Twins in the Shadow: Phase Transitions in Proto-Neutron Stars

في أعماق قلب نجم ضخم يحتضر، يحدث تحول نهائي وعنيف. فعندما يستنفد مثل هذا النجم وقوده النووي، ينهار لبه تحت وطأة وزنه، مما يسحق المادة إلى كثافات تتجاوز بكثير أي شيء يوجد على الأرض. في هذه البيئة القاسية، تُضغط اللبنات الأساسية المألوفة للذرات — البروتونات والنيوترونات — بقوة شديدة لدرجة أنها قد تذوب في "حساء" من أجزائها المكونة، المعروفة بالكواركات. يُسمى هذا التحول المحتمل من المادة النووية العادية إلى حالة من الكواركات حرة الطفو بـ "التحول الطوري"، وهو يشبه تحول الجليد إلى ماء، ولكنه يحدث تحت ضغوط ودرجات حرارة تتحدى الخبرة اليومية. إن بقايا هذه اللب المنهارة هي النجوم النيوترونية، وهي من أكثر الأجسام كثافة في الكون. ولعقود من الزمن، تساءل علماء الفلك عما إذا كانت هذه الجثث النجمية يمكن أن تحتوي على لب خفي من مادة الكواركات، وإذا كان الأمر كذلك، فهل سيترك هذا التغيير الداخلي بصمة مرئية على حجم النجم وكتلته.

لقد ألقى فريق من الباحثين نظرة فاحصة الآن على كيفية تطور هذه النجوم النيوترونية الوليدة، المعروفة بالنجوم النيوترونية الأولية، أثناء تبريدها، وتحديداً اختبار ما إذا كان التحول الطوري إلى مادة الكواركات يمكن أن يخلق ظاهرة غريبة تسمى "النجوم التوأم". إن فكرة النجوم التوأم هي احتمال مثير في الفيزياء الفلكية: نجمان لهما نفس الوزن تماماً ولكن بحجمين مختلفين. أحدهما سيكون نجماً نيوترونياً قياسياً مكوناً بالكامل من المادة النووية، بينما سيكون توأمه نجماً "هجيناً" يحتوي على لب من مادة الكواركات. إن العثور على مثل هذا الزوج سيُعتبر دليلاً قاطعاً على أن المادة يمكن أن تخضع لهذا التحول الطوري الدراماتيكي داخل النجم. ومع ذلك، تشير الدراسة الجديدة إلى أنه على الرغم من أن الفيزياء تسمح بوجود هذه التوائم نظرياً، إلا أن العملية الفعلية لتبريد النجم تجعل من المستحيل تقريباً أن نراها أبداً.

وللتحقيق في ذلك، بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً مفصلاً لكيفية تغير النجم النيوتروني الأولي بمرور الوقت. فعندما ينهار نجم ضخم، يكون النجم النيوتروني الأولي الناتج حاراً للغاية ومليئاً بالجسيمات المحاصرة التي تسمى النيوترينوات. وعلى مدار عشرات الثواني، يبرد هذا النجم ويفقد تلك النيوترينوات، ليستقر في النهاية كنجم نيوتروني بارد ومستقر. قام الفريق بمحاكاة عملية التبريد هذه عن طريق تتبع كتلة النجم وحجمه أثناء انتقاله من حالة حارة وفوضوية إلى حالة باردة وهادئة. واستخدموا إطاراً رياضياً مرناً لوصف سلوك المادة، واختبار سيناريوهات مختلفة حيث قد يحدث تحول طوري عند كثافات مختلفة. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان بإمكان النجم أن يتطور طبيعياً من حالة عادية إلى حالة هجينة تحتوي على لب من الكواركات، وما إذا كان بإمكان هذا النجم الهجين أن ينتهي به المطاف بنفس كتلة النجم العادي ولكن بنصف قطر مختلف.

كشفت عمليات المحاكاة عن قصة معقدة وغير بديهية إلى حد ما حول كيفية سلوك هذه النجوم. فمع تبريد النجم النيوتروني الأولي، تتغير الضغوط والكثافة الداخلية بطرق تعتمد بشدة على ما إذا كان هناك تحول طوري يحدث أم لا. وجد الباحثون أنه إذا حدث تحول طوري، فإن الكتلة القصوى التي يمكن أن يدعمها نجم مصنوع بالكامل من المادة النووية تنخفض بالفعل مع تبريد النجم. وهذا يخلق فجوة خطيرة في الاستقرار؛ فالنجم الذي يبدأ حياته كنجم نيوتروني عادي وثقيل قد يجد أنه مع تبريده، لم يعد قادراً على الوجود في حالته العادية، وبالتالي سيُضطر للانهيار أكثر للوصول إلى حالة جديدة مستقرة كنجم هجين ذي لب من الكواركات.

ومع ذلك، كشفت الدراسة عن عقبة حرجة تمنع تكوين التوائم الموعودة. فلكي يكون النجم الهجين "توأماً" حقيقياً لنجم عادي، يجب أن يتشاركا في نفس الكمية الإجمالية من المادة، المعروفة بالكتلة الباريونية. ووجد الباحثون أنه إذا كان هناك نجم عادي ونجم هجين لديهما نفس كمية المادة، فلا يمكنهما أن يكون كلاهما مستقراً في نفس الوقت بالطريقة المطلوبة لتكوين التوائم بشكل طبيعي. وتحديداً، إذا كان النجم العادي مستقراً، فإن القوانين الفيزيائية التي تحكم تطور النجم تمنعه من الانهيار إلى نجم هجين، حتى لو كانت الحالة الهجينة هي الأكثر تفضيلاً من الناحية الطاقية. إذ ببساطة، يرتد النجم أو يبقى في حالته العادية. وعلى العكس من ذلك، إذا كان النجم هجيناً بالفعل، فمن المرجح أنه تشكل بهذه الطريقة منذ الانفجار الأولي، وليس عن طريق التطور من حالة عادية.

يقود هذا إلى استنتاج صارخ يسميه المؤلفون "التوائم في الظل". ففي الخريطة النظرية لجميع النجوم النيوترونية الممكنة، هناك منطقة توجد فيها نجوم هجينة لها نفس كتلة النجوم العادية ولكنها أصغر حجماً. هذه هي التوائم المحتملة. لكن محاكاة الباحثين تظهر أن المسار التطوري لنجم يبرد لا يصل فعلياً إلى هذه التكوينات الهجينة المحددة. فالنجوم الهجينة التي ستكون توائم للنجوم العادية هي في الواقع مخفية، أو "في الظل"، من قبل النجوم العادية. فالعملية التبريدية توجه النجم نحو حل هجين مختلف، حل لا يمتلك توأماً، أو تبقي النجم في حالة عادية تماماً. والطريقة الوحيدة ليكون النجم الهجين موجوداً كتوأم هي أن يبدأ حياته كنجم هجين، وهو ما تشير النماذج الحالية لانهيار النجوم إلى أنه أمر غير مرجح.

كما استكشفت الدراسة كيف تؤثر الظروف الأولية للنجم على هذه النتائج. فإذا وُلد النجم النيوتروني الأولي بكمية كبيرة جداً من الحرارة والفوضى، فإن النافذة لتكوين هذه النجوم التوأم تتقلص أكثر. اختبر الباحثون مجموعة واسعة من الاحتمالات لكيفية حدما التحول الطوري، بما في ذلك ضغوط مختلفة وقفزات طاقة بين الحالتين المادتين. وفي كل سيناريو تقريباً يحدث فيه التحول عند كثافات عالية، تظل النجوم الهجينة "التوأم" بعيدة المنال عن عملية التبريد الطبيعية. وتبدو المنطقة غير المأهولة من النجوم الهجينة وكأنها ظل تلقيه النجوم النووية الأكثر شيوعاً.

في نهاية المطاف، لا ينفي هذا العمل وجود مادة الكواركات داخل النجوم النيوترونية، كما لا يثبت أن التحولات الطورية لا تحدث أبداً. بدلاً من ذلك، فإنه يضع حداً صارماً لكيفية اكتشافنا لها. إن إشارة "الدليل القاطع" للنجوم التوأم — وجود نجمين بكتلة متطابقة ولكن بحجمين مختلفين — تبدو وكأنها سراب ناتج عن الرؤية الساكنة للكون. فعند أخذ العملية الديناميكية لتبريد النجم في الاعتبار، يصبح المسار نحو إنشاء مثل هذا الزوج مسدوداً. وتشير النتائج إلى أنه إذا رصدنا يوماً ما نجماً نيوترونياً ذا لب من الكواركات، فمن المرجح ألا يكون توأماً لنجم عادي، بل سيكون جسماً فريداً تشكل بطريقة مختلفة أو تطور عبر مسار لا ينتج عنه شريك مطابق. لذا، يجب أن يبحث البحث عن بصمة مادة الكواركات عن أدلة أخرى، حيث إن المؤشر الأكثر وضوحاً قد يظل دائماً بعيد المنال، مخفياً في ظل النجوم التي نعرفها بالفعل.