پاستای هسته‌ای عامل سرد شدن ستارگان نوترونی است

۲۶ مهر ۱۳۹۹ | ۲۱:۱۵ ۲۷ مهر ۱۳۹۹ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۵ دقیقه
طرحی گرافیکی از یک ستاره‌ی نوترونی

دانشمندان در پژوهشی تازه عنوان می‌کنند که راز سرد شدن ستارگان نوترونی را از طریق پاستای هسته‌ای موجود در آن‌ها یافته‌اند.

ستارگان نوترونی ارواح عصبانی ستارگان غول‌پیکر هستند. هسته‌های داغ و چرخشی از ماده‌ای چگال که از نواخترها باقی مانده‌اند. خنک شدن این اجرام هماند فلاسکی که با سوپی از رشته‌های داغ پر شده باشند، مدت‌ها طول می‌کشد. اکنون محققان معتقدند که فرآیند سرد شدن این نوع ستارگان با کمک قابل توجه پاستای هسته‌ای انجام می‌شود.

این بقایای ابرچگال، با آزادسازی ذراتی معروف به نوترینو سرد می‌شوند و این طور که مطالعه‌ی جدید نشان می‌دهد، آن‌ها این کار را به کمک نوعی ماده‌ی میانی معروف به پاستای هسته‌ای انجام می‌دهند؛ پاستای هسته‌ای ماده‌ای موج‌دار و درهم تنیده است که در آن اتم‌ها تقریبا، اما نه کاملا، با هم مخلوط می‌شوند. این ساختار پاستا-مانند، مناطقی با چگالی کم را درون ستارگان ایجاد می‌کند و به نوترینوها و گرما امکان خروج می‌دهد.

گرمای به‌دام افتاده

یک قاشق چای‌خوری از ماده‌ی ستارگان نوترونی میلیاردها تن وزن دارد که بیش از مجموعه وزن همه‌ی انسان‌های روی زمین است. چنین چگالی عظیمی باعث می‌شود گرما را به‌خوبی به دام بیندازند. این در حالی است که خورشید ما که یک ستاره‌ی کوتوله‌ی زرد محسوب می‌شود، بیشتر گرمای خود را به صورت نور آزاد می‌کند. اما ذرات نوری که درون یک ستاره‌ی نوترونی تولید می‌شود به ندرت راهی برای فرار به سطح پیدا می‌کند و با این وجود باز هم این ستارگان خشمگین که هر یک به اندازه‌ی یک شهر بزرگ هستند، در نهایت بیشتر با انتشار نوترینو آرام می‌شوند.

پژوهش تازه که ۶ اکتبر (۱۵ مهر) در نشریه‌ی Physical Review C منتشر شده، بیان می‌کند که ستارگان معمولی از ماده‌ی معمولی یا اتم تشکیل شده‌اند، گلوله‌های کوچکی از پروتون‌ها و نوترون‌ها که ابرهای چرخشی نسبتاً عظیم الکترون آن‌ها را احاطه کرده است.

در همین حال فضای داخلی ستارگان نوترونی به قدری متراکم است که ساختار اتمی در هم می‌شکند و اقیانوس وسیعی از مواد هسته‌ای ایجاد می‌کند. در بیرون از ستارگان نوترونی، ماده‌ی هسته‌ای به مواد موجود در هسته‌ی اتم که گلوله‌های چگال پروتون و نوترون هستند، اشاره دارد. بر این ذرات قوانین پیچیده‌ی فیزیک حاکم است که دانشمندان هنوز به طور کامل آن را درک نکرده‌اند.

پاستای هسته‌ای

اما پاستا یا به عبارت دقیق‌تر پاستای هسته‌ای چیزی بین این دو نوع است. چارلز هورویتس (Charles Horowitz) فیزیکدان دانشگاه ایالتی ایلینوی که نویسنده‌ی همکار این پژوهش است، گفت: «پاستا چیزی میانی بین ماده‌ی هسته‌ای و ماده‌ی معمولی است. با فشرده شدن ماده درون یک ستاره‌ی نوترونی، سرانجام این دو نوع ماده با هم تماس پیدا می‌کنند و با آغاز تماس، وقایع عجیبی رخ می‌دهد.»

گاهی این فشار به اندازه‌ای زیاد می‌شود که ساختار ماده‌ی معمولی کاملا به ماده‌ای تماما هسته‌ای فرو می‌ریزد، اما درست پیش از این اتفاق یک منطقه‌ی پاستا وجود دارد. در این منطقه‌ی پاستا، دافعه‌ی کولن (نیرویی که ذرات باردار را از یکدیگر دور می‌کند) و کشش هسته‌ای (نیرویی که پروتون‌ها و نوترون‌ها را در فواصل بسیار کوتاه کنار هم نگه می‌دارد) آغاز به فعالیت در برابر یکدیگر می‌کنند. به عبارت دیگر در مناطقی که هسته‌ها تماس پیدا می‌کنند اما ساختار اتمی کاملا از بین نرفته است، ماده به شکل‌های پیچیده‌ای درمی‌آید که اصطلاحا پاستا نامیده می‌شود. دانشمندان برای انواع گوناگون این مواد نام‌های متفاوتی مانند نوکی، وافل، لازانیا و ضد اسپاگتی به‌کار می‌برند.

طرحی شبیه‌سازی شده از پاستای هسته‌ای

طرحی شبیه‌سازی شده از پاستای هسته‌ای
Credit: Z. Lin et al.

به گفته‌ی هورویتس این شکل‌ها واقعا شبیه به پاستا هستند. دانشمندان در بیشتر دهه‌ی گذشته می‌دانستند که این پاستای هسته‌ای درون ستارگان نوترونی و دقیقا زیر پوسته‌های آن‌ها وجود دارد؛ در منطقه‌ای که ماده‌ی معمولی به ماده‌ی هسته‌ای کمتر شناخته‌شده تبدیل می‌شود. این موضوع که انتشار نوترینو به خنک شدن ستارگان نوترونی کمک می‌کند هم روشن بود. اما این پژوهش تازه پیوندی بین این دو موضوع ایجاد می‌کند و نشان می‌دهد که پاستای هسته‌ای چگونه به آزادسازی نوترینو کمک می‌کند.

«زیدو لین» (Zidu Lin) دانشجوی پسادکترای دانشگاه آریزونا که سرپرست این پژوهش است، گفت: «این مطالعه یک سری شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای را طراحی کرده که نشان می‌دهد نوترینوها چگونه در این محیط غیرعادی ظاهر می‌شوند.

تولید نوترینو

فرمول پایه‌ای تولید نوترینو در یک ستاره‌ی نوترونی ساده است؛ یک نوترون فروپاشی می‌شود و به یک پروتون با انرژی کم و سبک و یک نوترینوی فوق سبک تبدیل می‌شود. این یک فرآیند ساده‌ی شناخته‌شده است که در جاهای دیگر فضا از جمله در خورشید ما هم رخ می‌دهد . حتی هم‌اکنون جریان وسیعی از نوترینوهای خورشیدی از بدن شما می‌گذرد.

اما برای کار کردن این فرآیند، باید شرایط لازم مهیا باشد و در یک ستاره‌ی نوترونی به نظر چنین نیست. ستاره‌ی نوترونی همان‌طور که از نامش پیداست دارای نوترون‌های زیادی است که همگی در انرژی بالا با تکانه‌ی زیاد می‌چرخند. اما فرآیند تولید نوترینو نیاز به ایجاد یک پروتون با انرژی کم و تقریبا بدون تکانه دارد. هرچند حرکت نمی‌تواند ناپدید شود بلکه همیشه ذخیره می‌شود. این نخستین قانون حرکت نیوتن است.

نوترینوها با وزن کم نمی‌توانند تمام حرکت نوترون‌های نسبتا سنگین در حال فروپاشی را داشته باشند، بنابراین تنها جای دیگر برای تخلیه‌ی تکانه، محیط اطراف است. اما ماده‌ی هسته‌ای چگال و سخت جای مناسبی برای تخلیه‌ی تکانه نیست. مانند آن است که خودروی اسپورت را با سرعتی زیاد به درون یک تخته سنگ عظیم هدایت کنیم، سنگ به سختی جابه‌جا می‌شود و اتومبیل در خود فرو می‌رود و تکانه به جایی راه نمی‌یابد.

تاکنون مدل‌های ساده‌ای از انتشار ستاره‌های نوترونی می‌کوشیدند توضیح دهند که ماده‌ی هسته‌ای چگونه تکانه‌ی کافی برای فرار نوترینوها را جذب می‌کند. اما مدل لین نشان داد که پاستای هسته‌ای، بسیاری از این مشکلات را حل می‌کند. این شکل‌های پیچیده و لایه‌لایه، دارای مناطقی با چگالی کم هستند و پاستا می‌تواند فشرده شده و تکانه را در یک حرکت موج‌دار جذب کند. درست مانند آنکه بر روی سنگ عظیم، فنری نصب شده باشد و با برخورد خودرو فشرده شود.

پژوهشگران نشان دادند که انتشار نوترینو از پاستای هسته‌ای، تا حد زیادی کارآمدتر از انتشار نوترینو در هسته‌ی ستارگان نوترونی است و این بدان معناست که پاستای هسته‌ای عاملی مؤثر برای خنک‌سازی این ستاره‌هاست.

هورویتس اشاره کرد که نتایج پژوهش نشان می‌دهد که ستاره‌های نوترونی با سرعتی کمتر از آنچه انتظار می‌رود خنک می‌شوند و این یعنی این ستارگان عمر طولانی‌تری دارند. به گفته‌ی او، تاریخچه‌ی فضا-زمان باید اصلاح شود تا حفظ دمای بالا در ستارگان نوترونی برای سالیان طولانی در آن لحاظ شود.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از یک ستاره‌ی نوترونی، این ستارگان از چگال‌ترین اجرام کیهان هستند.

Credit: Shutterstock

منبع: Live Science

برچسب‌ها :
دیدگاه شما