ستاره نوترونی چیست؟ هرآنچه باید درباره سنگین‌ترین ستارگان جهان بدانید

ستاره‌های نوترونی بقایای هسته‌ی ستاره‌های کلان‌جرمی هستند که به پایان عمر خود رسیده‌اند. دو نقطه‌ی پایانی ستاره‌های کلان‌جرم عبارت‌اند از: سیاه‌چاله‌‌ها و ستاره‌های نوترونی. ستاره‌های نوترونی از سنگین‌ترین اجرام جهان به شمار می‌روند.

براساس تخمین‌های ناسا، نزدیک به یک میلیارد ستاره‌ی نوترونی در کهکشان راه شیری وجود دارند. اغلب ستاره‌های نوترونی که تاکنون کشف شده‌ند، ستاره‌های جوانی هستند که به دلیل چرخش با سرعت بسیار باورنکردنی به دور خود، پرتوهای پرانرژی آن‌ها به زمین می‌رسد. ستاره‌های نوترونی قدیمی‌تر، احتمالا میلیاردها سال عمر دارند و سرعت چرخششان کمتر است. این ستاره‌ها همچنین سردتر هستند، اما شگفتی‌های زیادی را در خود دارند.

ستاره‌ی نوترونی به بقایای هسته‌ی ستاره‌های کلان‌جرم در پایان عمر آن‌ها گفته می‌شود. وقتی ستاره‌ای کلان‌جرم در پایان عمر خود در انفجار موسوم به ابرنواختر منفجر می‌شود، هسته‌ی ستاره می‌تواند به شکل جرمی کوچک و فراچگال دربیاید که جرمی تقریبا برابر جرم خورشید در آن جمع شده است. این هسته‌های بسیار سنگین، ستاره‌ی نوترونی نامیده می‌شوند و از عجیب‌ترین اجرام جهان به شمار می‌روند.

ستاره‌های نوترونی پس از سیاه‌چاله‌ها، سنگین‌ترین عناصر جهان به شمار می‌روند. تنها یک قاشق چای‌خوری از مواد ستاره‌ی نوترونی، روی زمین بیش از ۴ میلیارد تن وزن خواهد داشت.

حیات ستاره‌ها، صرف‌نظر از اندازه، موازنه‌ای بین فشار گرانش به سمت داخل و فشار بیرونی ناشی از فوتون‌های تولیدشده درحین انجام همجوشی هسته‌ای است. وقتی منبع سوخت هیدروژن برای تبدیل به هلیوم به پایان می‌رسد، ستاره‌ها به انتهای رشته‌ی اصلی حیات خود از سوخت هسته‌ای می‌رسند. در این مرحله، انرژی بیرونی متوقف می‌شود و گرانش با برهم‌زدن تعادل یادشده موجب می‌شود هسته‌ی ستاره در خود فروبپاشد.

بااین‌حال، همجوشی هسته‌ای در پوسته‌ی بیرونی ستاره ادامه می‌یابد و این مسئله باعث «پف کردن» لایه‌های بیرونی می‌شود. این لایه‌های خارجی بیرون‌ریخته‌شده در اطراف هسته‌‌ی درحال فروپاشی، سرد می‌شوند و اگر هسته همچنان به اندازه‌ی کافی سنگین باشد، دور جدیدی از همجوشی هسته‌ای را آغاز می‌کند؛ با این تفاوت که این‌بار، هلیوم به عناصر سنگین‌تر مانند کربن تبدیل می‌شود.

حتی ستارگانی با جرم بین ۱۰ تا ۲۰ برابر خورشید، به حدی از تولید عناصر سنگین می‌رسند که معمولا در نهایت، آهن خالص در هسته به وجود می‌آید. حتی این عنصر سنگین هم به اندازه‌ی کافی چگال نیست تا از فروپاشی بیشتر هسته‌های عظیم جلوگیری کند. به این ترتیب، فشار گرانشی به‌قدری شدید می‌شود که الکترون‌های با بار منفی و پروتون‌های دارای بار مثبت که هسته‌های آهن را در هسته‌ی ستاره‌ای تشکیل می‌دهند، درهم کوبیده می‌شوند و دریایی از نوترون‌های بدون‌بار یا خنثی را به وجود می‌آورند.

برخی هسته‌های کلان‌جرم ستاره‌ای در این مرحله به واسطه‌ی پدیده‌ای کوانتومی موسوم به «فشار انحطاط نوترونی» از فروپاشی نجات پیدا می‌کنند. در این نقطه، چگالی به حدی است که نوترون‌ها دیگر نمی‌توانند به یکدیگر نزدیک‌تر شوند و به‌این‌ترتیب به عنوان ستاره‌های نوترونی باقی می‌مانند.

فروپاشی هسته‌های کلان‌جرم در جسمی کوچک که یک یا دو برابر خورشید جرم دارد، اما قطرش تنها به ۱۰ الی ۲۰ کیلومتر می‌رسد، می‌تواند پیامدهای شگفت‌انگیزی به دنبال داشته باشد. فرض کنید خورشید را هم‌اندازه با کره‌ای فشرده کنید که داخل شهر نیویورک با عرض ۵۶ کیلومتر قرار بگیرد؛ اما فشرده‌سازی جرمی به قطر ۱٫۴ میلیون کیلومتر به جرمی با قطر تنها ۲۰ کیلومتر، تأثیر چشمگیری بر مواد داخل آن می‌گذارد.

بر اساس تخمین‌های ناسا، یک حبه‌ی قند که از مواد ستاره‌ی نوترونی ساخته شده باشد، روی زمین می‌تواند به یک میلیارد تن برسد. وزن چنین حبه قندی هم‌ارز با ۳۰۰۰ ساختمان ایمپایر استیت در ایالات متحده یا کل نژاد انسان است.

با اینکه در واقعیت باران مارشمالو روی ستاره‌های نوترونی نمی‌ریزد، در منظومه‌های دوتایی، ستاره‌های نوترونی می‌توانند گازهای ستاره‌ی همراه خود را بربایند. وقتی این گاز با سرعتی برابر با میلیون‌ها کیلومتر بر ساعت روی سطح ستاره‌ی نوترونی سقوط کند، آتش‌بازی قدرتمندی را رقم می‌زند که درجریان آن، پرتوهای ایکس هزاران بار در ثانیه نوسان می‌کنند. تراکم و گرانش ستاره‌های نوترونی تنها دلیل جذابیت آن‌ها نیست و این ستاره‌ها ویژگی‌های جذاب دیگری هم دارند.

ستاره‌های نوترونی انواع مختلفی دارند که از معروف‌ترین آن‌ها می‌توان به مگنتارها، پالسارها یا تپ‌اخترها و ترکیب این دو اشاره کرد.

وقتی ستاره‌های نوترونی متولد می‌شوند، پایستگی تکانه‌ی زاویه‌ای، باعث چرخش آن‌ها در سرعت‌هایی بسیار بالا می‌شود. برای درک علت این پدیده می‌توانید چرخیدن یک اسکیت‌باز روی یخ را در نظر بگیرید. وقتی اسکیت‌باز دست‌های خود را به داخل جمع می‌کند سرعت چرخش او افزایش می‌یابد.

پدیده‌ی مشابهی با کاهش قطر هسته‌ی ستاره هنگام فروپاشی گرانشی رخ می‌دهد. به‌این‌ترتیب، ستاره‌ی نوترونی جوان سریع‌ و سریع‌تر می‌چرخد تا جایی که در هر ثانیه می‌تواند ۶۰ بار به دور خود بچرخد. سرعت چرخش بسیاری از ستاره‌های نوترونی با افزایش سن آن‌ها به هشت مرتبه در ثانیه می‌رسد؛ اما موقعیت برای ستاره‌های نوترونی که مواد ستاره‌ای را از شریک دوتایی خود به سرقت می‌برند، متفاوت است. این مواد حامل تکانه‌ی زاویه‌ای هستند و بنابراین باعث افزایش سرعت چرخش ستاره‌های نوترونی می‌شود. به‌این‌ترتیب ستاره‌های نوترونی با سرعت چرخش بالای ۶۰۰ یا ۷۰۰ بار بر ثانیه به وجود می‌آیند.

از میان ۳۰۰۰ ستاره‌ی نوترونی کشف شده، بخش زیادی از آن‌ها تپ‌اختر هستند. این ستاره‌ها معمولا پرتوهای دوقلویی را از قطب‌های مغناطیسی خود منتشر می‌کنند. این قطب‌ها ممکن است به صورت دقیق با محور چرخش ستاره‌ی نوترونی تراز نباشند؛ بنابراین با چرخش ستاره‌ی نوترونی، پرتوها هم در آسمان درست مانند پرتوهای فانوس دریایی جابه‌جا می‌شوند. برای ناظر زمینی این طور به نظر می‌رسد که نور ستاره خاموش و روشن می‌شود.

PSR J1748-2446ad که در خوشه‌ی سراسری ستاره‌‌ای، واقع در ۲۸ هزار سال نوری از زمین قرار دارد، سریع‌ترین تپ‌اختری است که تاکنون کشف شده است. این ستاره‌ی نوترونی با سرعت ۷۱۶ مرتبه بر ثانیه یا ۷۱۶ هرتز به دور خود می‌چرخد که حتی از تیغه‌های مخلوط‌کن آشپزخانه هم سریع‌تر است.

از سوی دیگر ستاره‌ی مغناطیسی یا مگنتار، به ستاره‌ای نوترونی با میدان مغناطیسی قوی گفته می‌شود. میدان مغناطیسی مگنتار نه‌تنها هزاران برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی ستارگان نوترونی معمولی است، بلکه قدرت آن می‌تواند به هزار تریلیون برابر میدان مغناطیسی زمین برسد. این میدان مغناطیسی قوی می‌تواند دمای سطح مگنتارها را به بیش از ۱۰ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد برساند. با تمام این ویژگی‌های رکوردشکن،‌ تصور کنید وقتی دو نمونه از بقایای این ستاره‌های پرآشوب کنار هم قرار گیرند، چه اتفاقی رخ خواهد داد.

ستاره‌های نوترونی ممکن است به صورت مجزا وجود داشته باشند و صرفا با دمای سطحی‌شان تشخیص‌پذیر باشد یا می‌توانند در همراهی با ستارگان معمولی زندگی کنند و به‌تدریج مواد آن‌ها را به سمت خود جذب کنند یا در برخی موارد، در سیستم‌های دوتایی با ستاره‌ی نوترونی دیگری وجود داشته باشند.

براساس نظریه نسبیت عام اینشتین، وقتی دو ستاره‌ی نوترونی به دور یکدیگر بچرخند، امواجی را در فضازمان پدید می‌آورند که امواج گرانشی نامیده می‌شود. درست همان‌طور که مواد درحال سقوط روی سطح ستاره‌ی نوترونی، به آن تکانه‌ی زاویه‌ای می‌دهند، امواج گرانشی نیز هنگام به‌جریان‌افتادن از ستارگان نوترونی، تکانه‌ی زاویه‌ای را از منظومه خارج می‌کنند.

ازدست‌دادن تکانه‌ی زاویه‌ای باعث می‌شود ستاره‌های نوترونی به یکدیگر نزدیک شوند و با این اتفاق، امواج گرانشی را با شدت بیشتری منتشر کنند و سرعت ازدست‌رفتن تکانه‌ی زاویه‌ای را افزایش دهند. در نهایت این فرآیند به برخورد یا ادغام ستاره‌های نوترونی و تولید یک ستاره‌ی نوترونی بزرگ‌تر می‌انجامد. این رویداد انفجاری کیلونوا یا گران‌نواختر نامیده می‌شود و ممکن است پس از یک میلیارد سال رقص بقایای ستاره‌ای به دور یکدیگر، تنها در چند میلی‌ثانیه رخ دهد.

گران‌نواخترها انرژی هم‌ارز میلیون‌ها برابر انرژی خورشید را آزاد می‌کنند و فورانی شدید از امواج گرانشی خم‌کننده‌ی فضا و همچنین انفجاری کوتاه اما قدرتمند از پرتوهای گاما را منتشر می‌کنند. این انفجارهای ستاره‌ای عامل شکل‌گیری عنصرهای سنگین‌تر مثل طلا، نقره و پلاتین است.

بسته به اندازه‌ی ستاره‌های نوترونی که در رویداد گران‌نواختر قرار می‌گیرند، نتیجه می‌تواند یک ستاره نوترونی ابرکلان‌جرم باشد که به دلیل فشار انحطاط نوترونی بسیار عظیم است و نمی‌تواند پایدار بماند؛ درنتیجه به سرعت در کمتر از یک ثانیه فرومی‌پاشد و یک سیاه‌چاله را به‌دنیا می‌آورد.

جرم یک ستاره‌ی نوترونی معمولی تقریبا ۱٫۴ برابر خورشید ما است و احتمال دارد تا حدود دو خورشید نیز جرم داشته باشند. اکنون درنظر بگیرید که قطر خورشید ما صد برابر زمین است؛ درحالی‌که در ستاره‌ی نوترونی، تمام آن جرم در کره‌ای فشرده شده است که قطرش تقریبا فقط ۲۰ تا ۴۰ کیلومتر یا به اندازه‌ی یک شهر زمینی است.

ستاره‌های نوترونی اغلب صرفا به اندازه‌ی یک یا دو برابر خورشید جرم دارند، اما به شدت متراکم هستند. فرض کنید خورشیدی که ۱۰۰ برابر عریض‌تر و ۳۳۰ هزار برابر سنگین‌تر از زمین است را در فضایی به ابعاد یک شهر فشرده کنید. اگر بخواهید مواد بیشتری را در این ابعاد بچپانید، گرانش بر آن‌ غلبه کرده و جسم به شکل سیاه‌چاله دچار فروپاشی می‌شود؛ بنابراین ستاره‌های نوترونی در تعادل نسبی قرار دارند.

از نظر تئوری، ستاره‌ی نوترونی می‌تواند تا ابد زنده بماند، زیرا نهایی‌ترین مرحله‌ی عمر ستاره‌ای کلان‌جرم یا به بیان دیگر لاشه‌ی یک ستاره است. با این‌حال اگر ستاره‌ی نوترونی یک همراه در سیستمی دوتایی مثل ستاره‌ی نوترونی یا سیاه‌چاله‌ای دیگر داشته باشد، در نهایت با آن ادغام خواهد شد و محصول نهایی یک سیاه‌چاله یا ستاره‌ی نوترونی سنگین‌تر خواهد بود.

مسیری که ستاره‌ها برای تبدیل به سیاه‌چاله طی می‌کنند مشابه مسیر آن‌ها برای تبدیل به ستاره‌ی نوترونی است؛ اما سؤال اینجاست که چرا سرنوشت برخی ستاره‌ها به ستاره‌ی نوترونی ختم می‌شود در حالی که برخی دیگر به سیاه‌چاله تبدیل می‌شوند.

به نظر می‌رسد، تفاوت کلیدی در افزایش جرم هسته‌ی ستاره‌ای باشد که در صورت فرا رفتن از شاخص انحطاط نوترونی به سیاه‌چاله تبدیل می‌شود. در حال حاضر دانشمندان دقیقا نمی‌دانند مرز تبدیل سیاه‌چاله و ستاره‌ی نوترونی کجاست. یکی از دلایل این عدم قطعیت، دشوار بودن بررسی فضای داخلی ستاره‌های نوترونی است.

پژوهشگرها گمان می‌کنند، مرز تفکیک ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها به سه برابر جرم خورشیدی نزدیک‌تر است. از آنجا که تفاوت کلیدی بین سیاه‌چاله و ستاره‌ی نوترونی، جرم آن‌ها است، به نظر می‌رسد ستاره‌های نوترونی با انباشته‌سازی مواد از همراه خود به سیاه‌چاله تبدیل شوند. فرآیند انباشته‌سازی جرمی می‌تواند تا میلیون‌ها سال به طول بینجامد، اما تبدیل ستاره‌ی نوترونی به سیاه‌چاله در کمتر از یک ثانیه رخ می‌دهد.

گرچه ستاره‌های نوترونی مدت‌ها پیش در فیزیک نظری پیش‌بینی‌ شده بودند، برای اولین بار دیم ژاکلین بل برنل، ستاره‌ای نوترونی از نوع تپ‌اختر را در سال ۱۹۶۷ کشف کرد. از آن‌ زمان تاکنون صدها ستاره‌ی نوترونی کشف شده‌اند که از معروف‌ترین آن‌ها می‌توان به تپ‌اختر معروف در قلب سحابی خرچنگ اشاره کرد که باقی‌مانده‌ی ابرنواختر سال ۱۰۵۴ میلادی است. در سال ۲۰۱۷، رصدخانه‌های لایگو و ویرگو برای اولین بار امواج گرانشی حاصل از برخورد ستاره‌های نوترونی را کشف کردند که به اکتشافات بیشتر درباره‌ی ستاره‌های نوترونی انجامید.

ستاره‌های نوترونی، بقایای مرگ ستاره‌های کلان‌جرم در انفجار ابرنواختر هستند. این ستاره‌ها پس از سیاه‌چاله‌ها، سنگین‌ترین اجرام جهان به شمار می‌روند، به طوری که یک قاشق چای‌خوری از ستاره‌ی نوترونی می‌تواند روی زمین چهار میلیارد تن وزن داشته باشد. از طرفی این ستاره‌ها به دلیل خاصیت فشردگی بالا رفتار عجیبی دارند. اگر جسمی کم‌وزن و کوچک با آن‌ها برخورد کند انرژی آزاد شده برابر با هزار بمب هیدروژنی خواهد بود. هنوز رازهای زیادی درباره‌ی ستاره‌های نوترونی وجود دارند که دانشمندان برای پی بردن به آن‌ها تلاش می‌کنند.