ستاره نوترونی چیست؟

هر چیزی که تا به حال دیده‌اید یا لمس کرده‌اید حتی سخت‌ترین فلزات، آن‌چنان که فکر می‌کنید چگال نیستند. مقدار ماده‌ای که در یک حجم مشخص می‌توان جمع کرد را چگالی می‌گوییم. همه چیز از ماده درست شده است، اما ماده هم از مقدار زیادی هیچی تشکیل شده است! باور نمی‌کنید؟ اگر هر جسمی را به حالت اتمی ببینیم، خواهیم دید که مقدار عظیمی فضای خالی درون آن وجود دارد.

اگر ابعاد یک اتم را به اندازه یک زمین فوتبال تصور کنیم، هسته اتم (که از نوترون‌ها و پروتون‌ها ساخته شده) درست در وسط زمین و تقریبا به اندازه‌ی یک تیله بازی خواهد بود. اما الکترون‌ها، در لبه دور زمین قرار می‌گیرند و برای چشم غیر مسلح نادیدنی خواهند بود. بلی درست است اگر بتوانید این را تصور کنید می‌بینید که بیشتر فضای یک اتم را فضای خالی تشکیل داده است!

 

اما چه خواهد شد اگر این فضای خالی را با تعداد تیله‌های بیشتری پر کنیم؟ اگر فکر می‌کنید این سوال بی معنی است، در اشتباه هستید. جهان بسیار عجیب‌تر از آن چیزی است که شما بتوانید تصور کنید، پر از امکان‌های بی‌شماری است که حتی فراتر از ادراک دانشمندان معمولی است. یکی از این شگفتی‌ها برای مثال : ستاره‌های نوترونی هستند.

 

تولد یک ستاره نوترونی

وقتی ستاره‌هایی با جرمی بین ۸ تا ۲۰ برابر جرم خورشید به پایان عمر خود می‌رسند، یک اتفاق عجیب رخ می‌دهد. ستاره‌هایی با چنین جرمی، پس از پایان سوخت خود به دلیل جرم زیاد بر اثر نیروی گرانش به درون خود فرو می‌ریزند و این فرو ریزش باعث تولید انفجاری عظیم می‌شود که به آن انفجار ابر نواختری می‌گویند. این نوع انفجارها جزء پر انرژی ترین انفجارهای کیهانی هستند بطوری که چنان درخشندگی‌ای تولید می‌کنند که برای مدتی در آسمان به صورت یک ستاره درخشان ظاهر می‌شوند. اما هسته ستاره اصلی به شکل جالبی باقی خواهد ماند. اگر هسته چنین ستاره‌های پرجرمی دارای جرمی بیش از ۴/۱ برابر جرم خورشید باشد شروع به رمبش (در خود جمع شدن) می‌کنند. گرانش عظیمی، هسته را به درون خودش فشرده می‌کند، بطوری که همه ذرات زیراتمی آن، نظیر پروتون‌ها و الکترون‌ها در هم فشرده شده و ترکیب می‌شوند تا یک شبکه‌ی بسیار فشرده از نوترون‌ها را ایجاد کنند.

 

رمبش در کسری از ثانیه رخ می‌دهد، اما تغییر در ساختار هسته به صورت تدریجی است. نوترون‌ها آن چنان به هم فشرده می‌شوند که هسته به صورت یک کره کوچک با قطر فقط ۲۰ کیلومتر در می‌آید که جرم اولیه هسته را حفظ کرده است. حواستان باشد که خورشید ۳۰۰۰۰۰ برابر پر جرم تر از زمین است. حالا، یک ستاره را فرض کنید که ۵۰۰۰۰۰ برابر زمین جرم دارد و در ابعاد یک شهر کوچک فشرده می‌شود!

 

پس یک ستاره نوترونی چگال‌ترین جسمی است که در جهان وجود دارد. البته، می‌توانید اشکال بگیرید که یک سیاه‌‌چاله چگال‌ترین جسمی است که در جهان وجود دارد، اما دقت داشته باشید که یک سیاه چاله از نظر فنی فراتر از افق رویداد ما (جایی که نور آن به ما می‌رسد) قرار دارد یعنی نمی‌توانیم هسته‌ی آن را ببینیم. پس ستاره نوترونی در جهانی که می‌توانیم مشاهده کنیم چگال‌ترین چیزی است که وجود دارد.

 

چگالی ستاره نوترونی

 

در یک ستاره نوترونی، تمام فضای خالی موجود در ماده توسط نوترون‌هایی اشغال می‌شود، که توسط گرانش ستاره کنار هم قرار گرفته‌اند. این اتفاق موجب می‌شود که ستاره به شدت چگال باشد، بطوری که یک سانتی متر مکعب از نوترونیوم (ماده تشکیل دهنده ستاره نوترونی را نوترونیوم می‌نامند) تقریبا ۴۰۰ میلیون تن جرم خواهد داشت! برای اینکه بهتر این را بفهمیم، یک فیل را در نظر بگیرید. یک فیل آفریقاییِ متوسط حدود ۴ تن (۴۰۰۰ کیلوگرم) جرم دارد. اگر بتوانید ۱۰۰ میلیون زنجیر فیل(واحد شمارش فیل‌ها) را در یک حبه قند فشرده کنید، خواهید توانست به چگالی ستاره نوترونی برسید!!

 

گرانش ستاره نوترونی

 

از ستاره‌ای با چنین چگالی عظیمی، انتظار می‌رود که کشش گرانشی بسیار زیادی داشته باشد. اگر بتوانید روی سطح یک ستاره نوترونی بایستید، شما به ابعاد یک اتم فشرده خواهید شد! اما، بیاید فرض کنیم که به یک طریقی شما بتوانید روی سطح ستاره نوترونی ایستاده بمانید. در این حالت شما ۱۰۰ میلیارد برابر سنگین‌تر خواهید شد! من حدود ۷۰ کیلوگرم (۷۰۰ نیوتن) بر روی سیاره آبی زمین وزن دارم، اما روی یک ستاره نوترونی معادل ۷۰۰۰ میلیارد کیلوگرم (۷۰۰۰۰ میلیارد نیوتن) وزن خواهم داشت!! یعنی تقریبا ۷/۱ میلیارد برابر سنگین‌تر از یک فیل!

 

سرعت و چرخش یک ستاره نوترونی

 

یک ستاره نوترونی در واقع جسد یک ستاره بسیار بزرگ است که عمر خود را به چرخیدن سپری کرده است. اما، پس از انفجار ابر نواختری ، هسته چگال باقی‌مانده، همان تکانه زاویه‌ای اولیه‌ی ستاره‌ی بزرگ را حفظ می‌کند. اگر ستاره اولیه طی چند هفته یک بار به دور خود می‌چرخید، ستاره نوترونی در هر ثانیه چند بار به دور خود می‌چرخد! در واقع از پایستگی تکانه زاویه‌ای نتیجه می‌شود که وقتی ستاره نوترونی به شعاع بسیار کوچک ۱۰ کیلومتر می‌رمبد سرعت چرخش آن بسیار افزایش می‌یابد. این همان اتفاقی است که در اسکیت روی یخ ورزشکار با جمع کردن بدنش سرعت چرخش به دور خود را افزایش می‌دهد.

 

ستاره‌های تپنده (پالسار)

 

یک ستاره نوترونی بسیار سریع نوعی پرتوی تابشی باریک را منتشر می‌کند. این پرتوها همراه ستاره می‌چرخند، و نوعی فانوس دریایی نجومی درست می‌کنند. از روی زمین، ما این پرتوها را به صورت یک تپش (پالس) می‌بینیم. چنین ستاره‌های نوترونی‌ای تپنده (پالسار) نامیده می‌شوند. چرخش این پالسارها آن‌چنان پایدار و دقیق است که به صورت یک ساعت کیهانی بسیار دقیق عمل می‌کنند!

برخی از این پالسارها در سامانه‌های دوتایی کشف شده‌اند، که یعنی یک ستاره همدم دارند که با هم می‌چرخند. این نوع از پالسارها انرژی و ماده را از ستاره همدم خود می‌ربایند و بر سرعت چرخششان اضافه می‌کنند. برخی از این نوع پالسارها در هر ثانیه چند صد بار به دور خود می‌چرخند!

 

میدان مغناطیسی ستاره‌های نوترونی

 

اگر فقط بگوییم که ستاره‌های نوترونی میدان مغناطیسی قوی‌ای دارند آن را دست کم شمرده‌ایم! میدان مغناطیسی یک ستاره نوترونی متوسط حدود چندین تریلیون (چند هزار میلیارد) برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی خورشید است!! اما برخی از ستاره‌های نوترونی، باز هم میدان مغناطیسی قوی‌تری نسبت به باقی ستاره‌های نوترونی دارند.

مگنتارها (ستاره‌های مغناطیسی) از اساس ستاره نوترونی هستند. اما آنچنان پرجرم هستند که میدان‌های مغناطیسی آن‌ها می‌تواند تا یک کوادریلیون (یک میلیون میلیارد) برابر قوی‌تر از خورشید باشد! این نوع از ستاره‌های نوترونی نسبتا نادر هستند، و تنها ۱۰ درصد ستاره‌های نوترونی را شامل می‌شوند. میدان مغناطیسی یک مگنتار آن‌چنان شدید است که می‌تواند شکل اتم‌ها را تغییر دهد!  این دلیل آن است که چرا می‌توانیم معتقد باشید که یک مگنتار باید بسیار ناپایدار باشد و مدت زیادی دوام نیاورد. میدان مغناطیسی چرخش ستاره را کند می‌کند، در نتیجه ستاره شروع به مردن می‌کند. تصور می‌شود که مگنتارها باید به سرعت در حدود ۱۰۰۰۰ سال بمیرند که در مقیاس کیهانی بسیار بسیار ناچیز است (عمر کیهان در حدود ۱۴ میلیارد سال است).

 

کشش گرانشی و چرخش‌های بسیار سریع مگنتار یکپارچگی پوسته آن را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهد. پوسته‌ی مگنتارها گاه و بی‌گاه می‌شکند، شبیه به آنچه در زمین داریم و سُر خوردن پوسته‌ها موجب زمین لرزه می‌شود؛ چنین رویدادهایی به درستی ستاره لرزه نامیده شده‌اند. اگر سطح ستاره حتی به اندازه‌ی یک سانتی متر جابجا شود، انرژی آزاد شده منجر به یک انفجار عظیم در سطح ستاره می‌شود!

ستاره لرزه‌ها بطور مستقیم میدان مغناطیسی مگنتار را تحت تأثیر قرار می‌دهند، که منجر به فوران کردن مگنتار می‌شود، که چیزی شبیه به فوران‌های خورشیدی است، اما بسیار بسیار قوی‌تر. تریلیون‌ها برابر شدیدتر از خورشید! یک مگنتار می‌تواند در کسری از ثانیه، انرژی‌ای بیش از انرژی آزاد شده توسط خورشید طی ۲۵۰ هزار سال در فضا رها کند.

در سال ۲۰۰۴ ، ماهواره‌هایی که حول زمین می‌چرخیدند یک انفجار عظیم از تابش پرتوی ایکس شناسایی کردند، بطوری که حس‌گرهای ماهواره‌ها برای مدتی بر اثر انرژی این انفجار کور شدند! حتی بخشی از جو خارجی زمین بر اثر تابش پرتوهای پر انرژی این انفجار یونیزه شد. منشاء این انرژی عظیم یک ستاره لرزه در مگنتار شماره SGR1806-20 بود. شاید باور نکنید، اما این مگنتار در فاصله ۵۰۰۰۰ سال نوری از ما قرار داشت و چنین اثری بر روی زمین گذاشت!

هر چه بیشتر ستاره‌های نوترونی را مطالعه می‌کنیم، به نظر می‌رسد بیشتر ارزش مطالعه دارند. حتی امروزه، با وجود چندین دهه پژوهش، همچنان چیزهای جدیدی درباره ستاره‌های نوترونی کشف می‌کنیم.

 

گردآوری و ترجمه: دکتر حسین مصحفی

مطالب بیشتر: کانال هولوگرام

منابع:

Swinburne University of Technology

http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/N/Neutron+Star

 

Department of Astronomy (University of Maryland)

https://www.astro.umd.edu/~miller/nstar.html

 

NASA

https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/pulsars1.html

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *