بقايا الخلق في قلب النجوم المنهارة
نجوم النيوترون من بين أكثر الأجسام تطرفاً في الكون المعروف. وُلدت من الانهيار العنيف لأنوية النجوم الضخمة أثناء انفجارات المستعرات الأعظمية، وتعبئ كتلة أكبر من الشمس في كرة بحجم مدينة، مما ينتج عنه كثافة شديدة جداً بحيث تكون طبيعة المادة بداخلها غير مؤكدة. الآن، تقترح كمية متزايدة من الأدلة النظرية والرصدية أن أنوية نجوم النيوترون قد تحتوي على حالة من المادة لم تُشاهد بحرية منذ كانت الكون بعمر ميكروثانية واحدة: بلازما الكوارك-غلوون، المادة البدائية للانفجار العظيم.
بلازما الكوارك-غلوون هي مرحلة المادة التي كانت موجودة عندما كان الكون أصغر من جزء من مليون جزء من الثانية ودرجات الحرارة تتجاوز تريليونات الدرجات. في تلك الظروف، الكواركات — المكونات الأساسية للبروتونات والنيوترونات — لا تكون محصورة داخل الجسيمات المركبة ولكنها موجودة بحرية في حساء ساخن وكثيف جداً مع الغلوونات، الجسيمات التي تتوسط القوة النووية القوية. مع برودة الكون، أصبحت الكواركات محصورة بشكل دائم داخل البروتونات والنيوترونات والجسيمات الهادرونية الأخرى، وتوقفت بلازما الكوارك-غلوون عن الوجود كمرحلة حرة في الظروف الطبيعية.
إلا ربما داخل نجوم النيوترون. تشير الحسابات إلى أن أنوية نجوم النيوترون قد تصل إلى كثافات عالية بما يكفي لحل الحدود بين النويات الفردية، وإعادة تخلق الظروف التي تتحرك فيها الكواركات بحرية — شكل بارد وكثيف من المادة الكواركية متميز عن البلازما الساخنة للكون المبكر لكن يحكمه نفس الفيزياء الأساسية. سيمثل التأكيد على هذا أحد أكثر الاكتشافات أهمية في الفيزياء الفلكية والفيزياء النووية في العصر الحديث.
الأدلة حتى الآن
تأتي الأدلة على وجود مادة كواركية داخل نجوم النيوترون من اتجاهات غير مباشرة متعددة، لا تكون أي منها حاسمة بمفردها. تأتي أقوى القيود من ملاحظات الموجات الثقالية لدمج نجوم النيوترون بواسطة LIGO وVirgo. عندما يتحرك نجمان نيوترونيان حول بعضهما البعض ويندمجان، تحمل الموجات الثقالية التي تنبعث منها معلومات عن البنية الداخلية للنجوم — على وجه التحديد مدى قابليتها للتشوه في مجال الجاذبية لبعضهما البعض، خاصية تسمى قابلية التشوه المدي. قيد قابليات التشوه المدي المقاسة من حدث GW170817 البارز معادلة حالة نجم النيوترون بطرق تشير بعض النماذج النظرية إلى أنها يتم شرحها بشكل طبيعي بوجود مادة كواركية في أنوية النجوم.
توفر ملاحظات الأشعة السينية لكتل وأنصاف أقطار نجوم النيوترون قيوداً إضافية. قام جهاز NICER على محطة الفضاء الدولية بقياس أحجام عدة نجوم نيوترون بدقة كافية لقيد بنيتها الداخلية. يمكن لقياسات الكتلة ونصف القطر المدمجة استبعاد بعض معادلات الحالة النظرية والموافقة على غيرها، مما يضيق نطاق التركيبات الداخلية المعقولة. البيانات الحالية NICER لا تحدد مادة كواركية بشكل قاطع، لكنها متسقة مع وجودها في أكثر نجوم النيوترون كثافة معروفة.
التحدي هو أن الداخل من نجم نيوترون لا يمكن الوصول إليه للرصد المباشر، والحسابات النظرية لسلوك المادة عند كثافات نجم نيوترون صعبة بشكل استثنائي. الديناميكا الكمية اللونية — النظرية التي تحكم تفاعلات الكواركات والغلوونات — يمكن حلها حسابياً باستخدام طرق QCD الشبكية عند الكثافات الموجودة في الأنوية الذرية والكثافات الشديدة للبلازما الكوارك-غلوون في الكون المبكر، لكن الكثافات المتوسطة المقابلة لأنوية نجوم النيوترون تبقى في نطاق تكون فيه طرق النظرية الحالية غير موثوقة. عدم اليقين ليس فشل الفيزياء بل حدود حقيقي للحساب.
كيف يعتقد العلماء أنهم يمكن أن يثبتوا ذلك
يمر المسار لتأكيد مادة كواركية في نجوم النيوترون من خلال تحسينات في حساسية كاشف الموجات الثقالية، وقياسات أكثر دقة لنصف قطر نجم النيوترون، والتقدم النظري في فهم المادة النووية الكثيفة. ستراقب الجيل التالي من كاشفات الموجات الثقالية — Einstein Telescope في أوروبا و Cosmic Explorer في الولايات المتحدة — دمج نجوم النيوترون بحساسية محسّنة بشكل كبير، مما قد يقيس إشارة الموجات الثقالية بعد الاندماج التي لا يمكن للكاشفات الحالية اكتشافها بعد والتي تحمل معلومات حول ما يحدث لمادة كواركية أثناء عملية الاصطدام والاندماج العنيفة.
الإشارة اللاحقة للاندماج مفيدة بشكل خاص لأنها تعتمد على سلوك المادة عند كثافات تتجاوز بشكل كبير تلك الموجودة قبل اندماج النجوم. إذا كانت مادة كواركية موجودة وخضعت لانتقال طور أثناء الاندماج — تتحول من المادة النووية العادية إلى مادة كواركية غير محصورة مع ذروة الكثافة — فإن محتوى تردد الموجات الثقالية سيحمل توقيعات مميزة لهذا الانتقال. التنبؤات النظرية حول ما تبدو عليه هذه التوقيعات هي منطقة بحث نشطة، وقد تكون كاشفات المستقبل حساسة بما يكفي لمراقبتها.
تساهم التجارب المخبرية أيضاً في الصورة. تخلق التصادمات بين الأيونات الثقيلة في مرافق مثل مصادم الهادرونات الكبير في CERN ومصادم الأيونات الثقيلة النسبوية في بروكهيفن بلازما كوارك-غلوون بشكل مصغر لأجزاء من الثانية، مما يوفر بيانات تجريبية حول خصائص مادة كواركية عند درجات حرارة عالية يمكن أن تقيد الاستقراء إلى النظام عالي الكثافة ودرجة الحرارة المنخفضة المرتبطة بالداخل نجم النيوترون. الجسر النظري بين هذه الأنظمة غير مثالي لكنه يتحسن مع تقدم النظرية النووية.
ما الذي يعنيه هذا للفيزياء
سيكون تأكيد مادة كواركية داخل نجوم النيوترون نتيجة بارزة للفيزياء النووية والفيزياء الفلكية في نفس الوقت. سيثبت أن مرحلة المادة التي تنبأت بها الديناميكا الكمية اللونية وخلقتها لحظة ما في مسرعات الجسيمات المخبرية توجد كمكون مستقر للأجسام الفلكية الضخمة — التحقق من النظرية عبر نطاق استثنائي من الظروف وربط الفيزياء المجهرية للكواركات بالفيزياء الفلكية للأجسام المدمجة.
سيقلل الاكتشاف أيضاً فهم معادلة حالة نجم النيوترون — العلاقة بين الضغط والكثافة داخل هذه الأجسام — وهي واحدة من المشاكل المفتوحة المركزية في الفيزياء الفلكية النووية. تحسين معادلة الحالة يحسّن نماذج انهيار المستعرات الأعظمية وتشكيل نجوم النيوترون والانبعاثات الموجات الثقالية من عمليات الدمج، و nucleosynthesis r-process في دمج نجوم النيوترون الذي يتحمل مسؤولية إنتاج معظم الذهب والبلاتين والعناصر الثقيلة الأخرى في الكون.
لفيزيائيين المهتمين بالقوة النووية القوية عند كثافات شديدة، نجوم النيوترون هي مختبرات طبيعية لا يمكن لأي تجربة أرضية أن تكررها. كل قيد رصدي جديد على بنيتها الداخلية هو نافذة إلى الفيزياء التي لا يمكن إنشاؤها ودراستها بشكل مباشر على الأرض، مما يجعل مشروع توصيف داخل نجم النيوترون أحد أكثر تقاطعات الفيزياء الفلكية والفيزياء الأساسية إنتاجية حالياً يتم متابعتها.
تم تأسيس هذا المقال على تقارير من Space.com. اقرأ المقال الأصلي.
