها با سرعتهای فوقالعاده سریع میشود. برای بررسی دلیل این امر، یک اسکیتباز روی یخ را در حال چرخش در نظر بگیرید. همانطور که بازوهای خود را به داخل جمع میکنند، سرعت چرخش اسکیتباز افزایش مییابد.
طبق گفته مرکز اخترفیزیک و ابررایانه سوینبرن، اتفاق مشابهی زمانی رخ میدهد که قطر هسته یک ستاره با فروپاشی گرانشی کاهش مییابد و ستاره نوترونی جوان حاصل سریعتر و سریعتر میچرخد و به سرعتهایی به بزرگی ۶۰ چرخش در ثانیه میرسد.
بسیاری از ستارههای نوترونی با افزایش سن، سرعت چرخش خود را کاهش میدهند و به حدود ۸ بار در ثانیه میرسند. اما وضعیت برای ستارههای نوترونی که مواد ستارهای را از یک جفت دوتایی میدزدند، متفاوت است. این ماده با خود تکانه زاویهای حمل میکند و بنابراین این انتقال ماده میتواند چرخش ستارههای نوترونی را تسریع یا “چرخش” آنها را افزایش دهد. این امر میتواند منجر به چرخش برخی از ستارههای نوترونی با سرعت ۶۰۰ یا ۷۰۰ بار در ثانیه شود.
سریعترین ستاره نوترونی چرخان ثبت شده که در سال ۲۰۰۶ طبق گزارش رصدخانه ملی نجوم رادیویی (NRAO) کشف شد، PSR J1748-2446ad است که در یک خوشه کروی از ستارهها در فاصله حدود ۲۸۰۰۰ سال نوری از زمین یافت میشود. این ستاره نوترونی ۷۱۶ بار در ثانیه یا با فرکانس ۷۱۶ هرتز میچرخد که سریعتر از پرههای یک مخلوطکن آشپزخانه است.
ستارههای نوترونی مانند PSR J1748-2446ad به این دلیل کشف میشوند که هنگام چرخش، پرتوهای تابشی از هر قطب، از جمله طول موجهای رادیویی، مرئی، اشعه ایکس و اشعه گاما، ساطع میکنند. در نتیجه، هنگامی که به سمت زمین میچرخند، این پرتوهای تابشی بر فراز سیاره ما میدرخشند و این ستارههای نوترونی را تقریباً مانند “فانوسهای کیهانی” میسازند، اگرچه به طور رسمیتر به عنوان تپاختر شناخته میشوند. همه تپاخترها ستاره نوترونی هستند، اما همه ستارههای نوترونی تپاختر نیستند.
دانشمندان معتقدند که پرتوهای تابش تپاختر زمانی ایجاد میشوند که میدانهای مغناطیسی قدرتمند ستارههای نوترونی، ماده را به قطبهای مغناطیسی خود هدایت میکنند. خود این میدانهای مغناطیسی برای برخی از ستارههای نوترونی میتوانند خارقالعاده باشند.
هنگامی که یک ستاره فرو میریزد، فقط جرم آن متراکم نمیشود، بلکه میدان مغناطیسی آن ستاره نیز فشرده میشود . میدانهای مغناطیسی توسط خطوط منحنی یا خطوط میدانی که از یک جسم عبور میکنند، نشان داده میشوند، هرچه این خطوط به هم نزدیکتر باشند، میدان مغناطیسی قویتر است. فروپاشی هسته یک ستاره برای ایجاد یک ستاره نوترونی، این خطوط میدان را به هم نزدیک میکند.
آژانس فضایی اروپا (ESA) میگوید که برخی از ستارههای نوترونی میتوانند میدانهای مغناطیسی به قدرت ۱۰۰ هزار میلیون تسلا داشته باشند که نه تنها هزاران برابر قدرتمندتر از میدان مغناطیسی ستارههای نوترونی “معمولی” است، بلکه هزار تریلیون برابر قویتر از مگنتوسفر زمین و معادل صد تریلیون برابر آهنربای یخچال است، ناسا میگوید: این امر ، میدان مغناطیسی مگنتارها را به برخی از شدیدترین میدانهای مغناطیسی در جهان شناخته شده تبدیل میکند و این میدانها آنقدر شدید هستند که میتوانند دمای سطح یک مگنتار را به بیش از ۱۸ میلیون درجه فارنهایت (۱۰ میلیون درجه سانتیگراد) برسانند. با تمام این ویژگیهای شدید و رکوردشکن، تصور کنید چه اتفاقی میافتد وقتی دو تا از این بقایای ستارهای شدید به هم میرسند.
وقتی دو ستاره نوترونی با هم برخورد میکنند چه اتفاقی میافتد؟
ستارههای نوترونی میتوانند به صورت منزوی وجود داشته باشند، که تنها از طریق دمای سطحشان قابل تشخیص است، یا میتوانند در مشارکت با ستارههای «معمولی» باشند و اغلب مواد آنها را جذب کنند، یا در برخی موارد، میتوانند در سیستمهای دوتایی با یک ستاره نوترونی دیگر وجود داشته باشند.
در این شرایط، طبق نظریه نسبیت عام انیشتین، هنگامی که این ستارههای نوترونی دوتایی به دور یکدیگر میچرخند، موجهایی در فضا-زمان به نام امواج گرانشی ایجاد میکنند. درست همانطور که موادی که به سطح یک ستاره نوترونی سقوط میکنند، به آن تکانه زاویهای میدهند، همانطور که امواج گرانشی از ستارههای نوترونی دوتایی دور میشوند، تکانه زاویهای را از سیستم خارج میکنند.
از دست دادن تکانه زاویهای باعث میشود ستارههای نوترونی به هم نزدیک شوند و با این اتفاق، امواج گرانشی را حتی قویتر تابش میکنند و سرعت از دست دادن تکانه زاویهای را افزایش میدهند.
در نهایت، این امر باعث میشود ستارههای نوترونی با هم برخورد کرده و ادغام شوند و یک ستاره نوترونی حتی بزرگتر ایجاد کنند. این رویداد خشونتآمیز، انفجاری که به عنوان کیلونوا شناخته میشود، پس از میلیاردها سال مقدمهچینی با بقایای ستارهای که به دور یکدیگر میرقصند، تنها چند میلیثانیه طول میکشد. کیلونواها انرژی معادل میلیونها برابر خورشید را آزاد میکنند و انفجار شدیدی از امواج گرانشیِ منحرفکننده فضا و انفجاری کوتاه اما قدرتمند از پرتوهای گاما را منتشر میکنند و مسئول ایجاد عناصر سنگینی مانند طلا، نقره و پلاتین هستند.
بسته به اندازه ستارههای نوترونی که در این رویداد کیلونوا قرار میگیرند، نتیجه میتواند یک “ستاره نوترونی فوقسنگین” باشد که به دلیل فشار انحطاط نوترونی، برای پایدار ماندن بسیار عظیم است و بنابراین به سرعت در کمتر از یک ثانیه فرو میریزد و یک سیاهچاله ایجاد میکند.
در سال ۲۰۱۷، ستارهشناسان برای اولین بار امواج گرانشی، موجهایی در تار و پود فضا-زمان و نوری را که از برخورد بین ستارههای نوترونی به بیرون ساطع میشد، مشاهده کردند. سیگنالهایی که از برخورد ستارههای نوترونی دوتایی واقع در ۱۳۰ سال نوری دورتر آمدهاند، کاربرد «نجوم پیامرسان ترکیبی» را تأیید میکنند، روشی که در آن اجرام و رویدادهای نجومی در اشکال مختلف تابش فراتر از نور مورد استفاده در نجوم سنتی مشاهده میشوند.
با این ترکیب قدرتمند از تکنیکها، ستارهشناسان در آستانه کشف چیزهای بیشتری در مورد ماهیت این برخوردها و ستارههای نوترونی، ستارههای بسیار مرده در قلب آنها، هستند.
سوالات متداول ستاره نوترونی توسط متخصص پاسخ داده شده است؟
ستارههای نوترونی چقدر بزرگ هستند؟
قطر ستارههای نوترونی حدود ۲۰ کیلومتر (۱۲ مایل) است که تقریباً به اندازه یک شهر است! ما میتوانیم شعاع را از طریق مشاهدات اشعه ایکس از تلسکوپهایی مانند NICER و XMM-Newton تعیین کنیم. ما میدانیم که بیشتر ستارههای نوترونی در کهکشان ما تقریباً جرمی معادل جرم خورشید دارند. با این حال، هنوز مطمئن نیستیم که بیشترین جرم یک ستاره نوترونی چقدر است.
ما میدانیم که حداقل برخی از آنها حدود دو برابر جرم خورشید هستند و فکر میکنیم حداکثر جرم چیزی حدود ۲.۲ تا ۲.۵ برابر جرم خورشید است. دلیل اینکه ما اینقدر نگران حداکثر جرم یک ستاره نوترونی هستیم این است که رفتار ماده در چنین محیطهای شدید و متراکمی بسیار نامشخص است.
بنابراین ما باید از مشاهدات ستارههای نوترونی، مانند جرمها و شعاعهای تعیین شده آنها، در ترکیب با نظریهها، برای بررسی مرزهای بین پرجرمترین ستارههای نوترونی و کمجرمترین سیاهچالهها استفاده کنیم.
یافتن این مرز برای رصدخانههای امواج گرانشی مانند LIGO که ادغام اجرام را در این “شکاف جرمی” بین ۲ تا ۵ برابر جرم خورشید شناسایی کردهاند، واقعاً جالب است.
چرا به نظر نمیرسد ستارههای نوترونی از این محدودیتها در اندازه و جرم فراتر روند؟
ستارههای نوترونی بسیار متراکم هستند و جرمی معادل یک تا دو برابر جرم خورشید ما، که ۱۰۰ برابر وسیعتر و ۳۳۰۰۰۰ برابر جرم زمین است، در اندازه یک شهر جای گرفتهاند.
اگر ماده بسیار بیشتری را در آن فضای کوچک جا دهیم، گرانش پیروز میشود و کل آن به یک سیاهچاله فرو میریزد. بنابراین، ستارههای نوترونی در این تعادل ارزشمند نوترونهایی که به یکدیگر فشار میآورند (که به عنوان فشار تبهگنی نوترونی شناخته میشود) و گرانش وجود دارند.
ستارههای نوترونی چقدر “زنده” میمانند؟
در اصل، یک ستاره نوترونی میتواند عمری بسیار طولانی داشته باشد و چند تریلیون سال زنده بماند، زیرا آنها یکی از حالتهای نهایی یک ستاره عظیم، یا به عبارت دیگر، یک لاشه ستارهای هستند. با این حال، اگر آنها یک همراه دوتایی، مانند یک ستاره نوترونی یا سیاهچاله دیگر، داشته باشند، ممکن است در نهایت ادغام شوند و یک سیاهچاله یا یک ستاره نوترونی پرجرمتر ایجاد کنند.
ن محصول نهایی ادغام شود که انتظار میرود یا یک ستاره نوترونی حتی پرجرمتر یا یک سیاهچاله باشد.
اگر ادغام، یک ستاره نوترونی پرجرمتر ایجاد کند، میدان مغناطیسی بسیار بالایی خواهد .
برخی از رویدادهای مرتبط با ستارههای نوترونی چیست؟چه چیزی اینها را به برخی از قدرتمندترین وقایع در جهان تبدیل میکند؟
ابرنواخترها به ستارههای نوترونی گره خوردهاند زیرا رویدادهای انفجاری هستند که آنها را ایجاد میکنند. آنها بسیار قدرتمند هستند زیرا ستاره در مبارزه با گرانش شکست خورده است و در نهایت منفجر میشود! تصور میشود ابرنواخترهای فوق درخشان به دلیل اینکه یک مگنتار منبع انرژی انتشار اضافی است، بسیار درخشان هستند.
همچنین، برخی از انفجارهای پرتو گاما زمانی رخ میدهند که یک ستاره نوترونی با یک ستاره نوترونی دیگر یا احتمالاً یک سیاهچاله برخورد میکند! این رویدادها بسیار قدرتمند هستند زیرا شامل متلاشی شدن یک ستاره نوترونی و برخورد دو جسم بسیار عظیم و متراکم به یکدیگر میشوند.
برخی از انفجارهای رادیویی سریع نیز به ستارههای نوترونی مرتبط هستند، زیرا ما یک انفجار رادیویی سریع را از یک ستاره نوترونی، به ویژه یک مگنتار، در کهکشان خودمان شناسایی کردهایم. بنابراین، به طور کلی، ستارههای نوترونی در میان بسیاری از پدیدههای گذرا که میتوانیم مشاهده کنیم، کاملاً فراگیر هستند.