Ultra-compact twin stars with hybrid equations of state from bosonic dark matter

في أعماق قلب الكون، حيث الجاذبية شديدة لدرجة أنها تسحق المادة إلى حالة أكثر كثافة من أي مادة على الأرض، تكمن بقايا النجوم الميتة. هذه هي النجوم النيوترونية، الجثث الكونية لشموس ضخمة انهارت تحت ثقل وزنها. وبينما نفهم الطبقات الخارجية لهذه الأجسام، تظل نواتها لغزًا عميقًا. فالضغط في الداخل شديد للغاية لدرجة أنه قد يجبر البروتونات والنيوترونات على الذوبان في "حساء" من أجزائها المكونة، المعروف باسم مادة الكوارك. وفي الوقت نفسه، يمتلئ الكون بالمادة المظلمة غير المرئية، وهي مادة لا تبعث الضوء ولكنها تمارس الجاذبية. ولعقود من الزمن، تساءل العلماء عما يحدث إذا اصطدم هذان اللغزان الكونيان: ماذا لو لم يكن النجم النيوتروني مكونًا من المادة العادية فحسب، بل يحتوي أيضًا على كمية كبيرة من المادة المظلمة المحتبسة داخل نواته؟

لقد أخذ فريق من الباحثين في جامعة غوته في فرانكفورت نظرة جديدة على هذا الاحتمال، حيث جمعوا بين فيزياء مادة الكوارك وفيزياء المادة المظلمة لمعرفة كيف يعيدان تشكيل حياة النجم النيوتروني. وقد ركزوا على سيناريو محدد يكون فيه الانتقال من المادة العادية إلى مادة الكوارك مفاجئًا وعنيفًا، بدلاً من أن يكون تدريجيًا. في عالم النجوم ذات السائل الواحد، عادة ما يخلق مثل هذا القفز المفاجئ فجوة في الاستقرار، مما يعني أن النجوم ذات كتل معينة لا يمكنها الوجود ببساطة. ومع ذلك، وجد الباحثون أن إضافة سائل ثانٍ من المادة المظلمة يغير القواعد تمامًا. ومن خلال محاكاة هذه النجوم الهجينة، اكتشفوا أن المادة المظلمة يمكن أن تعمل كعامل استقرار، مما يؤدي إلى تنعيم الفجوات والسماح بوجود أنواع جديدة من النجوم التي كان يُعتقد سابقًا أنها مستحيلة.

تكشف الدراسة أنه عندما تكون المادة المظلمة موجودة، يمكنها تغيير بنية النجم النتروني بطريقتين مختلفتين تمامًا، مما يخلق عائلتين متميزتين من الأجسام فائقة الكثافة. في أحد السيناريوهات، تشكل المادة المظلمة نواة كثيفة مخفية في عمق النجم، محاطة بغلاف من المادة العادية. وفي السيناريو الآخر، تشكل المادة المظلمة هالة شاسعة ومنتشرة تحيط بالنجم بأكمله، وتمتد إلى ما وراء السطح المرئي للمادة العادية. ومن المثير للاهتمام أن كلا النوعين من النجوم يمكن أن يكونا صغيرين وثقيلين للغاية، حيث يحشران الكثير من الكتلة في مساحة صغيرة جدًا لدرجة تقترب من الحدود التي تسمح بها الفيزياء. ووجد الباحثون أن هذه النجوم فائقة الكثافة يمكن أن تمتلك قيمة اندماج (compactness) لا تقل عن الثلث، وهي عتبة يكون عندها النجم كثيفًا جدًا لدرجة أن الضوء يمكنه الدوران حوله، وهي سمة ترتبط عادة بالثقوب السوداء.

وما يجعل هذا الاكتشاف مثيرًا للاهتمام بشكل خاص هو كيفية تغيير المادة المظلمة العلاقة بين كتلة النجم وحجمه. في النجم النيوتروني القياسي، إذا أضفت المزيد من الكتلة، فإن النجم يتقلص. ولكن مع تدخل المادة المظلمة، وجد الباحثون أن الحجم المرئي للنجم يمكن أن يتقلص بشكل كبير بينما تظل كتلته الإجمالية مرتفعة، أو على العكس من ذلك، يمكن للنجم أن يحافظ على حجم مرئي مماثل مع حمل كمية مختلفة تمامًا من المادة المظلمة. وهذا يؤدي إلى ظاهرة يسميها المؤلفون "التوائم المطلقة". وهي أزواج من النجوم تبدو متطابقة لتلسكوباتنا — لها نفس الكتلة ونفس نصف القطر المرئي — ولكنها مختلفة جوهريًا من الداخل. قد يكون أحدهما نجمًا هجينًا نقيًا بنواة كواركية، بينما يكون توأمه نجمًا هجينًا بهالة ضخمة من المادة المظلمة. بالنسبة لمراقب يقيس فقط حجم النجم ووزنه، فسيظهران كأنهما نفس الجسم، ومع ذلك فإن تركيبهما الداخلي واستجابتهما للقوى الجاذبية سيكونان مختلفين تمامًا.

كما نظر الباحثون في كيفية سلوك هذه النجوم إذا تصادمت أو تعرضت لجاذبية نجم مرافق. ووجدوا أن وجود المادة المظلمة يترك بصمة واضحة في شكل موجات جاذبية. إن "التوائم المطلقة" التي حددوها ستنتج إشارات مختلفة عندما تتفاعل مع النجوم الأخرى، حتى لو بدت متشابهة في الضوء المرئي. علاوة على ذلك، بحثت الدراسة في الضوء المنبعث من سطح هذه النجوم. ولأن الجاذبية تحني الضوء، فإن الضوء من نجم كثيف جدًا يتمدد، أو ينزاح نحو الأحمر (redshifted)، أثناء رحلته إلينا. ووجد الفريق أن هذين النوعين من النجوم فائقة الكثافة ينتجان انزياحات حمراء مختلفة تمامًا. فالنجوم ذات نواة المادة المظلمة تظهر انزياحًا أحمر عاليًا، مشابهًا لما نتوقعه من النجوم العادية الأكثر كثافة. في المقابل، تظهر النجوم ذات هالة المادة المظلمة انزياحًا أحمر منخفضًا بشكل مفاجئ، رغم أنها بنفس القدر من الكثافة. وتحدث هذه النتيجة المنافية للحدس لأن جزءًا كبيرًا من كتلة النجم في نسخة الهالة يقع خارج السطح الذي ينبعث منه الضوء، لذا لا يتعين على الضوء تسلق بئر جاذبية عميقة كما قد يتوقع المرء.

تشير هذه النتائج إلى أن الكون قد يخفي حديقة من النجوم الغريبة التي لم نحددها بعد. ويقترح الباحثون أن التلسكوبات المستقبلية، التي ستكون قادرة على قياس حجم وكتلة النجوم النيوترونية بدقة أكبر بكثير من الأدوات الحالية، يمكنها رصد هذه الشذوذات. إذا رصد تلسكوب نجمًا صغيرًا وثقيلًا للغاية، أو إذا سمعت كواشف موجات الجاذبية إشارة لا تتطابق مع حجم النجم المرئي، فقد يكون ذلك أول دليل على وجود المادة المظلمة داخل نجم نيوتروني. لا تدعي الدراسة العثور على هذه النجوم بعد، لكنها تقدم خريطة مفصلة لأماكن البحث وما يمكن توقعه. وهي توضح أن التفاعل بين الانتقال المفاجئ إلى مادة الكوارك ووجود المادة المظلمة يخلق مشهدًا غنيًا من الاحتمالات، محولًا النجم النيوتروني إلى مختبر تُختبر فيه قوانين الجاذبية وفيزياء الجسيمات في أكثر الظروف تطرفًا على الإطلاق.

كما توضح العمل مسألة طويلة الأمد تتعلق باستقرار هذه النجوم. ففي النماذج السابقة، كان يُعتقد أن التغيير المفاجئ من المادة العادية إلى مادة الكوارك يخلق منطقة غير مستقرة حيث لا يمكن للنجوم أن توجد. ووجد الباحثون أن إضافة المادة المظلمة تزيل عدم الاستقرار هذا. فبدلاً من وجود فجوة في تسلسل النجوم الممكنة، يخلق وجود المادة المظلمًا مسارًا مستمرًا، مما يسمح للنجوم بالانتقال بسلاسة من حالة إلى أخرى دون الانهيار. وهذا يعني أن "النجوم التوأم" التي تنبأت بها النظريات السابقة قد لا تكون نادرة أو متميزة كما كان يُعتقد سابقًا؛ بل يمكن أن تكون جزءًا من عائلة مستمرة من النجوم التي تحمل ببساطة كميات مختلفة من المادة المظلمة. وتخلص الدراسة إلى أن البحث عن المادة المظلمة قد لا يتطلب النظر في المساحات الفارغة بين المجرات، بل في أكثر الأجسام كثافة وضغطًا في الكون، حيث تلتف المادة غير المرئية والمرئية معًا في عناق جاذبي.