Finite-Temperature Axion-Admixed Neutron Stars in a Quarkyonic Crossover Framework

في أعماق التبعات العنيفة لنجم يحتضر، حيث تُسحق المادة إلى كثافات لا يمكن لأي مختبر على الأرض محاكاتها، قد تكون هناك فيزياء من نوع جديد تجري بالفعل. النجوم النيوترونية هي بقايا فائقة الكثافة تتبقى بعد انفجار النجوم الضخمة في مستعرات عظمى (سوبرنوفا). لعقود من الزمن، فهم علماء الفلك هذه الأجرام كأنها نوى ذرية عملاقة، تتكون في الغالب من نيوترونات متراصة بإحكام شديد لدرجة أنها تقاوم المزيد من الانهيار. ومع ذلك، تحت الضغط الهائل الموجود في مركز هذه النجوم تماماً، قد تتغير قواعد الفيزياء النووية، مما يسمح للنيوترونات بالتفكك إلى أجزائها المكونة، وهي الكواركات. هذا الانتقال من المادة النووية الصلبة إلى سائل من الكواركات يمثل لغزاً مركزياً في الفيزياء الفلكية الحديثة. وما يزيد المشهد تعقيداً هو وجود "الأكسيون"، وهو جسيم افتراضي مقترح لحل لغز جوهري حول سبب سلوك الكون بالطريقة التي يتصرف بها. إذا وُجدت الأكسيونات، فقد تكون مكوناً رئيسياً للمادة المظلمة غير المرئية التي تمسك المجرات معاً، وقد تعمل أيضاً كآلية تبريد خفية لهذه الجثث النجمية، حيث تنقل الطاقة بعيداً بسرعة أكبر مما كان يُعتقد سابقاً.

قام فريق من الباحثين الآن بدمج هذه الأفكية لمحاكاة كيفية سلوك نجم نيوتروني حديث الولادة عندما يحتوي على قلب من الكواركات ومزيج من الأكسيونات. وخلافاً للدراسات السابقة التي كانت تعامل الانتقال بين المادة النووية العادية ومادة الكوارك كحد فاصل مفاجئ وحاد، فإن هذا العمل ينمذج التغيير كتحول تدريجي (crossover)، وهو مزيج تدريجي يتجنب التناقضات الفيزيائية. لقد بنوا وصفاً رياضياً لداخل النجم يأخذ في الاعتبار الحرارة الشديدة المتبقية من انفجار المستعر الأعظم، والتي يمكن أن تصل درجات حرارتها إلى 100 مليون إلكترون فولت. ومن خلال إضافة تأثيرات الأكسيونات إلى هذه البيئة الحارة والكثيفة، تمكنوا من حساب كيف سيتغير كتلة النجم وحجمه وشكله مقارنة بنجم نيوتروني قياسي.

تكشف النتائج عن بنية رائعة ومثيرة للدهشة وتنافي الحدس نوعاً ما. فبينما يتم إنتاج الأكسيونات بنشاط أكبر في غلاف يقع بين 5 و11 كيلومتراً من مركز النجم، فإن تأثير جاذبيتها يُشعر به بقوة أكبر في القلب مباشرة. تُظهر عمليات المحاكاة أنه في المنطقة المركزية، تساهم وجود الأكسيونات في تركيز كتلة أثقل بنحو 60 بالمائة مما ستكون عليه بدونها. يحدث هذا لأن الأكسيونات، التي تعمل كشكل من أشكال المادة المظلمة، تُحبس في قلب الكواركات الكثيف، مما يزيد من وزن النجم ودعم الضغط. ومع ذلك، بينما ينتقل المرء نحو السطح، تبدأ الأكسيونات في التدفق بحرية، حاملةً الطاقة معها. وهذا يخلق تأثيراً تبريدياً يكون في ذروته في الأيام الأولى الأكثر سخونة للنجم، مما قد يغير سرعة تبريد النجم مقارنة بالنماذج القياسية التي تأخذ في الاعها المدارات النيوترينية فقط.

كما وجدت الدراسة أنه بينما تظل الكتلة الإجمالية للنجم مستقرة نسبياً عبر درجات الحرارة المختلفة، فإن حجمه الفيزيائي حساس للغاية للحرارة. فمع ارتفاع درجة الحرارة، يتمدد النجم بشكل كبير. إذ يمكن لنجم نيوتروني نموذجي كتلته 1.4 مرة من كتلة الشمس أن يتضخم من نصف قطر يبلغ حوالي 13.7 كيلومتراً عندما يكون بارداً إلى ما يقرب من 29 كيلومتراً عندما يكون حاراً. هذا الانتفاخ الدراماتيكي يغير كيفية استجابة النجم لقوى الجاذبية، وهي خاصية تُعرف باسم "القابلية للتشوه المدّي" (tidal deformability). وقد حسب الباحثون أن هذه النجوم الساخنة المختلطة بالأكسيون ستكون أكثر عرضة للتشوه بفعل جاذبية جسم مرافق مقارنة بنظيراتها الباردة. وهذا يشير إلى أنه إذا رصدنا إشارة موجات جاذبية ناتجة عن اندماج يتضمن نجماً نيوترونياً شاباً وحاراً جداً، فإن البيانات ستبدو مختلفة تماماً عما نتوقعه من النجوم الأقدم والأكثر برودة.

يؤكد المؤلفون أن نتائجهم تستند إلى محاكاة نظرية باستخدام نموذج محدد للمادة يمزج بين الفيزياء النووية وديناميكيات الكواركات. هم لم يكتشفوا الأكسيونات، ولم يقيسوا هذه النجوم مباشرة؛ بل قدموا توقعاً مفصلاً لما سيبدو عليه مثل هذا النجم إذا وُجدت الأكسيونات وتفاعلت مع المادة كما تقترح النظريات الحالية. يسلط هذا العمل الضوء على أن الحياة المبكرة للنجم النيوتروني هي مختبر فريد حيث يمكن للتفاعل بين الحرارة والكواركات وجسيمات المادة المظلمة الافتراضية أن يترك بصمة قابلة للقياس. وإذا تمكنت التلسكوبات المستقبلية أو كواشف موجات الجاذبية من رصد السمات المحددة لهذه النجوم الساخنة والمتمددة، فقد تتمكن أخيراً من اختبار وجود الأكسيون وتدقيق فهمنا لكيفية سلوك المادة عند أقصى حدود الكثافة.