Magnus mountains on spinning neutron stars

تخيل الكون كملعب كوني عملاق، حيث تُمدد قواعد الفيزياء إلى أقصى حدودها. في هذا الملعب، توجد أجسام تسمى النجوم النيوترونية. هذه النجوم هي القلوب المنهارة للنجوم الميتة، وهي كثيفة للغاية لدرجة أن ملعقة صغيرة واحدة من مادتها قد تزن بقدر جبل. ولأنها كثيفة للغاية، فإن المادة بداخلها تتصرف بطرق لا يمكننا إعادة إنتاجها في أي مختبر على الأرض. يعتقد العلماء أن المادة في أعماق هذه النجوم تتدفق كـ "سائل فائق" (superfluid)—وهو سائل ذو احتكاك صفري يمكنه الدوران للأبد دون أن يتباطأ.

الآن، تخيل هذا السائل الفائق وهو يدور داخل غلاف صلب، مثل طبقة من الجيلي داخل غلاف حلوى صلب. بينما يدور النجم، يرغب السائل الفائق في الاستمرار في الحركة، لكن الغلاف الصلب (القشرة) يتباطأ بسبب القوى المغناطيسية. هذا يخلق حالة من شد الحبل. يصبح السائل الفائق "عالقاً" بالقشرة في نقاط صغيرة غير مرئية، مما يخلق فجوة زمنية (lag). يستكشف هذا البحث ما يحدث عندما تدفع هذه المادة الفائقة القشرة، محاولةً تغيير شكل النجم. إذا أصبح النجم "متكتلاً" بما يكفي، فقد يعمل مثل منارة كونية، ترسل نبضات من التموجات في الزمكان تسمى موجات الجاذبية. إن اكتشاف هذه الموجات سيكون بمثابة سماع نبض قلب الكون، ليخبرنا بأسرار المادة تحت الضغط الشديد.

---

"جبل ماغنوس" الكوني

في هذه الدراسة، يطرح الباحثان ياشاسوي غانغوار ودانيال آي جونز من جامعة ساوثهامبتون سؤالاً فيزيائياً ممتعاً: هل يمكن للقوى غير المرئية داخل نجم نيوتروني دوار أن تبني جبلاً؟

إنهما لا يتحدثان عن جبل مكون من صخور وتراب، بل يتحدثان عن "جبل ماغنوس". لفهم ذلك، فكر في كرة بيسبول دوارة؛ عندما يرمي الرامي كرة منحنية، تسحب الكرة الدوارة الهواء حولها، مما يخلق قوة تدفع الكرة جانبياً. يُسمى هذا "تأثير ماغنوس". داخل النجم النيوتروني، تكون "الكرة" هي السائل الفائق، و"الهواء" هو القشرة الصلبة. عندما يعلق السائل الفائق (أو "ينشب") بالقشرة بطريقة فوضوية وغير منتظمة، فإنه يخلق دفعة جانبية—قوة ماغنوس—تحاول ضغط وتمديد قشرة النجم.

قام المؤلفان ببناء نموذج حاسوبي لمعرفة ما إذا كانت هذه القوة قوية بما يكفي لتغيير شكل النجم فعلياً. لقد بسطا المشكلة عبر تخيل النجم ليس ككرة، بل كاسطوانة طويلة جداً (مثل علبة صودا كونية عملاقة). داخل هذه العلبة، قاما بنمذجة سائلين: مكون نيوتروني فائق السيولة، ومكون مشحون (بروتونات وإلكترونات) يشكل القشرة الصلبة.

ما وجداه

أجرى الفريق عمليات محاكاة لمعرفة كيف ستتفاعل القشرة عندما تدفع المادة الفائقة ضدها. وإليك ما كشفته "علبة الصودا الكونية" الخاصة بهما:

• القوة حقيقية وقوية: أظهرت عمليات المحاكاة أن قوة ماغنوس قوية بما يكفي لخلق نتوء كبير على سطح النجم. وقد حسبوا أن هذا "الجبل" يمكن أن يكون كبيراً بما يكفي لخلق "رباع أقطاب الكتلة" (mass quadrupole)—وهو مقياس لمدى تكتل النجم—بقيمة تصل إلى 10⁻⁵. ولوضع ذلك في السياق، فهذا تشويه بنسبة جزء واحد من كل 100,000. ورغم أن هذا يبدو صغيراً، إلا أنه بالنسبة لنجم بحجم مدينة، يعتبر قمة شاهقة وضخمة.
• لا يوجد "جبل تيار": من المثير للاهتمام، وجدا أنه بينما تصبح كتلة النجم متكتلة، فإن التيار الكهربائي داخل النجم لا يخلق تذبذباً مماثلاً؛ إذ كانت قيمة "رباع أقطاب التيار" (current quadrupole) صفراً في نموذجهما.
• الحد هو القشرة: حجم الجبل لا يتحدد بقوة دفع السائل الفائق، بل بمدى قوة القشرة نفسها. سينمو الجبل حتى تنكسر القشرة أو ينفك السائل الفائق (unpins) عن القشرة ويسمح للنجم بالتباطؤ في دورانه. ويشير المؤلفان إلى أنه إذا كانت القشرة قوية بما يكفي، فقد تكون هذه الجبال كبيرة بما يكفي ليتم رصدها بواسطة كواشف موجات الجاذبية الحالية والمستقبلية.

كيف فعلا ذلك؟

لم يكتفِ الباحثان بالتخمين، بل قاما بحل مجموعة معقدة من المعادلات التي تصف حركة السائل وكيفية تمدد القشرة المرنة. لقد تعاملا مع النجم كاسطوانة لجعل الرياضيات قابلة للإدارة، مع التركيز على نوع محدد من التذبذب (يسمى نمط m=2) الذي يخلق شكلاً رباعي الأقطاب.

وقد اختبرا نتائجهما مقابل تقديرات "العمليات الحسابية السريعة" (الحسابات التقريبية السريعة)، ووجدا أن نماذج المحاكاة الحاسوبية التفصيلية تتوافق جيداً معها. كما تحققا مما إذا كانت القشرة ستنكسر تحت الضغط. وباستخدام قاعدة هندسية قياسية تسمى "معيار فون ميسيس"، وجدا أن القشرة يمكنها على الأرجب تحمل الجبل دون أن تتحطم، بشرط ألا يدور النجم بسرعة كبيرة أو ألا تكون القشرة ضعيفة جداً.

الخلاصة

تشير هذه الورقة البحثية إلى أن "جبال ماغنوس" هي احتمال واقعي جداً في النجوم النيوترونية الدوارة. وإذا وجدت هذه الجبال، فقد تكون هي المصدر لموجات الجاذبية المستمرة التي تبحث عنها أجهزتنا الرصدية حالياً. ويؤكد المؤلفان أن هذا نموذج مبسط (باستخدام أسطوانة بدلاً من كرة)، لكنه يثبت أن الفيزياء تعمل. إنها خطوة واعدة نحو فهم كيف يمكن للرقصة غير المرئية للسوائل الفائقة داخل هذه النجوم الميتة أن تصرخ بوجودها لبقية الكون عبر تموجات في الزمكان.