The exotic black hole-neutron star binaries in our Galaxy

في الزوايا الهادئة من مجرتنا، درب التبانة، لطالما اشتبه علماء الفلك في وجود مجتمع خفي من الأزواج الكونية: ثقب أسود ونجم نيوتروني محبوسان في مدار ضيق. تُعتبر هذه الأزواج بمثابة "الكأس المقدسة" للفيزياء الفلكية لأنها توفر مختبراً فريداً لاختبار قوانين الجاذبية وفهم كيفية سلوك أكثر الأجسام كثافة في الكون. ومع ذلك، وعلى الرغم من عقود من البحث باستخدام التلسكوبات الراديوية القوية، لم يتم العثية على نظام ثنائي واحد من هذه الأنظمة داخل مجرتنا. وبينما رصدنا الاصطدام النهائي العنيف لمثل هذه الأزواج في مجرات بعيدة، فإن تلك التي ينبغي أن تكون متوارية في مكان قريب لا تزال غير مرئية. وقد ترك هذا الغياب العلماء أمام لغز: هل هذه الأنظمة أندر مما تتنبأ به النماذج، أم أنها ببساطة تختبئ في وضح النهار، غير مرئية لأساليبنا الحالية؟

قد يكمن الرابط المفقود في مادة تتخلل الكون ولكنها تظل غير مكتشفة: المادة المظلمة. لسنوات، عرف الباحثون أن الأجسام الضخمة مثل النجوم والكواكب يمكن أن تعمل كمصائد لجسيمات المادة المظلمة. فبينما تنجرف هذه الجسيمات غير المرئية عبر الفضاء، يمكن لجاذبية النجم الكثيفة أن تجذبها للداخل، حيث تصطدم بالمادة العادية، وتفقد سرعتها، وتصبح محاصرة بالداخل. هذه العملية تنقل الطاقة إلى النجم، مما يؤدي إلى تسخينه. وفي السيناريوهات القياسية، يكون هذا التسخين خافتاً جداً بحيث لا يمكن رؤيته. ومع ذلك، تقترح دراسة جديدة أجراها "مان هو تشان" أنه في أنظمة ثنائية محددة، يمكن تضخيم هذا التسخين إلى مستويات قصوى، مما يحول النجم النيوتروني البارد وغير المرئي إلى منارة متوهجة يمكن لتلسكوباتنا رصدها أخيراً.

تشير أعمال "تشان" إلى أن بعض الثقوب السوداء في هذه الأزواج المفقودة قد تكون "بدائية"، مما يعني أنها تشكلت في الكون المبكر جداً بدلاً من الانهيار الناتج عن نجم يحتضر. وإذا كان هذا صحيحاً، فإن هذه الثقوب السوداء ستكون محاطة بـ "نتوء" كثيف ومركز من المادة المظلمة منذ لحظة ولادتها. وبخلاف المادة المظلمة المنتشرة في بقية المجرة، سيكون هذا النتوء كثيفاً للغاية. وعندما يدور نجم نيوتروني حول مثل هذا الثقب الأسود، فإنه يتحرك عبر هذه السحابة الكثيفة من المادة المظلمة. ويعمل النجم النيوتروني مثل الشبكة، حيث يلتقط كمية هائلة من جسيمات المادة المظلمة أثناء رحلته. والطاقة المنبعثة من هذا الالتقاط شديدة لدرجة أنها تبقي سطح النجم النيوتروني عند درجة حرارة ملتهبة تبلغ حوالي مليون درجة كلفن.

هذه الحرارة الشديدة تغير قواعد اللعبة بالنسبة للكشف. فالنجم النيوتروني العادي، حتى لو تم تسخينه بواسطة التقاط المادة المظلمة القياسي، سيكون بارداً وصغيراً جداً بحيث لا يمكن رؤيته بالتقنيات الحالية. لكن النجم النيوتروني المسخن إلى مليون درجة سوف يتوهج بسطوع في الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. ويحسب "تشان" أن مثل هذا النجم سيكون مرئياً للأدوات القوية مثل تلسكوب "إكس إم إم-نيوتن" (XMM-Newton) للأشعة السينية وتلسكوب جيمس ويب الفضائي. وإذا وجدت هذه الأزواك الغريبة، فستظهر كنقاط ضوئية صغيرة وحارة للغاية لا تتناسب مع ملف تعريف أي جسم معروف آخر.

لا تدعي الدراسة أنها وجدت هذه الأجسام بعد، لكنها توفر خارطة طريق واضحة لكيفية العثور عليها. فمن خلال البحث عن هذه النجوم النيوترونية شديدة الحرارة، يمكن لعلماء الفلك أخيراً تحديد مواقع أزواج الثقب الأسود والنجم النيوتروني المفقودة في مجرتنا. علاوة على ذلك، فإن سطوع هذه النجوم لن يخبرنا فقط عن موقعها؛ بل سيكشف أيضاً عن كثافة المادة المظلمة المحيطة بها. فإذا تم العثور على نجم نيوتروني ساخن، يمكن استخدام درجة حرارته لوضع حدود صارمة للغاية على كيفية تفاعل جسيمات المادة المظلمة مع المادة العادية، مما قد يحسن فهمنا لهذه المادة الغامضة بما يتجاوز بكثير ما يمكن للتجارب الحالية على الأرض تحقيقه.

ويقر الباحثون بأن عمليات أخرى يمكن أن تسخن النجوم النيوترونية، لذا فإن العثور على نجم ساخن وحده ليس كافياً لتأكيد النظرية. وللتأكد، سيتعين على علماء الفلك التحقق من أن النجم الساخن يدور بالفعل حول ثقب أسود وأن النظام يظهر علامات السحب الجاذبي الناتج عن نتوء المادة المظلمة. ومع ذلك، فإن هذا الاقتراح يقدم استراتيجية جديدة ومقنعة: بدلاً من الاستماع إلى الإشارات الراديوية التي قد لا تكون موجودة، يجب أن نبحث عن البصمة الحرارية لنجم تم شحنه بالطاقة بواسطة المادة غير المرئية في الكون. وإذا نجح الأمر، فقد يحل هذا النهج لغز الثنائيات المفقودة ويفتح نافذة جديدة على فيزياء المادة المظلمة والجاذبية.