کشف بزرگ‌ترین ستاره نوترونی در برخورد کیهانی عجیب

امواج گرانشی وقتی شکل می‌گیرند که اجرام سنگین و بزرگ، فضا و زمان اطراف خود را خم کنند و امواج آن را در کل کیهان منتشر کنند. دانشمندان اولین موج گرانشی را در سال ۲۰۱۵ کشف کردند؛ این موج بر اثر برخورد دو سیاهچاله به وجود آمده بود. از آن زمان کشف امواج گرانشی برای دانشمندان هیجان‌انگیزتر شده است.

حالا گروهی از پژوهشگران از اولین کشف سیگنال موج گرانشی خبر داده‌اند که بر اثر برخورد شیئی بزرگتر از ستاره‌های نوترونی متداول با شیئی کوچکتر از کوچک‌ترین سیاهچاله‌ی شناخته‌شده، به وجود آمده است. اگرچه این کشف برای دانشمندان بسیار پیچیده است، سیگنال به دست آمده، امید آن‌ها را برای دستیابی به رصدهای عجیب‌تر افزایش داده است.

کشف رویداد برخوردی جدید، می‌تواند درک بسیاری از تعاریف مربوط به چگونگی شکل‌گیری ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها را تغییر دهد. گروهی بین‌المللی با استفاده از آشکارسازهای موجود در ایالات متحده و ایتالیا، موفق به کشف این امواج شدند. به گفته‌ی کریستوفر بری، ستاره‌شناس امواج گرانشی در دانشگاه شمال غربی و دانشگاه گلاسگو و یکی از مؤلفان پژوهش جدید:

این رویداد خارق‌العاده است و می‌تواند درک ما را از شکل‌گیری سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی تغییر دهد؛ اما برای اثبات فرضیه‌ها هنوز به مشاهدات بیشتری نیاز است.

گروه بین‌المللی پژوهشگرها، از آشکارساز‌های چند کیلومتری برای کشف ارتعاشات دقیقه‌ای در فضا و زمان استفاده می‌کند. این ارتعاشات حاصل برخورد اجرام سنگین در جهان هستند. از داده‌ای جمع‌آوری شده می‌توان برای اندازه‌گیری جرم اجرام برخوردی هم استفاده کرد.

در اوت سال گذشته، برخورد بین سیاهچاله و  جرمی دیگر کشف شد. طبق تحلیل‌ها، برخورد این دو جرم نوعی رویداد موج گرانشی است. اخترفیزیک‌دان‌ها به مرور تحلیل‌های بیشتری را روی داده‌های به دست آمده انجام دادند و متوجه کشفی عجیب‌تر شدند. طبق تحلیل‌ها، جرم یکی از اجرام برخوردی ۲۳ برابر جرم خورشید بود (سیاهچاله) و جرم دیگری، ۲/۶ برابر جرم خورشید بود اما ماهیت نامشخصی داشت.

این نمودار طیف تغییر رویدادهای برخوردی را نشان می‌دهد که ازطریق امواج گرانشی رصد شده‌اند. بخش پائین تصویر، اجرامی در ابعاد ستاره‌ی نوترونی را نشان می‌دهد؛ بخش بالا اجرام در ابعاد سیاهچاله را نشان می‌دهد. کشف جدید، رویداد برخورد یک سیاهچاله و نوعی ستاره‌ی نوترونی بسیار بزرگ یا سیاهچاله‌ی بسیار کوچک است.

اندازه‌ی شیء دوم در تعریف دانشمندان از شکاف جرمی صدق می‌کند: جرمی که به اندازه‌ی قابل توجهی کوچکتر از هر سیاهچاله‌ای است (تقریبا پنج برابر بزرگتر از جرم خورشید)، اما ابعاد آن از هر ستاره‌ی نوترونی شناخته‌شده‌ای بزرگتر است (تقریبا ۲/۵ برابر جرم خورشید).

جرم یادشده پس از برخورد با سیاهچاله‌ی بزرگ، دیگر وجود ندارد. بااین‌حال در آینده می‌توان از برخوردهای دیگر، اطلاعات بیشتری را از شکاف‌های جرمی به دست آورد. در صورتی که جرم یاد‌شده سیاهچاله‌ای سبک باشد، هیچ نظریه‌‌ای درباره‌ی آن وجود ندارد یا هنوز تعریف نشده است؛ اما پروفسور فابیو آنتونیونی، معتقد است منظومه‌ای سه ستاره‌ای می‌تواند منجر به شکل‌گیری سیاهچاله‌های سبک شود. پس از کشف رویداد برخوردی جدید، فرضیه‌های او توجه بسیاری را به خود جلب کرده‌اند.

به عقیده‌ی پروفسور برنارد اسکوتز از مؤسسه‌ی فیزیک گرانشی مکس پلنک، اگر شیء برخوردی نوع سنگینی از ستاره‌های نوترونی باشد، باید در نظریه‌های تعریف و شکل‌گیری ستاره‌های نوترونی بازنگری کرد. به گفته‌ی ویکی کالوگرا، اخترفیزیک‌دان دانشگاه شمال غربی و یکی از مؤلفان پژوهش:

برخورد دو جرم با ماهیتی متفاوت مثل سیاهچاله و ستاره‌ی نوترونی، ده‌ها سال قبل پیش‌بینی شده بود؛ اما این جرم فشرده که در شکاف جرمی قرار می‌گیرد، کاملا یک شگفتی است. گرچه نمی‌توانیم جرم مدنظر را با اطمینان دسته‌بندی کنیم، سنگین‌ترین ستاره‌های نوترونی یا سبک‌ترین سیاهچاله‌ها را می‌شناسیم. به هر‌حال جرم جدید، رکوردها را شکسته است.

سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی معمولا پس از مرگ ستاره‌ها به وجود می‌آیند. اگر ستاره‌ای بسیار بزرگ باشد، حاصل فروپاشی آن یک سیاهچاله خواهد بود؛ جرمی با نیروی جاذبه‌ی بسیار قوی که حتی نور هم قادر به فرار از آن نیست. اگر جرم ستاره‌ از حد مشخصی کمتر باشد، پس از فروپاشی به توپ متراکمی تبدیل می‌شود که کل ذره‌های آن از نوترون تشکیل شده‌اند. مواد تشکیل‌دهنده‌ی ستاره‌ی نوترونی به قدری متراکم هستند که وزن یک قاشق چایخوری روی آن‌ها به ده میلیون تن می‌رسد.

ستاره‌های نوترونی همچنین نیروی گرانشی بسیار بالایی دارند و به سمت یکدیگر کشیده می‌شوند. نیروی بین نوترون‌ها که نیروی قوی هسته‌ای هم نامیده می‌شود منجر به جداسازی ذرات می‌شود و نیروی گرانشی را خنثی می‌کند. طبق نظریه‌های فعلی، نیروی گرانشی در صورتی غالب خواهد شد که جرم ستاره‌ی نوترونی بیش از دو جرم خورشیدی باشد. زوج برخوردی جدید برخلاف برخوردهای منطبق فیزیکی که تاکنون دیده شده‌اند، نابرابر است؛ به‌طوری‌که جرم شیء بزرگتر ۹ برابر بیشتر از شیء کوچکتر است. درنتیجه بررسی جزئیات رویداد در سیگنال‌های موج گرانشی دشوار می‌شود.

دانشمندان با درک رویداد برخوردی جدید می‌توانند اطلاعات بیشتری را درباره‌ی ستاره‌های نوترونی بیاموزند. بررسی ستاره‌های نوترونی کار آسانی نیست و شبیه‌سازی آن‌ها روی زمین دشوار است؛ اما با پی‌بردن به خواص ماده می‌توان حداکثر اندازه‌ی یک ستاره‌ی نوترونی را تخمین زد. از سوی دیگر، درک شکاف جرمی دانشمندان را فراتر از این مشاهدات خواهد برد. ده‌ها سال است مدل‌های اخترفیزیکی به شکافی بین بزرگ‌ترین ستاره‌های نوترونی و کوچک‌ترین سیاهچاله‌ها اشاره می‌کنند. در صورتی که این شکاف بسیار کوچکتر از مقدار فرضی باشد یا اصلا وجود نداشته باشد، باید در مدل‌های فیزیکی بازنگری کرد.