أكثر مادة متطرفة في الكون
في أول ميكروثواني بعد الانفجار العظيم، كان الكون حارًا وكثيفًا جدًا بحيث لم تتمكن الكواركات والغلوونات - المكونات الأساسية للبروتونات والنيوترونات - من الارتباط معًا في جزيئات مركبة. بدلاً من ذلك، كانت موجودة كبلازما متدفقة بحرية، وهي حالة من المادة غريبة جدًا بحيث تم إعادة إنتاجها بإيجاز فقط على الأرض في تصادمات الأيونات الثقيلة في مرافق مثل مصادم الهادرونات الكبير التابع لـ CERN وRhIC في بروكهيفن، حيث يتم سحق نوى الذهب أو الرصاص معًا بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء لإعادة إنتاج ظروف الكون البدائي بشكل لحظي.
مع برودة الكون، مر بلازما كوارك-غلوون هذا بانتقال طوري، وأصبحت الكواركات محصورة بشكل دائم داخل البروتونات والنيوترونات. لم تكن موجودة بحرية في الكون منذ ذلك الحين. أو هكذا اعتقد الفيزيائيون. يتقارب العمل النظري الجديد والأدلة الرصدية على إمكانية ملحوظة: قد توجد بلازما كوارك-غلوون، أو مرحلة مادة كوارك وثيقة الصلة، اليوم في أنوية نجوم النيوترون، حيث تنافس أو تتجاوز الكثافات التي يتم تحقيقها بواسطة الضغط الثقالي تلك التي ينهار عندها الحصر الكوارك.
نجوم النيوترون كمختبرات فيزياء طبيعية
نجوم النيوترون هي بقايا انفجارات نجمية ضخمة - أجسام عادة ما تزن بين 1.4 و 2.3 مرة من كتلة الشمس مضغوطة في كرة يبلغ قطرها حوالي 20 كيلومتر. الكثافات في أنويتها غير عادية، حيث تصل إلى عدة مرات من كثافة الأنوية الذرية. تحت هذه الظروف، يتم التحكم في سلوك المادة النووية الكثيفة بواسطة الديناميكا اللونية الكمومية في نظام حيث تكون الحسابات صعبة للغاية وتكون معرفتنا التجريبية محدودة.
عند أعلى الكثافات، تتباعد النماذج النظرية بشكل كبير. يتنبأ البعض بأن المادة النووية تبقى كمادة نيوترون وبروتون عادية. يتنبأ آخرون بانتقال إلى مادة الكوارك، حيث تصبح الكواركات الفردية غير محصورة من مضيفات النيوكليون وتتدفق بحرية نسبية عبر الجزء الداخلي من النجم - نظير بارد وكثيف من بلازما كوارك-غلوون التي كانت موجودة في الكون الشاب الحار.
المسار الرصدي للإثبات
المفتاح هو معادلة الحالة: العلاقة الرياضية بين الضغط والكثافة داخل النجم التي تحدد كتلته وعدم تشوه المد والجزر فيه. تتنبأ نماذج مختلفة من مادة نجم النيوترون بمعادلات حالة مختلفة وبالتالي خصائص نجمية قابلة للمراقبة مختلفة.
تم بالفعل تقييد ملاحظات الموجات الثقالية من دمج نجوم النيوترون، ابتداءً من حدث GW170817 الحاسم في عام 2017، معادلة الحالة بشكل كبير. قياس قابلية تشويه المد والجزر من هذا الحدث - مدى تشويه كل نجم نيوترون في المجال الثقالي للآخر قبل الاصطدام - يستبعد أصعب وأنعم معادلات الحالة، ويضيق نطاق الهياكل الداخلية المسموحة. يمكن للملاحظات المستقبلية للموجات الثقالية بكاشفات محسّنة، جنبًا إلى جنب مع قياسات نصف قطر نجم النيوترون من تلسكوب NICER X-ray، أن تضيق النطاق المسموح به بشكل أكبر - ربما إلى النقطة التي يصبح فيها وجود أو عدم وجود نواة مادة كوارك قابلة للتمييز.
لماذا هذا مهم
السؤال حول ما إذا كانت مادة الكوارك موجودة في نجوم النيوترون ليس مجرد أكاديمي. إذا تم تأكيد أنوية مادة الكوارك، فإنها ستمثل اتصالاً عميقًا بين فيزياء الكون البدائي وفيزياء أكثر الأجسام كثافة في الكون الحالي. سيشترك الانفجار العظيم وداخل بقايا كل نجم ضخم في شكل أساسي من المادة - استمرارية تتحدث عن الوحدة العميقة للقانون الفيزيائي في ظروف متطرفة.
من الناحية العملية، ستؤثر مادة الكوارك في نجوم النيوترون على كيفية تصرف تلك النجوم أثناء الدمج، وسرعة برودة ما بعد التكوين، وما يحدث خلال الثواني الأخيرة العنيفة قبل اصطدام نجمي نيوترون واحتمال تشكيل ثقب أسود. يعتبر فهم هذه التفاصيل مهمًا لتفسير إشارات الموجات الثقالية والكهرومغناطيسية من اندماج نجوم النيوترون - الإشارات التي توفر أفضل قياسات حالية لثابت هابل ولديها معلومات حول الأصل الفيزيائي الفلكي للعناصر الثقيلة بما في ذلك الذهب والبلاتين.
الطريق إلى الأمام
ستراقب الجيل القادم من كاشفات الموجات الثقالية - Einstein Telescope في أوروبا و Cosmic Explorer في الولايات المتحدة - دمج نجوم النيوترون بحساسية وتكرار ترتيب حجم أبعد من الأدوات الحالية. جنبًا إلى جنب مع ملاحظات NICER المستمرة والتلسكوبات الأشعة السينية من الجيل القادم، ستنتج مجموعة البيانات المطلوبة إما لتأكيد أو استبعاد مادة الكوارك بشكل نهائي في الأجزاء الداخلية من نجوم النيوترون. في غضون العقد القادم، قد يكون لأحد أقدم الأسئلة في الفيزياء - ما يحدث في النهاية للمادة تحت أقسى ضغط - أخيرًا إجابة رصدية.
هذا المقال مبني على التقارير من Space.com. اقرأ المقالة الأصلية.
