ستاره‌های نوترونی؛ پالسارها و مگنتارها – دیجیتال مارک

ستاره‌های نوترونی بقایای انفجار ستاره‌های عظیم یا سوپرنوا هستند. پس از این انفجار عظیم هسته ستاره‌ها به جرمی فوق متراکم تبدیل می‌شوند. به‌طوری‌که ستاره‌ای نوترونی هم‌اندازه یک شهر می‌تواند هم جرم خورشید باشد.

شکل‌گیری

ستاره‌هایی چهار تا هشت برابر جرم خورشید در پایان عمر خود تمام سوخت باقی‌مانده خود را مصرف می‌کنند تا جایی که واکنش‌های همجوشی داخلی آن‌ها متوقف می‌شود. بر اثر از بین رفتن تعادل، لایه‌های بیرونی ستاره به سرعت به سمت داخل دچار فروپاشی می‌شوند و به هسته ضخیم می‌رسند و سپس دوباره به شکل سوپرنوایی عظیم منفجر می‌شوند.

فروپاشی هسته متراکم ستاره حتی پس از سوپرنوا هم ادامه می‌یابد تا جایی که فشارهایی بسیار بالا را تولید می‌کند به‌طوری‌که پروتون‌ها و الکترون‌ها به شکل نوترون به یکدیگر فشرده می‌شوند و ذرات سبک‌وزن دیگری به نام نوترینو به وجود می‌آیند که تا دوردست‌های جهان توزیع می‌شوند. نتیجه نهایی ستاره‌ای است که ۹۰ درصد جرم آن از نوترون تشکیل شده است و بیش از این فشرده نخواهد شد در نتیجه ستاره نوترونی دیگر تجزیه نخواهد شد.

ویژگی‌ها

جرم ستاره‌های نوترونی در کره‌ای به طول ۲۰ کیلومتر فشرده می‌شود. این ستاره‌ها به قدری متراکم هستند که وزن یک قاشق چایخوری از آن‌ها می‌تواند یک میلیارد تن باشد. به‌طور میانگین جاذبه‌‌ی یک ستاره نوترونی دو میلیارد برابر قوی‌تر از جاذبه روی زمین است. در واقع این جاذبه به قدری قوی است که می‌تواند پرتوهای نور یک ستاره‌ را در فرآیندی موسوم به لنز گرانشی خم کند و به ستاره‌شناسان اجازه دهد پشت ستاره را ببینند.

دلیل چرخش سریع ستاره‌های نوترونی به قدرت سوپرنوا بازمی‌گردد. ستاره نوترونی به‌طور میانگین در هر ثانیه چندین بار به دور خود می‌چرخد. برای مثال این ستاره می‌تواند با سرعت ۴۳ هزار مرتبه در دقیقه به دور خود بچرخد. به مرور زمان از این سرعت کاسته می‌شود. اگر ستاره نوترونی بخشی از یک سیستم دوتایی باشد که از سوپرنوا جان سالم به در برده ماجرا جالب‌تر می‌شود. اگر ستاره دوم کم جرم‌تر از خورشید باشد جرم خود را در ابری بادکنک مانند به نام لب روش (Lobe Roche) از ستاره همراه می‌گیرد. این ابر بادکنک مانند در مدار ستاره نوترونی می‌چرخد. ستاره‌های همراه ده برابر جرم خورشید انتقال جرمی مشابهی را ایجاد می‌کنند که ناپایدارتر است و زیاد دوام نمی‌آورد.

میدان مغناطیسی ستاره نوترونی معمولی تریلیون‌ها برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است؛ اما برخی ستاره‌های نوترونی میدان‌های مغناطیسی شدیدتری دارند که هزار برابر بیشتر از یک ستاره نوترونی متوسط است. این فرایند منجر به تولید جرمی به نام مگنتار می‌شود که در ادامه به آن اشاره می‌کنیم.

انواع ستاره‌های نوترونی

ستاره‌های نوترونی با توجه به ویژگی‌ها و خصوصیات به دو دسته پالسار و مگنتار تقسیم می‌شوند. طبقه‌بندی کامل‌تر پالسارها و مگنتارها به این شرح است:

• پالسارهای رادیویی
• پالسارهای بازیافتی
• مگنتار
•   تکرارشونده پرتوی گامای نرم (SGR)
• پالسار ناهنجار پرتوی ایکس (AXP)
• دوتایی پرتوی ایکس کم جرم (LMXB)
• دوتایی پرتوی ایکس جرم متوسط (IMXB)
• دوتایی پرتوی ایکس پرجرم (HMXB)
•   پالسار برافزایشی یا پالسار پرتوی ایکس

پالسارها (تپ‌اخترها)

پالسارها یا تپ‌اخترها نوعی ستاره نوترونی هم‌اندازه با شهری بزرگ و جرمی برابر خورشید هستند. دانشمندان از پالسارها برای بررسی وضعیت‌های شدید ماده، جستجوی سیاره‌های فراخورشیدی و اندازه‌گیری فاصله‌های کیهانی استفاده می‌کنند. پالسارها همچنین به دانشمندان در یافتن امواج گرانشی کمک می‌کنند که می‌توانند سرنخی برای یافتن رویدادهای پرانرژی کیهانی مثل برخورد بین سیاهچاله‌های کلان‌جرم باشند. پالسارها که در سال ۱۹۶۷ کشف شدند از شگفت‌انگیزترین اعضای جامعه کیهانی هستند.

ویژگی‌های پالسارها

پالسارها از زمین مانند ستاره‌هایی چشمک‌زن به نظر می‌رسند که به نظر می‌رسد با ریتمی منظم خاموش و روشن می‌شوند؛ اما نور پالسارها در واقع دچار نوسان یا سوسو نمی‌شود. پالسارها دو جریان باریک و یکنواخت از نور را در جهت‌های مخالف منتشر می‌کنند. گرچه نور این پرتوها یکنواخت هستند پالسارها به دلیل چرخش به نظر چشمک‌زن می‌رسند. به همین دلیل ملوان‌های اقیانوس فانوس دریایی را به شکل چشمک‌زن می‌بییند: با چرخش پالسار پرتوری نور به زمین برخورد کرده و سپس با چرخش از نظر ناپدید می‌شود و سپس دوباره نمایان می‌شود. برای ستاره‌شناس مستقر در زمین نور به‌طور منظم ناپدید و ظاهر می‌شود. دلیل چرخش نور پالسار این است که پرتوری نور پالسار هم تراز با چرخش محوری آن نیست.

تاکنون بیش از ۲۰۰۰ پالسار کشف شده‌اند. اغلب پالسارها با سرعت یک مرتبه در ثانیه به دور خود می‌چرخند (به این اجرام گاهی پالسارهای کند هم گفته می‌شود) درحالی‌که بیش از ۲۰۰ پالسار شناخته‌شده با سرعتی بیش از صدها بار در ثانیه به دور خود می‌چرخند (پالسارهای میلی‌ثانیه‌ای). سریع‌ترین پالسار شناخته‌شده می‌تواند بیش از ۷۰۰ بار در ثانیه به دور خود بچرخد. پالسارها به‌شدت مغناطیسی هستند. میدان مغناطیسی زمین به اندازه‌‌ی کافی قوی است اما قدرت میدان مغناطیسی پالسارها می‌تواند به بیش از ۱۰۰ میلیون برابر تا یک کوادریلیون برابر (یک میلیون میلیارد) زمین برسد.

به عقیده دانشمندان پالسارهای میلی‌ثانیه‌ای بر اثر سرقت انرژی از همراه خود شکل گرفته‌اند (لوب روش). پالسار ماده و تکانه را از همراه خود به سرقت می‌برد و به تدریج به سرعت چرخش آن اضافه می‌شود. این خبر بدی برای ستاره همراه است چرا که ممکن است به‌طور کامل توسط پالسار بلعیده شود. به همین دلیل بسیاری از پالسارهای میلی‌ثانیه‌ای به مرور همراه خود را از دست می‌دهند. منظومه‌هایی که در آن یک پالسار زندگی را از ستاره همراه خود می‌دزدند، ستاره‌های بیوه سیاه یا ستاره‌های پشت قرمز نامیده می‌شوند که بر اساس دو نوع خطرناک از عنکبوت‌ها نام‌گذاری شده‌اند.

^{تصور هنرمند از پالساری در حال جذب ماده ستاره همراه در منظومه ستاره‌ای دوتایی}

عامل تشعشع پالسارها چیست؟

پالسارها می‌توانند نور را در طول موج‌های مختلف از امواج رادیویی تا پرتوها گاما که پرانرژی‌ترین نوع نور جهان است منتشر کنند؛ اما پالسارها چگونه این پرتوها را منتشر می‌کنند؟ دانشمندان هنوز به پاسخی دقیق برای این پرسش نرسیده‌اند؛ اما صرفا به مکانیزم‌های مختلفی که عامل طول‌ موج‌های مختلف هستند پی برده‌اند.

نورهای فانوس‌مانند در ابتدا در دهه ۱۹۶۰ رصد شدند. این امواج شامل امواج رادیویی هستند و به دلیل درخشش و باریک بودن و همچنین ویژگی‌های مشابه پرتوی لیزر مورد توجه قرار گرفتند. نور لیزر برخلاف نور لامپ نوری منسجم است. در یک پرتوی نور منسجم ذرات نور پرتویی متمرکز و یکپارچه را ایجاد می‌کنند. در نتیجه می‌توانند پرتوی نور درخشان‌تر از منبع نور توزیعی تولید کنند. تنها چیزی که واضح به نظر می‌رسد این است که پرتوهای پالسار به دلیل چرخش و میدان مغناطیسی آن منتشر می‌شوند. پالسارهایی که سرعت بالایی دارند دارای میدان مغناطیسی ضعیف‌تری نسبت به پالسارهای کندتر هستند؛ اما همین سرعت هم برای انتشار پرتوها کافی است.

^{تصور هنرمند از خطوط میدان مغناطیسی اطراف یک پالسار. درخشش بنفش نشان‌دهنده پرتوهای گاما است. محور چرخش پالسار هم‌تراز با میدان مغناطیسی آن نیست.}

تصویر بالا از هنرمندی ایده چگونگی چرخش خطوط میدان مغناطیسی اطراف یک پالسار و اتصال آن به قطب‌ها را نشان می‌دهد. بااین‌حال در واقعیت با چرخش پالسار میدان مغناطیسی اطراف آن تصویری در هم‌تنیده‌تر را به وجود می‌آورد.

میدان‌ مغناطیسی در حال چرخش باعث به وجود آمدن میدانی الکتریکی می‌شود که به‌نوبه خود می‌تواند ذرات باردار را به حرکت دربیاورد و جریانی الکتریکی را ایجاد کند. منطقه بالای سطح پالسار که با میدان مغناطیسی احاطه‌شده، مغناطیس‌کره نامیده می‌شود. در این منطقه ذرات بارداری مثل الکترون‌ها و پروتون‌ها یا اتم‌های باردار در سرعت‌های بالا به واسطه میدان الکتریکی بسیار قوی شتاب می‌گیرند. این ذرات با شتاب گرفتن (افزایش سرعت یا تغییر جهت) از خود نور منتشر می‌کنند. روی زمین ابزارهایی به نام سینکروترون برای شتاب دادن به ذرات تا سرعت‌های بالا به کار می‌روند و دانشمندان از نور منتشر‌شده برای مقاصد علمی استفاده می‌کنند. این فرایند اولیه در مغناطیس‌کره پالسار می‌تواند نوری در طیف پرتوی ایسک یا نور مرئی تولید کند.

بااین‌حال، درباره پرتوهای گاما چه می‌توان گفت؟ مشاهدات نشان می‌دهند که پرتوهای گاما از موقعیت متفاوتی با امواج رادیویی و در ارتفاعات بالاتر از سطح پالسار منتشر می‌شوند. پرتوهای گاما به شکل بادبزنی منتشر می‌شوند. این پرتوها هم مانند امواج رادیویی هنوز به‌طور دقیق بررسی نشده‌اند و علت آن‌ها مشخص نیست.

کاربرد پالسارها

پالسارها ابزار بسیار خوبی برای بررسی مجموعه وسیعی از پدیده‌ها هستند. نوری که از پالسار منتشر می‌شود حاوی اطلاعاتی درباره این اجرام و رویدادهای داخلی آن‌ها است. در نتیجه پالسارها می‌توانند اطلاعاتی را درباره فیزیک ستاره‌های نوترونی در اختیار دانشمندان قرار دهند. رفتار ماده می‌تواند در فشار بالا با آنچه در حالت عادی می‌بینیم بسیار متفاوت باشد. دانشمندان به وضعیت عجیب داخل ستاره‌‌ی نوترونی «پاستای نوترونی» می‌گویند: گاهی آرایش‌ اتم‌ها مانند صفحات مسطح لازانیا است و گاهی مانند ماکارونی به‌صورت مارپیچی درمی‌آیند.

برخی پالسارها به دلیل دقت بالایی که در انتشار پالس‌ها دارند مفید هستند. پالسارهای متعدد وجود دارند که با نظم و دقت بالایی چشمک می‌زنند. این پالسارها را می‌توان دقیق‌ترین ساعت طبیعی جهان برشمرد. در نتیجه دانشمندان با بررسی تغییرات پالسارها به اتفاقات فضاهای اطراف آن پی می‌برند. دانشمندان می‌توانند از پالسارها برای محاسبه فاصله‌های کیهانی هم استفاده کنند. تغییر موقعیت پالسار به این معنی است که نور آن در زمان‌های متفاوتی به زمین می‌رسد. به لطف زمان‌بندی دقیق پالس‌ها دانشمندان به اندازه‌گیری‌های دقیقی از اجرام کیهانی دست پیدا کردند.

پالسارها همچنین برای تست ابعاد مختلفی از نظریه نسبیت عام اینشتین مثل نیروی گرانش جهانی به کار می‌روند. ممکن است امواج گرانشی در زمان‌بندی دقیق پالسارها اختلال ایجاد کنند. امواج گرانشی نوسان‌هایی در فضا زمان هستند که توسط اینشتین پیش‌بینی شدند و برای اولین‌بار در فوریه ۲۰۱۶ کشف شدند.

^{پالسار سحابی خرچنگ}

‌مگنتارها

مگنتار نوعی ستاره نوترونی با میدان مغناطیسی بسیار قوی است. فروپاشی میدان مغناطیسی باعث انتشار پرتوهای پرانرژی الکترومغناطیس مثل پرتوهای ایکس و گاما می‌شود. نظریه مربوط به این اجرام در سال ۱۹۹۲ توسط روبرت دونکان و کریستوفر تامسون ارائه شد. این نظریه به توصیف انفجار پرتوهای گاما از ابر بزرگ ماژلانی می‌پردازد که در تاریخ ۵ مارس ۱۹۷۹ کشف شد. در طول دهه‌های بعدی فرضیه مگنتار در سطح وسیع‌تری مورد قبول قرار گرفت. در سال ۲۰۲۰ اولین انفجار رادیویی سریع (FRB) از یک مگنتار رصد شد.

ویژگی‌های مگنتار

 قطر مگنتارها هم مانند دیگر ستاره‌های نوترونی به ۲۰ کیلومتر می‌رسد. جرم مگنتارها معمولا ۱.۴ برابر خورشید است. این اجرام بر اثر فروپاشی ستاره‌ای با جرم ۱۰ الی ۲۵ برابر جرم خورشید شکل می‌گیرند. عامل تمایز مگنتارها از دیگر انواع ستاره‌های نوترونی وجود میدان مغناطیسی بسیار شدید است. اغلب مگنتارها به ازای هر دو تا ده ثانیه یک بار به دور خود می‌چرخند درحالی‌که سرعت دیگر ستاره‌های نوترونی بالاتر است.

میدان مغناطیسی مگنتار باعث انتشار انفجارهای بسیار قوی پرتوی گاما و پرتوی ایکس می‌شود. عمر فعال مگنتار کوتاه است. میدان مغناطیسی قوی مگنتارها معمولا پس از ۱۰ هزار سال پس از توقف انتشار پرتوهای قوی ایکس متوقف می‌شود. با توجه به به تعداد مگنتارهایی که تاکنون کشف شده‌اند تعداد مگنتارهای غیرفعال در راه شیری می‌تواند بیش از ۳۰ میلیون عدد باشد.

^{تصور هنرمند از مگنتاری با میدان مغناطیسی قدرتمند}

میدان مغناطیسی مگنتارها

مگنتارها به خاطر میدان‌های مغناطیسی بسیار قدرتمند خود شناخته شده‌ هستند. میدان مغناطیسی مگنتارها صدها میلیون برابر قوی‌تر از هر نوع میدان ساخته به دست بشر و تقریبا یک تریلیون برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است. میدان مغناطیسی مگنتار حتی در فاصله هزار کیلومتری هم می‌تواند کشنده باشد زیرا باعث انحراف ابرهای الکترونی شده و شیمی حیات را غیرممکن می‌سازد.

احتمال وقوع رویدادهای قابل توجهی در میدان مغناطیسی قوی مگنتار وجود دارد. فوتون‌های پرتوی ایکس می‌توانند تقسیم شده یا ادغام شوند. حتی فضای خلاء هم قطبی می‌شود. اتم‌ها به شکل استوانه‌های طولانی باریک‌ در می‌آیند.

ادغام ستاره‌های نوترونی

ادغام ستاره نوترونی نوعی برخورد ستاره‌‌ای است. وقتی دو ستاره نوترونی در مداری نزدیک به دور یکدیگر می‌چرخند به مرور زمان به دلیل پرتوهای گرانشی به یکدیگر نزدیک می‌شوند. این دو ستاره پس از برخورد با یکدیگر ادغام می‌شوند. برخورد دو ستاره منجر به تولید ستاره نوترونی سنگین‌تر یا یک سیاهچاله می‌شود. ادغام ستاره‌های نوترونی تنها در یک یا دو میلی‌ثانیه می‌تواند منجر به ایجاد میدانی مغناطیسی با قدرت تریلیون‌ها برابر میدان مغناطیسی زمین شود. این رویدادها باعث انتشار فوران‌های کوتاه پرتوی گاما می‌شوند.

^{تصور هنرمند از ادغام دو ستاره نوترونی}

تاریخچه رصدها

والتر باده و فریتز زویکی در نشست انجمن فیزیکی آمریکا در دسامبر ۱۹۳۳ در فاصله کمتر از دو سال از کشف نوترون توسط جیمز چادویک، فرضیه وجود ستاره‌های نوترونی را مطرح کردند. آن‌ها به‌دنبال توجیهی برای منشأ سوپرنوا این فرضیه را مطرح کردند: ستاره‌های عادی در انفجارهای سوپرنوا به ستاره‌هایی تبدیل می‌شوند که تماما از نوترون تشکیل شده‌اند.

در سال ۱۹۶۵، آنتونی هویش و ساموئل اوکوی منبع عجیبی با درخشش رادیویی و دمای بالا را در سحابی خرچنگ کشف کردند. بعدها مشخص شد این منبع نور پالسار خرچنگ است که تاریخچه آن به سوپرنوای عظیم ۱۰۵۴ میلادی بازمی‌گردد. در سال ۱۹۶۷، لوسیف شکلوفسکی و آنتونی هویش پالس‌های رادیویی منظمی را از PSR B1919+21 کشف کردند. این پالسار از نوع ستاره نوترونی چرخان و ایزوله بود. بخش زیادی از ستاره‌های نوترونی شناخته‌شده در گروه پالسارها قرار می‌گیرند (در فاصله ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۰ کشف شدند).

در سال ۱۹۶۸، ریچارد وی ای. لاولس و همکاران او متوجه دوره تقریبی ۳۳ میلی‌ثانیه در پالسار سحابی خرچنگ شدند. پس از این کشف دانشمندان به این نتیجه رسیدند که پالسارها همان ستاره‌های نوترونی چرخان هستند. قبل از آن بسیاری از دانشمندان معتقد بودند پالسارها از نوع کوتوله‌های سفید هستند. در سال ۱۹۷۱، ریکاردو جیاکنی، هربرت گورسکی، اد کلاگ، آر. لوینسون، ای. اسکریر و اچ تانانباوم پالس‌های ۴.۸ میلی‌ثانیه‌ای را در منبع پرتوی ایکس در صورت فلکی قنطورس Cen X-3 کشف کردند. آن‌ها این پالس‌ها را نتیجه چرخش ستاره نوترونی داغ تفسیر کردند.

در سال ۱۹۷۴ آنتونی هویش به دلیل نقش تعیین‌کننده‌ای که در کشف پالسارها داشت برنده جایزه نوبل فیزیک شد. ژوزف تایلر و راسل هالس در همان سال اولین پالسار دوتایی به نام PSR B1913+16 را کشف کردند که ترکیبی از دو ستاره نوترونی بود. براساس پیش‌بینی نظریه نسبیت عام اینشتین اجرام سنگین در منظومه‌های دوتایی از خود امواج گرانشی را منتشر می‌کنند. این کشف در واقع دقیقا منطبق با نظریه نسبیت عام اینشتن بود و تایلر و هالس در سال ۱۹۹۳ برای آن برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.

دان بکر و همکاران او در سال ۱۹۸۲ اولین پالسار میلی‌ثانیه‌ای به نام PSR B1937+21 را کشف کردند. این جرم در هر ثانیه ۶۴۲ مرتبه به دور خود می‌چرخد. بعدها تعداد زیادی از پالسارهای میلی‌ثانیه‌ای کشف شدند اما PSR B1937+21 به مدت ۲۴ سال به‌عنوان سریع‌ترین پالسار باقی‌ماند تا وقتی که PSR J1748-2446ad (با سرعت چرخش ۷۰۰ مرتبه در ثانیه) کشف شد.

مارتا بورگای و همکاران او در سال ۲۰۰۳ اولین منظومه دوتایی ستاره‌ای را به نام PSR J0737-3039 کشف کردند که هر دو ستاره آن از نوع پالسار بودند. کشف این منظومه امکان اجرای پنج تست متفاوتی از نظریه نسبیت را داد که برخی از آن‌ها با دقتی بی‌سابقه همراه بودند.

پاول دومرست و همکاران او در سال ۲۰۱۰ به اندازه‌گیری جرم پالسار میلی‌ثانیه‌ای PSR J1614-2230 پرداختند. جان آنتونیادیس و همکاران در سال ۲۰۱۳ با روش طیف‌سنجی کوتوله سفید به اندازه‌گیری جرم PSR J0348+0432 پرداختند. در اوت ۲۰۱۷، رصدخانه‌های LIGO و Virgo برای اولین‌بار امواج گرانشی تولید‌شده بر اثر برخورد ستاره‌های نوترونی را کشف کردند.

ستاره‌شناسان در اکتبر ۲۰۱۸ از رویداد انفجار پرتوی گامای GRB 150101B خبر دادند. همچنین ستاره‌شناسان در جولای‌ی ۲۰۱۰ از روش جدیدی برای تعیین ثابت هابل پرده برداشتند و اختلاف روش‌های قبلی را که بر اساس ادغام زوج ستاره‌های نوترونی ارائه شده بودند حل کردند.