Bayesian approach study of hybrid neutron stars

في أعماق الكون، بعيداً عن متناول تلسكوباتنا، تكمن بعض أكثر الأجسام تطرفاً في الكون: النجوم النيوترونية. هذه النجوم هي النوى المنهارة لنجوم ضخمة ماتت، وانضغطت لتصبح كرات يبلغ عرضها حوالي عشرين كيلومتراً فقط ولكنها تحتوي على كتلة تفوق كتلة شمسنا بأكملها. داخلها، تضغط الجاذبية المادة بقوة شديدة لدرجة أن الذرات نفسها تُسحق، تاركة وراءها حساءً كثيفاً من البروتونات والنيوترونات. لعقود من الزمن، تساءل الفيزيائيون عما إذا كان هذا الضغط يذهب إلى أبعد من ذلك، مما يجبر البروتونات والنيوترونات على التفكك إلى لبنات بنائها الأساسية: الكواركات. إذا حدث هذا، فستتحول نواة النجم إلى حالة جديدة من المادة، مما يخلق ما يسميه العلماء "النجوم الهجينة" — وهو جرم سماوي يتكون من نواة من الكواركات الحرة المحاطة بغلاف من المادة النووية العادية. إن تحديد ما إذا كانت هذه النوى الغريبة موجودة هو أحد التحديات الكبرى في الفيزياء الفلكية الحديثة، لأن ذلك من شأنه أن يكشف كيف تتصرف المادة في ظل ظروف لا يمكن إعادة إنتاجها في أي مختبر على الأرض.

ولحل هذا اللغز، لجأ فريق من الباحثين إلى طريقة إحصائية قوية تُعرف باسم التحليل البايزي (Bayesian analysis). وبدلاً من التخمين حول أي نموذج للمادة قد يكون صحيحاً، استخدموا هذا النهج لاختبار عدة نظريات مختلفة مقابل بيانات واقعية جُمعت بواسطة أدوات متطورة. لقد ركزوا على قياسات كتل وأحجام النجوم النيوترونية، التي جُمعت من كواشف الموجات الثقالية التي تستمع إلى التموجات في الزمكان الناتجة عن تصادم النجوم، ومن تلسكوبات الأشعة السينية التي توقّت نبضات الضوء من النجوم الدوارة. قام الباحثون ببناء نماذج حاسوبية لهذه النجوم، حيث صنعوا طبقتين متمايزتين لكل منها: غلاف خارجي مكون من مادة نووية عادية، ونواة مركزية مكونة من مادة كواركية غير مقيدة. واختبروا ثلاثة طرق مختلفة لوصف الغلاف الخارجي، كل منها يعتمد على افتراضات مختلفة قليلاً حول كيفية تفاعل الجسيمات، وربطوها بنموذج للنواة الكواركية يتضمن معايير محددة لكيفية دفع الكواركات لبعضها البعض وكيفية تقيدها.

قام الفريق بعد ذلك بتشغيل نماذجهم عبر عملية استبعاد صارمة. فقد طلبوا من محاكاتهم الحاسوبية إيجاد الإعدادات المحددة للنواة الكواركية التي تسمح للنجوم الهجينة الناتجة بمطابقة كتل وأحجام النجوم النيوترونية الحقيقية المرصودة. ومن الأهمية بمكان، أنهم تحققوا أيضاً مما إذا كانت هذه النجوم ستظل مستقرة وما إذا كان الانتقال من المادة النووية إلى المادة الكواركية يحدث عند كثافة منطقية من الناحية الفيزيائية. أشارت النتائج إلى نتيجة محددة للغاية. فالنموذج الأكثر نجاحاً، الذي جمع بين وصف معين للغلاف الخارجي ومجموعة محددة من القواعد للنواكة الكواركية، اقترح أن انتقال الطور إلى المادة الكواركية يمكن أن يحدث عند كثافات تقل عن ضعف كثافة النوى الذرية العادية. وتوحي هذه النتيجة بأن النجوم الهجينة ذات النوى الكواركية الكبيرة هي تكوين محتمل يتوافق مع البيانات، رغم أن الأدلة الإحصائية التي تفضل هذا النموذج المحدد على البدائل لا تزال غير حاسمة.

ومع ذلك، سلطت الدراسة أيضاً الضوء على تحديات كبيرة للاحتمالات الأخرى. فعندما اختبر الباحثون نماذج تتضمن جسيمات غريبة تسمى "الهيبيرونات" (hyperons) في الغلاف الخارجي، أو عندما استخدموا أوصافاً رياضية مختلفة للمادة النووية، فإن النجوم الناتجة غالباً ما فشلت في مطابقة البيانات المرصودة أو انتهكت الحدود الفيزيائية المعروفة. وبشكل خاص، تنبأت العديد من النماذج البديلة، بما في ذلك النماذج التي تحتوي على الهيبيرونات، بأن النجوم ستكون إما "لينة" جداً أو "صلبة" جداً، أو أنها اقترحت أن الانتقال إلى المادة الكواركية سيحدث عند كثافات عالية جداً لدرجة أن النجوم ستنهار قبل الوصول إلى الكتلة اللازمة. أظهر التحليل أنه بينما لم يتم استبعاد النماذج الهيبيرونية تماماً كإمكانية نظرية، إلا أنها انتهكت قيوداً محددة مستمدة من الديناميكا الكمومية اللونية الاضطرابية (pQCD). ولم يستطع سوى نطاق ضيق من المعايير للنواة الكواركية إنتاج نجم مستقر ومتسق في الوقت نفسه مع القياسات الدقيقة من الملاحظات الفلكية الأخيرة، وإن كان أفضل النماذج ملاءمة لا يزال يظهر بعض التوتر مع الحدود النظرية.

وجد الباحثون أن النموذج الأفضل ملاءمة يتنبأ بانتقال إلى المادة الكواركية يحدث عند كثافة تبلغ حوالي 1.9 مرة من الكثافة العادية للمادة النووية. وعند هذه النقطة، ستبدأ نواة النجم في تغيير طبيعتها، مما يخلق منطقة واسعة من المادة الكواركية في الداخل. وتشير الدراسة إلى أن هذه النجوم الهجينة سيكون لها نصف قطر يبلغ حوالي 12 كيلومتراً ويمكنها دعم كتل تصل إلى حوالي 2.1 مرة من كتلة شمسنا. وتتوافق هذه القيم مع أثقل النجوم النيوترونية التي رصدناها، مثل النجم المعروف باسم PSR J0740+6620، الذي تزيد كتلته عن كتلتين شمسيتين، رغم أن الدراسة تشير إلى أن أفضل نموذج ملاءمة لا يزال ينتهك قيود pQCD المحددة في مخططات معينة. وتوحي النتائج بأن داخل هذه النجوم الضخمة هو على الأرجح مزيج معقد من الأطوار، حيث تجبر الضغوط القصوى المادة على حدوث تغيير جوهري في طبيعتها.

لقد قدمت الدراسة صورة أوضح للمداخل المخفية لأكثر الأجسام كثافة في الكون، لكنها سلطت الضوء أيضاً على حدود معرفتنا الحالية. لاحظ الباحثون أن اللحظة الدقيقة التي يحدث فيها الانتقال تعتمد بشكل كبير على النموذج المحدد المستخدم للغلاف الخارجي للنجم. اقترحت بعض النماذج أن الانتقال يحدث مبكراً، بينما دفعته نماذج أخرى إلى كثافات أعلى، ولكن فقط أحد التوليفات استوفى غالبية القيود المستمدة من البيانات الفلكية، رغم أنه لا يزال ينتهك قيود pQCD المحددة في مخططات معينة. كما فحص الفريق كيف يتغير شكل النجم عندما يتم سحبه بفعل جاذبية نجم مرافق، وهي خاصية تُعرف باسم "القابلية للتشوه المدّي" (tidal deformability). وأظهرت نتائجهم أن النماذج الأكثر نجاحاً تنتج نجوماً تتشوه بطريقة تتوافق مع الموجات الثقالية التي تم رصدها من تصادم نجمين نيوترونيين في عام 2017.

في النهاية، يقدم هذا العمل صورة أوضح للمداخل المخفية لأكثر الأجسام كثافة في الكون. فمن خلال الجمع بين القياسات الفلكية الدقيقة والأدوات الإحصائية المتطورة، نجح الباحثون في تضييق الاحتمالات لما يكمن في قلب النجم النيوتروني. لقد أظهروا أن وجود نواة كواركية كبيرة هو سمة محتملة لهذه العمالقة الكونية، بشرط أن تتبع القوانين التي تحكم الانتقال بين المادة النووية والمادة الكواركية مساراً محدداً، حتى لو لم تكن الأدلة الإحصائية لهذا السيناريو المحدد حاسمة بعد. هذا لا يثبت أن كل نجم نيوتروني يمتلك نواة كواركية، ولكنه يوضح أن هذا التكوين يتوافق مع الكثير مما نعرفه حالياً عن الكون. ومع وصول بيانات جديدة من أدوات أكثر حساسية، ستخضع هذه النماذج لمزيد من الاختبار، مما قد يكشف عن الطبيعة الحقيقية للمادة عند حافة الوجود.