Hybrid Stars with Different Amount of Quark Matter

في أعماق الكون، بعيداً عن متناول أي تلسكوب أو مركبة فضائية، تقع أكثر المختبرات تطرفاً في الكون: النجوم النيوترونية. هذه هي النوى المنهارة لنجوم ضخمة ماتت، حيث انضغطت حتى أصبحت ملعقة صغيرة واحدة من مادتها تزن بقدر جبل. داخل هذه البقايا النجمية، تُعصر المادة بقوة شديدة لدرجة أنها تتحدى القواعد التي نلاحظها في الحياة اليومية. في المركز تماماً، حيث الضغط لا يمكن تصوره، قد تتفكك الذرات نفسها. فالبروتونات والنيوترونات التي تمسك المادة معاً عادةً قد تذوب في "حساء" من لبنات بنائها الأصغر، المعروفة باسم الكواركات. هذه الحالة الافتراضية للمادة، حيث تتحرك الكواركات بحرية بدلاً من أن تكون محبوسة داخل الجسيمات، تسمى مادة الكوارك. وإذا وجدت، فستشكل نجماً هجيناً — جسماً كونياً بقلب من مادة الكوارك الغريبة محاط بقشرة من المادة النووية العادية. إن فهم ما إذا كانت هذه النجوم موجودة، وكيف تبدو، يعد أحد التحديات الكبرى في الفيزياء الفلكية الحديثة، لأنه سيكشف كيف تتصرف الطبيعة تحت أكثر الظروف شدة ممكنة.

لسنوات، حاول العلماء تجميع الهيكل الداخلي لهذه النجوم من خلال الجمع بين النماذج النظرية والملاحظات الواقعية. لديهم بيانات من التلسكوبات التي تراقب الأشعة السينية وهي ترتد عن أسطح النجوم النيوترونية، ولديهم بيانات من كواشف الموجات الثقالية التي تستمع إلى التموجات في الزمكان الناتجة عن اصطدام نجمين نيوترونيين. وفي دراسة حديثة، قام فريق من الباحثين من جامعة كويمبرا في البرتغال بإعادة زيارة هذا اللغز. لقد وضعوا سابقاً مجموعة من النماذج التي تشير إلى أن أثقل النجوم النيوترونية يجب أن تحتوي على نوى ضخمة من مادة الكوارك الغريبة هذه. ومع ذلك، طرح عملهم الجديد سؤالاً مختلفاً: ماذا لو كانت نوى الكوارك أصغر بكثير، أو حتى بالكاد موجودة؟ من خلال تخفيف الشرط الصارم الذي يقضي بضرورة كون النوى ضخمة، ولّدوا مجموعة جديدة من الاحتمالات التي تتوافق بشكل أفضل مع القياسات الفلكية الأخيرة.

استخدم الباحثون طريقة إحصائية قوية لغربلة آلاف السيناريوهات المحتملة. بدأوا بمكونين رئيسيين لنماذجهم: وصف للمادة العادية الموجودة في الطبقات الخارجية للنجم، ووصف لمادة الكوارك المحتملة في المركز. ثم اختبروا هذه النماذج مقابل قائمة مرجعية صارمة من البيانات الواقعية. تضمنت هذه القائمة الخصائص المعروفة للمادة النووية، والكتل والأحجام الدقيقة لعدة نجوم نيوترونية محددة رصدها تلسكوب "نيسر" (NICER) للأشعة السينية، وتفاصيل الاصطدام بين نجمين نيوترونيين الذي رصدته مراصد "لايجو" (LIGO) و"فيرجو" (Virgo). في عملهم السابق، أجبروا النماذج على إنتاج نجوم ذات نوى كوارك ضخمة، مما دفع عملية الانتقال من المادة العادية إلى مادة الكوارك للحدوث عند كثافات منخفضة نسبياً. في هذه الدراسة الجديدة، أزالوا ذلك القيد المحدد. ظلوا يشترطون أن تحتوي أثقل النجوم على بعض مادة الكوارك في الداخل، لكنهم سمحوا لحجم تلك النوا أن يكون أي شيء من صغير جداً إلى كبير، تاركين للبيانات تحديد ما هو الأكثر احتمالاً.

كانت نتائج هذا النهج الجديد مذهلة. فالنماذج التي سمحت بنوى كوارك أصغر، والتي أطلق عليها الفريق اسم مجموعة "SmallQ"، أنتجت نجوماً نيوترونية أصغر قليلاً في نصف قطرها وأقل قابلية للتشوه من تلك الموجودة في نماذجهم السابقة. وهذا جعل النماذج الجديدة تتناسب بشكل أفضل بكثير مع الملاحظات الفعلية من تلسكوب "نيسر" وبيانات الموجات الثقالية. في النماذج السابقة ذات النوى الكبيرة، حدث الانتقال إلى مادة الكوارك عند كثافة تبلغ حوالي ضعفين إلى ضعفين ونصف من كثافة النوى الذرية العادية. أما في النماذج الجديدة الأكثر نجاحاً، فقد دُفع هذا الانتقال إلى عمق أكبر داخل النجم، ليحدث عند كثافات تتراوح بين ثلاثة إلى أربعة ونصف ضعف الكثافة النووية العادية. هذا التأخير في الانتقال يعني أن قشرة المادة العادية للنجم أكثر سمكاً، والنوا الغريبة أصغر، أو في بعض الحالات، شبه منعدمة حتى في أثقل النجوم.

هذا التحول في توقيت انتقال الطور غير أيضاً التركيب الداخلي للنجوم. في النماذج ذات النوى الكبيرة، كانت مادة الكوارك تهيمن عليها كواركات "أعلى" (up) و"أسفل" (down). أما في النماذج الجديدة ذات النوى الأصغر، فقد أصبحت الكواركات "الغريبة" (strange)—وهي نوع أثقل من الكواركات—أكثر وفرة بكثير، مشكلةً جزءاً أكبر من تكوين النوا. ومن المثير للاهتمام أن النماذج الجديدة تشير إلى أن بعض أثقل النجوم النيوترونية، تلك التي تزن ضعفي كتلة شمسنا، قد تحتوي على القليل جداً أو لا تحتوي على مادة كوارك على الإطلاق. وهذا يتحدى فكرة أن أثقل النجوم يجب بالضرورة أن تهيمن عليها المادة الغريبة. بدلاً من ذلك، يشير هذا إلى أن الانتقال إلى مادة الكوارك هو حدث نادر لا يحدث إلا تحت الضغط الأكثر تطرفاً، أو رب الله لا يحدث على الإطلاق في بعض أثقل النجوم التي رصدناها.

كما بحثت الدراسة في كيفية تغير حجم النجم النيوتروني مع زيادة كتلته. بالنسبة للنجوم المكونة من المادة العادية فقط، يميل نصف القطر إلى التقلص مع زيادة ثقل النجم. أما بالنسبة للنجوم ذات المادة الغريبة، فيمكن أن تكون العلاقة أكثر تعقيداً. وجد الباحثون أنه في مجموعتهم الجديدة من النماذج، لا يزال عدد كبير من النجوم يظهر ميلاً إيجابياً في علاقة الكتلة بنصف القطر عند الكتل المنخفضة، مما يعني أنها تصبح أكبر قليلاً مع اكتساب الوزن. ومع ذلك، عند كتلة تبلغ 1.8 مرة من كتلة الشمس، تعود غالبية هذه النماذج إلى السلوك المتوقع المتمثل في التقلص. هذا تمييز حاسم لأن نماذجهم السابقة ذات النوى الكبيرة كانت تظهر ميلاً إيجابياً شائعاً حتى عند هذه الكتل العالية. وحقيقة أن النماذج الجديدة تظهر في الغالب سلوك التقلص القياسي عند الكتل العالية، مع استمرارها في ملاءمة البيانات المرصودة، تشير إلى أن وجود نواة كوارك كبيرة ليس مطلوباً لتفسير النجوم التي نراها.

في نهاية المطاف، يعمل هذا العمل على صقل فهمنا للمادة الأكثر كثافة في الكون. من خلال السماح لحجم نواة الكوارك بالتغير بحرية بدلاً من فرض كونها كبيرة، وجد الباحثون مجموعة من النماذج الأكثر اتساقاً مع الكون كما نرصده. تشير هذه النماذج إلى أنه إذا وجدت مادة الكوارك في قلوب النجوم النيوترونية، فمن المرجح أنها محصورة في منطقة صغيرة في المركز تماماً، ولا تظهر إلا عندما تصل الكثافة إلى مستويات قصوى. النتائج لا تنفي وجود مادة الكوارك، لكنها تشير أيضاً إلى أن الانتقال إلى هذه الحالة الغريبة أصعب مما كان يُعتقد سابقاً. وبينما يستمر علماء الفلك في جمع بيانات أكثر دقة حول أحجام وكتل النجوم النيوترونية، ستعمل هذه النماذج المنقحة كدليل حاسم، مما يساعد في تحديد ما إذا كانت نوى هذه العمالقة الكونية مكونة من الكواركات الغريبة والحرّة التي طالما تم افتراضها، أم أنها تظل مكونة بالكامل من المادة المألوفة التي تشكل عالمنا.