Analysis of radial and quasiradial oscillations in quark stars for different equations of state

في أعماق أكثر الأجسام تطرفاً في الكون، تتصرف المادة بطرق تتحدى تجربتنا اليومية. فالنجوم النيوترونية، وهي البقايا الكثيفة للنجوم الضخمة التي انفجرت، تحشد كتلة أكبر من شمسنا في كرة لا يتجاوز عرضها بضعة كيلومترات. وتحت هذا الضغط الساحق، يمكن للبروتونات والنيوترونات التي تشكل المادة العادية أن تتفكك، وتتحلل إلى "حساء" من أجزائها المكونة: الكواركات. وإذا حدث هذا التحول بشكل كامل، يصبح النجم نجماً كواركياً، وهو جسم افتراضي يتكون بالكامل من هذا السائل الغريب. وبينما لدينا أدلة قوية على وجود الكواركات في التصادمات عالية الطاقة على الأرض، فإن تأكيد وجودها داخل نجم يظل أحد أكبر التحديات في علم الفلك. ولحل هذه المعضلة، يجب على العلماء التنبؤ بكيفية تصرف هذه النجوم الغريبة إذا تعرضت للاضطراب، بحثاً عن إشارات محددة يمكنها تمييزها عن النجوم النيوترونية العادية. وأحد أكثر الطرق دلالة على رد فعل النجم تجاه أي "نقرة" هو اهتزازه، تماماً كما يرن الجرس بعد ضربه. تحمل هذه الاهتزازات بصمة فريدة لتركيب النجم الداخلي، مما يوفر نافذة محتملة على فيزياء المادة في أكثر حالاتها تطرفاً.

في دراسة حديثة، وضع باحثون في جامعة ديبروغاره في الهند نموذجاً لهذه الاهتزازات للنجوم الكواركية، مع التركيز بشكل خاص على كيفية تغيير دوران النجم لطريقة رنينه. لم يراقبوا نجماً حقيقياً، بل بنوا عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة بناءً على ثلاث نظريات مختلفة حول كيفية سلوك المادة الكواركية. تعاملت النظرية الأولى مع الكواركات كما لو لم يكن لها كتلة، وأعطت الثانية كتلة واقعية لها، بينما أضافت الثالثة تعقيد الحرارة، مع الإقرار بأن داخل النجم قد يكون شديد السخونة. ومن خلال تمرير هذه النماذج عبر معادلات النسبية العامة، حسب الفريق كيفية تذبذب أو نبض هذه النجوم، سواء كانت ساكنة أو تدور ببطء. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان الدوران أو الحرارة أو كتلة الكواركات سيترك علامة مميزة على إيقاع النجم، مما قد يسمح لعلماء الفلك بتحديد هوية النجم الكواركي من خلال "الاستماع إلى أغنيته".

وجد الباحثون أن البنية الداخلية للنجم هي التي تحدد نوتاته الموسيقية. فبالنسبة للنجم غير الدوار، تكون الاهتزازات إيقاعية بحتة، ولكن بمجرد أن يبدأ النجم في الدوران، تتغير الفيزياء. حيث يؤدي الدوران إلى سحب طفيف على نسيج الزمكان حول النجم، وهي ظاهرة حيث يقوم الكتلة الدوارة بليّ البيئة المحلية. هذا الالتواء يغير ترددات التذبذب، مما يؤدي إلى إزاحتها قليلاً عن قيمها في حالة عدم الدوران. والأهم من ذلك، أن الدوران يتسبب في تلاشي الاهتزازات بمرور الوقت. وقد حسب الفريق أن هذه الاهتزازات المتلاشية، المعروفة باسم "التخميد"، تستمر لفترة قص่า جداً، تتراوح من حوالي مللي ثانية واحدة إلى حوالي اثنتة وثلاثين مللي ثانية، اعتماداً على النموذج المحدد للنجم. هذه الطبيعة العابرة تعني أنه إذا اهتز مثل هذا النجم، فإن الإشارة ستكون وجيزة ويصعب التقاطها، مما يتطلب كواشف حساسة للغاية لسماعها قبل أن تختفي.

كشفت الدراسة أن درجة الحرارة داخل النجم تلعب دوراً مهماً بشكل مفاجئ في هذه الاهتزازات. فعندما صمم الباحثون نماذج لنجوم تحتوي على كواركات ضخمة وساخنة، وجدوا أن الاهتزازات استمرت لفترة أطول مقارنة بالنجوم ذات الكواركات الأبرد أو عديمة الكتلة. وتحديداً، أظهرت النماذج الأكثر ضخامة وضخامة في دراستهم، والتي احتوت على كواركات ساخنة، أطول الاهتزازات استمراراً، حيث استمرت لمدة تصل إلى اثنين وثلاثين مللي ثانية. وفي المقابل، أنتجت النماذج ذات الكواركات عديمة الكتلة إشارات أقصر عمراً، حيث تلاشت في ما يزيد قليلاً عن مللي ثانية واحدة. يشير هذا إلى أنه إذا تمكن علماء الفلك من قياس مدة اهتزاز النجم، فقد يتمكنون من استنتاج ما إذا كان النجم حاراً وضخماً أم بارداً وصغيراً. كما اكتشف الفريق أن الطريقة التي يتشوه بها النجم تحت تأثير الدوران تعتمد على مدى "تراصه". وبشكل غير متوقع، كانت النجوم الأكثر ضخامة وكثافة، والتي قد يتوقع المرء أنها الأكثر عرضة للانضغاط بفعل دورانها، هي في الواقع الأكثر مقاومة لتغيير شكلها؛ إذ إن جاذبيتها الهائلة أبقت عليها متماسكة بقوة، مما جعلها تتشوه أقل من نظيراتها الأصغر والأخف وزناً، رغم أنها تدور بنفس السرعة.

لعل الاكتشاف الأكثر عملية للمراقبين في المستقبل يتعلق بتردد هذه الأصوات. فقد حسب الباحثون أن الاهتزازات الأساسية لهذه النجوم الكواركية ستحدث عند ترددات أقل من 2,000 دورة في الثانية. وهذا النطاق يقع تماماً ضمن قدرات كواشف موجات الجاذبية الحالية، المصممة للاستماع إلى التموجات في الزمكان. ومع ذلك، تظل المدة القصيرة للإشارة عقبة. فقد أشار الفريق إلى أنه بينما تعتبر الاهتزازات قابلة للكشف نظرياً، فإن وجودها القصير يجعلها هدفاً صعباً. كما أكدت الدراسة أن العلاقة بين دوران النجم وشكله وكثافته الداخلية تتبع نمطاً عالمياً، مما يعني أنه من خلال قياس بعض الخصائص الرئيسية، يمكن للعلماء نظرياً استبعاد نظريات معينة حول ماهية المادة الكواركية.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل خارطة طريق حاسمة للجيل القادم من الأرصاد الفلكية. فمن خلال محاكاة كيفية رنين النجوم الكواركية تحت ظروف مختلفة، حدد الباحثون ما يجب البحث عنه وما يجب تجاهله. لقد أظهروا أنه بينما تكون الاهتزازات حقيقية وقابلة للحساب، إلا أنها أحداث عابرة تتطلب توقيتاً دقيقاً لالتقاطها. وإذا سمع كاشف موجات الجاذبية يوماً ما إشارة تطابق هذه الترددات المحددة وتتلاشى ضمن الإطار الزمني المتوقع، فقد يكون ذلك أول دليل مباشر على وجود النجوم الكواركية. وحتى ذلك الحين، تقف هذه المحاكاة كشهادة على قوة الفيزياء النظرية، مما يسمح لنا بسماع الموسيقى الصامتة لأكثر الأجسام كثافة في الكون قبل أن نمتلك الأدوات اللازمة للاستماع إليها.