Axion effects on hybrid stars: earlier hadron-quark phase transition and larger quark-matter cores

في أعماق قلب نجم نيوتروني، تُضغط المادة بكثافة شديدة لدرجة أن اللبنات الأساسية للذرات تبدأ في التحلل. في عالمنا المألوف، تكون البروتونات والنيوترونات جسيمات متميزة وصلبة، ولكن تحت الجاذبية الساحقة لقلب نجمي، قد تتفكك هذه الجسيمات إلى "حساء" من مكوناتها الخاصة، المعروفة باسم الكواركات. هذا الانتقال من المادة النووية العادية إلى سائل من الكواركات الحرة هو أحد الألغاز العظيدة في الفيزياء الحديثة. إن فهم كيفية ومتى يحدث هذا أمر بالغ الأهمية لأن ذلك يحدد حجم ووزن والمصير النهائي لهذه العمالقة الكونية. لعقود من الزمن، حاول علماء الفلك وزن هذه النجوم وقياس أنصاف أقطارها، باستخدام بيانات من النباضات والموجات الثقالية لتجميع خريطة لأكثف مادة في الكون. ومع ذلك، لا تزال القواعد التي تحكم هذه البيئة القاسية غامضة، مما يترك مجالاً لاحتمالات غريبة قد تكمن وراء فهمنا الحالي للفيزياء.

يتعلق أحد هذه الاحتمالات بـ "الأكسيون" (axion)، وهو جسيم افتراضي اقتُرح في الأصل لحل لغز حول سبب تعامل الكون مع المادة والمادة المضادة بشكل مختلف. وبينما يُناقش الأكسيون غالباً كمرشح للمادة المظلمة، يستكشف هذا البحث الجديد دوراً مختلفاً: كيف يمكن أن يتصرف داخل قلوب النجوم النيوترونية. قام فريق من الباحثين بمحاكاة الظروف داخل هذه النجوم لمعرفة كيف يمكن لوجود مجال الأكسيون أن يغير الانتقال من المادة النووية إلى مادة الكوارك. ويشير عملهم إلى أنه إذا كانت الأكسيونات موجودة، فلن تكون مجرد مراقب سلبي في داخل النجم؛ بل ستعيد تشكيل قلب النجم بنشاط، مما يؤدي إلى حدوث الانتقال إلى مادة الكوارك في وقت أبكر بكثير ويخلق قلباً أكبر بكثير من السائل الغريب.

ولاستقصاء ذلك، بنى العلماء نموذجاً نظرياً مفصلاً لنجم هجين، وهو جسم يمتلك قشرة من المادة النووية العادية وقلباً مركزياً من مادة الكوارك. استخدموا الفيزياء الراسخة لوصف الطبقات الخارجية، حيث تتفاعل البروتونات والنيوترونات، وإطاراً محدداً للقلب الداخلي حيث تتحرك الكواركات بحرية. ومن الأهمية بمكان أنهم أدخلوا مجال الأكسيون في معادلاتهم لمعرفة كيف سيؤثر على سلوك الكواركات. وفي عمليات المحاكاة، قاموا بتغيير قوة تأثير الأكسيون، أي أنهم قاموا فعلياً بتدوير "قرص تحكم" ليروا ما سيحدث مع زيادة قوة المجال. كما قارنوا هذه التأثيرات بقوة أخرى معروفة، وهي التفاعل الطارد بين الكواركات، لفهم كيف يصمد تأثير الأكسيون أمام الفيزياء القياسية.

كشفت النتائج عن منافسة دقيقة ولكنها مهمة بين قوتين. فمن ناحية، يجعل مجال الأكسيون مادة الكوارك أصعب قليلاً في الانضغاط، وهي خاصية من شأنها أن تجعل "معادلة الحالة" أكثر صلابة. ومع ذلك، فإن التأثير الأكثر هيمنة هو أن الأكسيون يخفض عتبة الضغط المطلوبة لحدوث الانتقال. وبعبارة أبسط، يعمل الأكسيون مثل "محفز" يسمح للمادة النووية بالتحلل إلى مادة كوارك عند كثافات أقل بكثير مما كانت ستكون عليه لولا ذلك. وهذا يعني أنه في نجم يحتوي على الأكسيونات، سيبدأ تكوين قلب الكوارك بالقرب من السطح، بدلاً من أن يكون مدفوناً في المركز العميق.

هذا التحول له تأثير عميق على البنية الداخلية للنجم. فبينما يتغير الوزن ونصف القطر الإجمالي للنجم بأكامل كلاهما بشكل طفيف جداً، فإن حجم قلب الكوارك نفسه ينمو بشكل كبير. في عمليات المحاكاة التي كان فيها مجال الأكسيون في أقوى حالاته ولم تكن هناك قوى طاردة أخرى، توسع قلب مادة الكوارك ليشمل حوالي 0.36 من كتلة شمسنا وامتد لنصف قطر يزيد عن 5 كيلومترات. ولوضع ذلك في المنظور، فإن هذا القلب سيشغل ما يقرب من نصف نصف قطر النجم الإجمالي، محولاً ما كان يوماً جيباً صغيراً وعميقاً من المادة الغريبة إلى منطقة مركزية ضخمة. ووجد الباحثون أن هذا التأثير يكون أكثر وضوحاً عندما تكون القوى الطاردة بين الكواركات ضعيفة؛ فإذا كانت تلك القوى الطاردة قوية، يمكنها كبح نمو القلب، لكن ميل الأكسيون إلى تحفيز الانتقال في وقت أبكر يظل عاملاً رئيسياً.

ومن المثير للاهتمام أن وجود الأكسيون لا يغير بشكل جذري أقصى وزن يمكن أن يتحمله النجم النيوتروني. فقد أظهرت عمليات المحاكاة أن أثقل النجوم الممكنة في هذه النماذج لا تزال تصل إلى حوالي 2.26 مرة من كتلة الشمس، وهي قيمة تتوافق مع ملاحظات النباضات الحقيقية. وهذا يشير إلى أنه بينما قد يغير الأكسيون بشكل جذري الجغرافيا الداخلية للنجم، فإنه لا يمنع بالضرورة وجود هذه النجوم أو يجعلها تنهار تحت ثقل وزنها. إن العلامة الرئيسية للأكسيون ليست تغيراً في الحجم الإجمالي للنجم، بل هي تغير في تكوينه: قلب أكبر بكثير وأكثر سهولة في الوصول إليه من مادة الكوارك.

كما بحثت الدراسة في كيفية تأثير هذه التغييرات على استجابة النجم للقوى الخارجية، مثل التمدد المدّي الذي يحدث عندما يلتف نجمان نيوترونيان نحو بعضهما البعض. لاحظ الباحثون أنه بالنسبة للنجوم الأصغر، أي تلك التي تبلغ كتلتها 1.4 من كتلة الشمس، لا يكون للأكسيون أي تأثير على الإطلاق. في هذه النجوم الأخف، لا تصل الكثافة المركزية أبداً إلى المستوى العالي بما يكفي لتحفيز الانتقال إلى مادة الكوارك، بغض النظر عن مجال الأكسيون. إن تأثير الأكسيون محجوز للنجوم الأكثر ضخامة، حيث يكون القلب كثيفاً بما يكفي للسماح بحدوث انتقال الطور. وهذا التمييز مهم لعلماء الفلك، لأنه يعني أن البحث عن بصمات الأكسيون يجب أن يركز على النجوم النيوترونية الأكثر ضخامة، حيث تكون البنية الداخلية أكثر عرضة للتغير.

في نهاية المطاف، توفر هذه الأبحاث صورة واضحة لكيفية ترك جسيم افتراضي علامة ملموسة في الكون. فمن خلال تعزيز الانتقال المبكر إلى مادة الكوارك، يعمل مجال الأكسيون على توسيع القلب الغريب للنجم الهجين. وبينما يظل الشكل والوزن الإجمالي للنجم دون تغيير كبير، فإن المشهد الداخلي يتحول، حيث تحل منطقة شاسعة من الكواركات الحرة محل المادة النووية الكثيفة التي كانت ستوجد لولا ذلك. وبينما يستمر علماء الفلك في جمع بيانات أكثر دقة حول كتل وأنصاف أقطار النجوم النيوترونية، تقدم هذه التنبؤات النظرية هدفاً محدداً: إذا وجدنا نجماً نيوترونياً ضخماً بقلب كبير بشكل مفاجئ من مادة الكوارك، فقد يكون ذلك أول دليل على أن الأكسيونات ليست مجرد مادة مظلمة، بل هي مشاركة نشطة في حياة النجم.