Multi-messenger and multi-band signal from first-order phase transitions in proto-neutron stars

في أعماق أكثر الأجسام تطرفاً في الكون، تُسحق المادة إلى كثافات لا يمكن استحضارها في أي مختبر على الأرض. هذه الأجسام هي النجوم النيوترونية، وهي البقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة انفجرت. لعقود من الزمن، ناقش الفيزيائيون ما يكمن في مركز هذه النجوم تماماً. وبينما تتكون الطبقات الخارجية من نوى ذرية مألوفة، قد يكون اللب مضغوطاً لدرجة أن البروتونات والنيوترونات تذوب لتصبح "حساءً" من أجزائها المكونة، المعروفة باسم الكواركات. يُسمى هذا التحول من المادة النووية العادية إلى لب الكوارك بـ "التحول الطوري"، وهو يشبه تحول الماء إلى جليد، ولكن يحدث تحت ظروف من الضغط والجاذبية الهائلة. إن فهم ما إذا كان هذا يحدث، وكيف، أمر بالغ الأهمية لأنه سيكشف عن القواعد الأساسية التي تحكم كيفية سلوك المادة عندما تُضغط إلى أقصى حدودها.

تستكشف دراسة جديدة أجراها باحثون في ألمانيا وأيرلندا ما سيحدث إذا وقع مثل هذا التحول داخل نجم نيوتروني شاب وحار، يُعرف باسم "النجم النيوتروني الأولي". تولد هذه النجوم في أعقاب الانفجار العنيف لـ "المستعر الأعظم" (سوبرنوفا)، وتظل تبرد بينما تبتلع المزيد من المواد من محيطها. بحث الباحثون في سيناريو محدد حيث يتغير لب النجم فجأة من المادة العادية إلى مادة الكوارك. ووجدوا أن هذا الحدث لن يكون مجرد تحول داخلي هادئ؛ بل سيؤدي إلى إطلاق إشارة درامية مكونة من جزأين يمكن اكتشافها بواسطة أدوات المستقبل. سيؤدي الحدث إلى إرسال تموجات في الزمكان، تُعرف باسم الموجات الثقالية، بسرعتين مختلفتين تماماً في الوقت نفسه، بينما يطلق أيضاً دفعة من الجسيمات الشبحية المسماة "النيوترينوهات".

بنى الباحثون مجموعة ضخمة من النماذج الحاسوبية لمحاكاة هذه العملية. وبدلاً من التخمين بناءً على إجابة واحدة لكيفية سلوك المادة، أنشأوا آلاف النسخ المحتملة للهيكل الداخلي للنجم النيوتروني، وكلها كانت متوافقة مع القوانين المعروفة للفيزياء والملاحظات الخاصة بالنجوم الحقيقية. ثم راقبوا كيف تتطور هذه النجوم المحاكات مع جمعها لمزيد من الكتلة. وفي العديد من هذه النماذج، دفع الوزن المضاف في النهاية اللب لتجاوز نقطة حرجة، مما فرض التحول المفاجئ إلى مادة الكوارك. حسب الفريق بدقة نوع الإشارة التي سينتجها هذا التحول. واكتشفوا أن هذا الحدث يخلق نوعين متميزين من الموجات الثقالية. الأول هو دندنة ذات تردد منخفض، في نطاق الكيلوهرتز، ناتجة عن تعديل شكل النجم بالكامل مع تقلص لبه وزيادة كثافته. والثاني هو دفعة ذات تردد أعلى بكثير، في نطاق الميغاهرتز، ناتجة عن الاصطدام المجهري لفقاعات صغيرة من مادة الكوارك الجديدة أثناء تشكلها وتوسعها عبر النجم.

هذه الإشارات مرتبطة بطريقة يمكن أن تساعد العلماء على فك رموز فيزياء التحول. تخبرنا الموجة ذات التردد المنخفض عن الحجم والهيكل العام للنجم، بينما تكشف الدفعة ذات التردد العالي عن التفاصيل المتعلقة بالعملية المجهرية لتشكل الفقاعات وتصادمها. توضح الدراسة أنه إذا تمكنا من اكتشاف كلا الإشارتين من نفس الحدث، فيمكننا استخدام المعلومات المستمدة من الموجة ذات التردد المنخفض لتضييق الاحتمالات الخاصة بالدفع ذات التردد العالي. وهذا سيسمح لنا بقياس خصائص مستعصية حالياً، مثل التوتر السطحي للحد الفاصل بين النوعين من المادة. كما وجد الباحثون أن هذا الحد سيكون مصحوباً بدفعة ثانية من النيوترينوهات، تصل بعد بضع مئات من الملي ثانية إلى بضع ثوانٍ من الانفجار الأولي. ويتم تحديد هذا التأخير بناءً على المدة التي يستغرقها النجم لتجميع كتلة كافية لتحفيز التحول.

تشير النتائج إلى أن التقاط هذه الإشارة متعددة الوسائط سيكون اختراقاً كبيراً. وبينما أجهزة كشف الموجات الثقالية الحالية حساسة بما يكفي لسماع الدندنة ذات التردد المنخفض، إلا أنها ليست قادرة بعد على سماع دفعة الميغاهرتز ذات التردد العالي. ومع ذلك، تشير الدراسة إلى أن الجيل القادم من الكواشف، والتي يتم التخطيط لها حالياً، يمكن أن تكون قادرة على سماع كليهما. إذا رصد مرصد مستقبلي الموجة ذات التردد المنخفض، والتقطت أداة متخصصة عالية التردد الدفعة المتزامنة ذات التردد العالي، جنباً إلى جنب مع إشارة النيوترينو المتأخرة، فسيقدم ذلك صورة كاملة للتحول الطوري. هذا سيؤكد وجود مادة الكوارك في لُب النجوم النيوترونية وسيعطينا أول نظرة مباشرة لكيفية سلوك المادة تحت أكثر الظروف تطرفاً في الكون. لا تدعي الأبحاث أنها وجدت هذه الإشارة بعد، لكنها توفر خارطة طريق واضحة لما يجب البحث عنه وكيفية تفسيره عندما تكتمل التكنولوجيا اللازمة لذلك.