يستغرق الفوتون عالي الطاقة 512 عامًا للسفر من أقرب نجم نيوتروني إلى الأرض. فقط عدد قليل منهم يقومون بالرحلة. لكنهم يحملون المعلومات اللازمة لحل أحد أصعب الأسئلة في الفيزياء الفلكية.
الفوتونات تطلق في الفضاء في اندفاع نشط. تنفجر الحزم الساخنة من طاقة الأشعة السينية من سطح بقايا السوبرنوفا الصغيرة فائقة الدقة والمُغرضة. تنتشر الحزم على مدى قرون طويلة في العبور. ولكن من حين لآخر ، نقطة واحدة من ضوء الأشعة السينية التي سافرت 157 فرسخًا فلكيًا (512 سنة ضوئية) عبر الفضاء - 32 مليون مرة المسافة بين الأرض والشمس - تنفق نفسها مقابل محطة الفضاء الدولية (ISS) X - تلسكوب ذو أشعة ، يلقب بـ NICER ثم ، على الأرض ، يدخل ملف نصي إلى نقطة جديدة من البيانات: طاقة الفوتون ووقت وصوله ، مقيسة بدقة الميكروثانية.
ستجيب نقطة البيانات هذه ، إلى جانب عدد لا يحصى من النقاط الأخرى التي تم جمعها على مدار الأشهر ، على سؤال أساسي بمجرد صيف 2018: ما مدى اتساع J0437-4715 ، أقرب جوار للنجوم النيوترونية على الأرض؟
إذا تمكن الباحثون من معرفة عرض النجم النيوتروني ، أخبر الفيزيائي شارون مورسينك مجموعة من العلماء في اجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS) في أبريل 2018 ، فإن هذه المعلومات يمكن أن تشير إلى الطريق نحو حل أحد الألغاز العظيمة لفيزياء الجسيمات: كيف هل تتصرف المادة عند دفعها إلى أقصى حدودها؟
على الأرض ، بالنظر إلى التكنولوجيا الحالية للبشرية ، هناك بعض القيود الصارمة على مدى الكيفية التي يمكن أن تصل بها المادة الكثيفة ، حتى في المختبرات المتطرفة ، وحتى القيود الأكثر صعوبة على المدة التي يمكن للعلماء أن يصلوا إليها. وهذا يعني أن الفيزيائيين لم يتمكنوا من معرفة كيفية تصرف الجسيمات عند الكثافات الشديدة. ليس هناك الكثير من التجارب الجيدة المتاحة.
"يوجد عدد من المنهجيات المختلفة التي توصل إليها الناس لمحاولة القول كيف يجب أن تتصرف المادة فائقة الكثافة ، لكنهم لا يتفقون جميعًا" ، مورسينك ، الفيزيائي في جامعة ألبرتا وعضو في مجموعة عمل ناسا ركز على عرض النجوم النيوترونية ، أخبر Live Science. "والطريقة التي لا يتفقون عليها جميعًا يمكن اختبارها في الواقع لأن كل واحد منهم يتنبأ بمدى حجم النجم النيوتروني".
وبعبارة أخرى ، فإن حل لغز المادة شديدة الحساسية مغلق داخل بعض الأجسام الأكثر كثافة في الكون - النجوم النيوترونية. ويمكن للعلماء حل هذا اللغز بمجرد قياس مدى اتساع النجوم النيوترونية (وبالتالي كثافتها).
فيزياء الجسيمات في الفضاء السحيق
وقال زافين أرزومانيان ، عالِم ناسا للفيزيائيين في الاجتماع في كولومبوس بولاية أوهايو: "النجوم النيوترونية هي أكثر الأشياء فظاعة لم يسمع بها معظم الناس على الإطلاق".
أرزومانيان هو أحد رؤساء مشروع مستكشف التكوين الداخلي في نيوترون ستار (NICER) التابع لناسا ، والذي يشكل الأساس الفني لعمل مورسينك. NICER هو تلسكوب كبير دوار مركب على محطة الفضاء الدولية. وهي تراقب الأشعة السينية التي تصل إلى منطقة المدار الأرضي المنخفض من الفضاء السحيق وتضبطها بدقة.
النجم النيوتروني هو النواة التي خلفها بعد انفجار المستعر الأعظم الضخم ، ولكن يعتقد أنه ليس أوسع بكثير من مدينة متوسطة الحجم. يمكن أن تدور النجوم النيوترونية عند أجزاء عالية من سرعة الضوء ، وتطلق أشعة خفقان من طاقة الأشعة السينية في الفضاء مع توقيت أكثر دقة من دق الساعات الذرية.
والأهم من ذلك لأغراض مورسينك وزملائها ، أن النجوم النيوترونية هي أكثر الأجسام المعروفة كثافة في الكون والتي لم تنهار في الثقوب السوداء - ولكن على عكس الثقوب السوداء ، من الممكن للعلماء معرفة ما يدور داخلها. يحتاج الفلكيون فقط أن يعرفوا بدقة مدى اتساع النجوم النيوترونية حقًا ، وأن NICER هو الأداة التي يجب أن تجيب على هذا السؤال أخيرًا.
حساء كوارك
لا يعرف العلماء بالضبط كيف تتصرف المادة في النواة المتطرفة للنجم النيوتروني ، لكنهم يفهمون بما يكفي لمعرفة أنها غريبة جدًا.
أخبر دانيال واتس ، فيزيائي الجسيمات في جامعة أدنبرة ، جمهورًا منفصلًا في مؤتمر APS أن الجزء الداخلي من النجم النيوتروني هو في الأساس علامة استفهام كبيرة.
يمتلك العلماء بعض القياسات الممتازة لكتلة النجوم النيوترونية. تبلغ كتلة J0437-4715 ، على سبيل المثال ، حوالي 1.44 مرة من كتلة الشمس ، على الرغم من كونها أقل أو أقل من حجم مانهاتن السفلي. قال مورسينك إن هذا يعني أن J0437-4715 أكثر كثافة بكثير من نواة الذرة - وهي أكثر الأجسام كثافة التي يواجهها العلماء على الأرض ، حيث تتجمع الغالبية العظمى من مادة الذرة في بقعة صغيرة في مركزها.
وأوضح واتس أنه عند هذا المستوى من الكثافة ، ليس من الواضح على الإطلاق كيف تتصرف المادة. الكواركات ، الجسيمات الدقيقة التي تتكون منها النيوترونات والبروتونات ، التي تتكون منها الذرات ، لا يمكن أن توجد بحرية بمفردها. ولكن عندما تصل المادة إلى كثافات قصوى ، يمكن أن تحافظ الكواركات على جزيئات مشابهة لتلك الموجودة على الأرض ، أو تشكل جسيمات أكبر وأكثر تعقيدًا ، أو ربما تندمج معًا في حساء جسيمات أكثر عمومية.
قال واتس لـ Live Science أن ما يعرفه العلماء هو أن تفاصيل كيفية تصرف المادة بكثافة شديدة ستحدد مدى اتساع النجوم النيوترونية بالفعل. لذا إذا تمكن العلماء من التوصل إلى قياسات دقيقة للنجوم النيوترونية ، فيمكنهم تضييق نطاق الاحتمالات لكيفية تصرف المادة في ظل هذه الظروف القاسية.
وقال واتس إن الإجابة على هذا السؤال يمكن أن تفتح إجابات لجميع أنواع ألغاز فيزياء الجسيمات التي لا علاقة لها بالنجوم النيوترونية. على سبيل المثال ، قال ، يمكن أن يساعد في الإجابة عن كيفية ترتيب النيوترونات الفردية نفسها في نوى الذرات الثقيلة جدًا.
تستغرق قياسات NICER بعض الوقت
يعتقد مورسينك أن معظم النجوم النيوترونية يتراوح عرضها بين حوالي 12 و 17 ميلاً (20 و 28 كيلومترًا) ، على الرغم من أنها قد تكون ضيقة مثل 10 أميال (16 كم). هذا نطاق ضيق للغاية من حيث علم الفلك ولكنه ليس دقيقًا بما يكفي للإجابة على أنواع الأسئلة التي تهتم بها مورسينك وزملاؤها.
للدفع باتجاه إجابات أكثر دقة ، تدرس مورسينك وزملاؤها الأشعة السينية القادمة من "النقاط الساخنة" التي تدور بسرعة على النجوم النيوترونية.
على الرغم من أن النجوم النيوترونية عبارة عن مجالات مضغوطة بشكل لا يصدق ، إلا أن مجالاتها المغناطيسية تجعل الطاقة الخارجة من أسطحها غير متساوية إلى حد ما. تتشكل بقع مشرقة وتنشر على أسطحها ، وتختلط في دوائر مع دوران النجوم عدة مرات في الثانية.
هذا هو المكان الذي يأتي فيه NICER. NICER عبارة عن تلسكوب كبير قابل للدوران مُركب على محطة الفضاء الدولية (ISS) يمكنه توقيت الضوء القادم من تلك البقع بشكل منتظم.
يسمح ذلك لمورسينك وزملاؤها بدراسة شيئين ، كلاهما يمكن أن يساعدهما على معرفة نصف قطر نجم نيوتروني:
1. سرعة الدوران: وقال مورسينك إنه عندما يدور النجم النيوتروني ، فإن النقطة المضيئة على سطحه تغمض باتجاه الأرض وبعيدًا عنها مثل شعاع المنارة التي تدور الدوائر. يمكن لمورسينك وزملاؤها دراسة بيانات NICER بعناية لتحديد عدد المرات التي يغمز فيها النجم كل لحظة بالضبط ومدى سرعة تحرك النقطة المضيئة عبر الفضاء. وسرعة حركة النقطة المضيئة هي دالة لمعدل دوران النجم ونصف قطره. إذا تمكن الباحثون من معرفة الدوران والسرعة ، فمن السهل تحديد نصف القطر.
2. الانحناء الخفيف: النجوم النيوترونية كثيفة للغاية بحيث يمكن لـ NICER اكتشاف الفوتونات من نقطة النجم الساطعة التي تطلق في الفضاء بينما يتم توجيه البقعة بعيدًا عن الأرض. يمكن لبئر جاذبية النجم النيوتروني أن ينحني الضوء بشكل حاد بحيث تتحول فوتوناته نحو مستشعر NICER وتتفوق عليه. معدل انحناء الضوء هو أيضًا دالة لنصف قطر النجم وكتلته. لذلك ، من خلال دراسة بعناية مقدار النجم ذو الكتلة المنحنية المعروفة للضوء ، يمكن لمورسينك وزملاؤها معرفة نصف قطر النجم.
وقال مورسينك إن الباحثين على وشك الإعلان عن نتائجهم. (عبر العديد من الفيزيائيين في حديثها عن وكالة الأنباء الجزائرية عن خيبة أمل خفيفة لأنها لم تعلن عن رقم محدد ، والإثارة من أنها قادمة.)
أخبرت مورسينك Live Science أنها لم تكن تحاول إثارة الإعلان القادم. لم يقم NICER للتو بجمع ما يكفي من الفوتونات حتى الآن ليقدم الفريق إجابة جيدة.
وقالت: "الأمر أشبه بإخراج كعكة من الفرن مبكرًا جدًا: ينتهي بك الأمر إلى فوضى".
لكن الفوتونات تصل ، واحدة تلو الأخرى ، خلال أشهر الدراسة الدورية لـ NICER. والجواب يقترب. في الوقت الحالي ، يبحث الفريق عن بيانات من J0437-4715 وأقرب نجم نيوتروني في الأرض ، والذي يقع على بُعد ضعف المسافة تقريبًا.
قالت مورسينك إنها غير متأكدة من نصف قطر النجم النيوتروني الذي ستنشره وزملاؤها أولاً ، لكنها أضافت أن كلا الإعلانين سيصدران في غضون أشهر.
وقالت: "الهدف هو أن يحدث هذا في وقت لاحق من هذا الصيف ، حيث يتم استخدام" الصيف "بمعنى واسع إلى حد ما". "ولكن أود أن أقول أنه بحلول سبتمبر ، يجب أن يكون لدينا شيء ما."
