Neutron Star vs Quark Star in the Multimessenger Era
باستخدام الاستدلال البايزي على بيانات متعددة الرسائل ومعادلة حالة غير مقيدة بالفيزياء، تفضل هذه الدراسة سيناريو "العائلتين" حيث يتعايش النجوم النيوترونية والنجوم الغريبة من الكواركات، وتحدد النجم النابض PSR J0740+6620 كنجم كوارك، مما يوفر دعماً فلكياً للاستقرار المطلق للمادة الغريبة من الكواركات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعماق قلب الكون، حيث تسحق الجاذبية المادة إلى كثافات يستحيل إعادة إنتاجها على الأرض، تكمن أكثر الأجسام تطرفاً المعروفة علمياً: النجوم المتراصة. هذه هي بقايا النجوم الضخمة التي انهارت تحت ثقل وزنها، حيث حشرت كتلة تفوق كتلة شمسنا في كرة لا يتجاوز عرضها بضع عشرات من الكيلومترات. لعقود من الزمن، جادل علماء الفلك حول ماهية مكونات هذه الأجسام. يرى الرأي السائد أنها نجوم نيوترونية، وهي كتل كونية حيث ضُغطت البروتونات والإلكترونات معاً لتشكل نيوترونات، مما خلق سائلاً كثيفاً لدرجة أن ملعقة صغيرة واحدة منه ستزن مليار طن. ومع ذلك، تشير فكرة منافسة إلى أنه تحت هذا الضغط الهائل، قد تتفكك حتى النيوترونات إلى لبنات بنائها الأساسية — الكواركات — مما يخلق نجماً مكوناً بالكامل من حساء غريب من الكواركات حرة التدفق. إن مسألة ما إذا كانت هذه النجوم مكونة من نيوترونات أو كواركات ليست مجرد مسألة تصنيف؛ بل إنها تمس القوانين الفيزيائية ذاتها التي تحكم كيفية سلوك المادة في أكثر حالاتها تطرفاً.
تقدم دراسة جديدة أجراها باحثون في جامعة شانغهاي جياو تونغ منظوراً جديداً لهذا اللغز القديم عبر التعامل مع الكون كمختبر عملاق. فبدلاً من افتراض أن كل هذه النجوم المنهارة هي نفسها، استخدم الفريق طريقة إحصائية قوية لتحليل البيانات من مصادر متعددة، بما في ذلك الموجات الثقالية الناتجة عن اصطدام النجوم والقياسات الدقيقة للنباضات من تلسكوبات الأشعة السينية التابعة لناسا. لقد طرحوا سؤالاً بسيطاً ولكنه عميق: إذا نظرنا إلى العائلة بأكملها من النجوم المتراصة المرصودة، فهل تنتمي جميعها إلى نوع واحد، أم أن هناك نوعين متميزين يعيشان جنباً إلى جنب؟ ومن خلال مقارنة البيانات المرصودة بالتوقعات لثلاثة سيناريوهات مختلفة — واحد حيث يكون كل نجم نجماً نيوترونياً، وواحد حيث يكون كل نجم نجماً كواركياً، وواحد حيث يوجد كلا النوعين معاً — وجد الباحثون أن الكون على الأرجية أكثر تنوعاً مما كان يُعتقد سابقاً.
لم يعتمد الباحثون على نظرية واحدة لكيفية سلوك المادة داخل هذه النجوم. بدلاً من ذلك، بنوا نموذجاً مرناً مدفوعاً بالبيانات يمكنه التكيف مع ما تقترحه الملاحظات، مما سمح للبيانات بالتحدث عن نفسها. لقد غذوا هذا النموذج بمعلومات من ستة أجرام سماوية محددة: أربعة نباضات تم قياس أحجامها وكتلها بدقة عالية، والنجمان المشاركان في حدث الموجات الثقالية الشهير GW170817، والذي قدم أدلة حول مدى سهولة سحق هذه النجوم. كما تضمنوا حدوداً نظرية لكيفية سلوك المادة عند الكثافات العالية جداً، والمستمدة من أفضل فهمنا لفيزياء الجسيمات. ثم اختبر الفريق كل تركيبة ممكنة لهذه النجوم الستة، متسائلين عما إذا كان كل منها نجماً نيوترونياً أم نجماً كواركياً، لمعرفة أي ترتيب عام يتناسب بشكل أفضل مع البيانات.
أشارت النتائج بقوة نحو سيناريو "العائلتين". في الحالة الأكثر احتمالاً، يحتوي الكون على فرعين متميزين من النجوم المتراصة. فالنجوم الأثقل والأكثر كتلة تنتمي إلى عائلة واحدة، بينما تنتمي النجوم الأخف وزناً إلى أخرى. وتحديداً، تشير الدراسة إلى أن أثقل نباض مرصود، والمعروف باسم PSR J0740+6620، هو على الأرجح نجم كوارك غريب — وهو جسم مرتبط ذاتياً مكون بالكامل من كواركات غير مقيدة. وفي المقابل، فإن النجوم الخمسة الأخرى في العينة، بما في ذلك النجمان اللذان اصطدما لتوليد الموجات الثقالية، توصف بشكل أفضل بأنها نجوم نيوترونية تقليدية. وتعد هذه النتيجة مهمة لأنها تحل توتراً طويل الأمد في الفيزياء الفلكية. فمن المتوقع أن يكون للنجوم النيوترونية حد أقصى للحجم؛ إذا أصبحت ثقيلة جداً، يجب أن تنهار إلى ثقوب سوداء. ومع ذلك، نحن نرصد نباضات تبلغ كتلتها ضعف كتلة الشمس تقريباً. وإذا كانت جميع النجوم نيوترونية، فستحتاج بنيتها الداخلية إلى أن تكون صلبة للغاية لدعم هذا الوزن، لكن هذه الصلابة ستجعلها كبيرة جداً بحيث لا تتناسب مع قياسات الحجم للنجوم الأصغر. ومن خلال السماح للنجم الثقيل بأن يكون نوعاً مختلفاً تماماً، تقدم الدراسة حلاً طبيعياً: النجم الثقيل هو نجم كواركي، والذي يمكن أن يكون أكثر كتلة وكثافة بكثير، بينما تظل النجوم الأخف نجومًا نيوترونية ذات بنية أكثر ليونة ومرونة.
كشفت الدراسة أيضاً عن كيفية انتقال سرعة الصوت عبر المادة داخل هذه النجوم، وهي خاصية تخبرنا بمدى صلابة أو ليونة المادة. في السيناريو الذي تكون فيه جميع النجوم نجوماً نيوترونية، تظهر سرعة الصوت ذروة حادة وغير متوقعة عند كثافات معينة، وهي ميزة حيرت الفيزيائيين لسنوات. ومع ذلك، في سيناريو العائلتين المفضل، تختفي هذه الذروة. بدلاً من ذلك، ترتفع سرعة الصوت بثبات ثم تستقر، وهو سلوك أكثر سلاسة يتوافق بشكل أفضل مع التوقعات النظرية لكيفية تصرف المادة تحت مثل هذا الضغط الساحق. وهذا يشير إلى أن البنية الداخلية لنجم نيوتروني تختلف جوهرياً عن بنية النجم الكواركي، وأن الكون لا يجبر جميع النجوم المتراصة على قالب واحد.
ورغم أن الأدلة ليست مطلقة بعد، إلا أن الثقل الإحصائي للبيانات يرجح كفة هذا المجتمع المختلط. فقد حسب الباحثون أن سيناريو العائلتين هو أكثر احتمالاً بنحو ست مرات من سيناريو كون جميع النجوم نجوم كوارك (up-down quark stars)، وهو أكثر احتمالاً بشكل كبير من سيناريو كون جميع النجوم نجوماً نيوترونية. يوصف هذا المستوى من الثقة بأنه "دليل متوسط"، مما يعني أن البيانات تشير بقوة في هذا الاتجاه ولكنها تترك مجالاً للملاحظات المستقبلية لتنقيح الصورة. كما أن تصنيف أثقل نجم كـ نجم كواركي له آثار عميقة على طبيعة المادة نفسها. فهو يدعم فرضية أن مادة الكوارك الغريبة قد تكون الشكل الأكثر استقراراً للمادة في الكون، وربما توجد في حالة لا تتحلل أبداً. وإذا كان هذا صحيحاً، فقد يعني ذلك أن قطعاً صغيرة من هذه المادة الغريبة، المعروفة باسم "السترينجليت" (strangelets)، قد نجت من الكون المبكر وقد تشكل نوعاً من المادة المظلمة، رغم أن هذا يظل احتمالاً نظرياً.
كما اختبرت الدراسة مدى حساسية هذه الاستنتاجات للطريقة التي يفسر بها علماء الفلك البيانات من نباض محدد، وهو PSR J0030+0451. فاعتماداً على النموذج المستخدم لتحليل البقع الساخنة على سطح هذا النجم، يمكن أن يتغير تصنيف هذا النجم تحديداً بين كونه نجماً نيوترونياً أو نجماً كواركياً. ومع ذلك، ظل تحديد النجم الأثقل، PSR J0740+6620، كـ نجم كواركي ثابتاً عبر جميع النماذج المختبرة. ويشير هذا الاستقرار إلى أن التمييز بين العائلتين هو ميزة حقيقية في الكون، وليس مجرد نتاج لطريقة قياسنا لجسم واحد بعينه. ومع دخول تلسكوبات جديدة وكواشف موجات ثقالية في الخدمة، ستوفر هذه الأدوات بيانات أكثر دقة، مما قد يؤكد ما إذا كانت هاتان العائلتان من النجوم تتعايشان حقاً في سماء الليل، لتكشف عن سكان أكثر تعقيداً وتنوعاً من بقايا النجوم مما تخيلناه يوماً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.