الفيزياء الفلكية في أزمة؟ اكتشاف جسم غامض يمكن أن يغير كل شيء

اكتشف علماء الفلك جسمًا سماويًا يتحدى التصنيف، وربما يكشف عن نوع جديد من الكيانات الكونية على حافة الفيزياء المعروفة.

أحيانًا يكتشف علماء الفلك أجسامًا في السماء لا يمكننا تفسيرها بسهولة. وفي بحثنا الجديد، نشرت في علمنحن نبلغ عن مثل هذا الاكتشاف، ومن المرجح أن يثير النقاش والتكهنات.

النجوم النيوترونية هي من بين الأجسام الأكثر كثافة في الكون. إنها مدمجة مثل نواة الذرة، لكنها كبيرة مثل مدينة، فهي تتجاوز حدود فهمنا للمادة القصوى. كلما كان النجم النيوتروني أثقل، زادت احتمالية انهياره إلى شيء أكثر كثافة: الثقب الأسود.

تصور فني للنظام بافتراض أن النجم المرافق الضخم هو ثقب أسود. ألمع نجم الخلفية هو رفيقه المداري، النجم النابض الراديوي PSR J0514-4002E. وتفصل بين النجمين مسافة 8 مليون كيلومتر، ويدوران حول بعضهما البعض كل 7 أيام. الائتمان: دانييل فوتسيلار (artsource.nl)

حد الفهم: النجوم النيوترونية والثقوب السوداء

هذه الأجسام الفيزيائية الفلكية كثيفة جدًا وجاذبيتها قوية جدًا لدرجة أن نواتها – مهما كانت – مخفية بشكل دائم عن الكون بواسطة آفاق الحدث: أسطح مظلمة تمامًا وبالتالي لا يمكن للضوء الهروب.

إذا أردنا أن نفهم الفيزياء عند نقطة التحول بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء، فنحن بحاجة إلى العثور على الأجسام عند هذه الحدود. وعلى وجه الخصوص، من الضروري العثور على الأشياء التي يمكن إجراء قياسات دقيقة لها على مدى فترات زمنية طويلة. وهذا هو بالضبط ما وجدناه – جسم ليس من الواضح أنه أ النجم النيوتروني ولا واحد الثقب الأسود.

صورة تلسكوب هابل الفضائي للعنقود الكروي NGC 1851. الاعتمادات: NASA، ESA، وG. Piotto (Università degli Studi di Padova)؛ العلاج: غلاديس كوبر (ناسا/ الجامعة الكاثوليكية الأمريكية)

رقصة كونية في NGC 1851

كان يبحث عميقا في الكتلة النجمية إن جي سي 1851 أننا اكتشفنا ما يبدو أنه زوج من النجوم يقدم رؤية جديدة لأقصى حدود المادة في الكون. يتكون النظام من ميلي ثانية واحدة النجم النابضنوع من النجوم النيوترونية سريعة الدوران والتي تكتسح أشعة الضوء الراديوي عبر الكون أثناء دورانها، وجسم ضخم مخفي ذو طبيعة غير معروفة.

الجسم الضخم مظلم، مما يعني أنه غير مرئي في جميع ترددات الضوء – من الراديو إلى النطاقات الضوئية والأشعة السينية وأشعة جاما. في ظل ظروف أخرى، قد يجعل هذا الدراسة مستحيلة، ولكن هذا هو المكان الذي يأتي فيه النجم النابض بالميلي ثانية لمساعدتنا.

تشبه النجوم النابضة بالميلي ثانية الساعات الذرية الكونية. إن دوراناتها مستقرة بشكل لا يصدق ويمكن قياسها بدقة عن طريق الكشف عن نبض الراديو المنتظم الذي تنتجه. على الرغم من ثباته بشكل جوهري، إلا أن الدوران المرصود يتغير عندما يتحرك النجم النابض أو عندما تتأثر إشارته بمجال جاذبية قوي. ومن خلال ملاحظة هذه التغيرات، يمكننا قياس خصائص الأجسام التي تدور حول النجوم النابضة.

استخدم الفريق التلسكوب الراديوي الحساس MeerKAT، الموجود في منطقة كارو شبه الصحراوية في جنوب إفريقيا. الائتمان: ساراو

كشف الغموض مع MeerKAT

يستخدم فريقنا الدولي من علماء الفلك التلسكوب الراديوي ميركات في جنوب أفريقيا لإجراء مثل هذه الملاحظات للنظام، ودعا NGC 1851E.

وقد سمح لنا ذلك بتفصيل مدارات الجسمين بدقة، مما يوضح أن أقرب نقطة اقتراب لهما تتغير بمرور الوقت. يتم وصف هذه التغييرات بواسطة النظرية النسبية لأينشتاين وتخبرنا سرعة التغيير عن الكتلة المجمعة للأجسام الموجودة في النظام.

كشفت ملاحظاتنا أن نظام NGC 1851E يزن ما يقرب من أربعة أضعاف وزن شمسنا وأن رفيقه المظلم كان، مثل النجم النابض، جسمًا مضغوطًا، وأكثر كثافة بكثير من النجم العادي. تزن النجوم النيوترونية الأكثر ضخامة حوالي كتلتين شمسيتين، فإذا كان نظام نجم نيوتروني مزدوج (أنظمة معروفة ومدروسة)، فيجب أن يحتوي على اثنين من أثقل النجوم النيوترونية التي لم يتم العثور عليها على الإطلاق.

لاكتشاف طبيعة الرفيق، نحتاج إلى فهم كيفية توزيع كتلة النظام بين النجوم. لا نزال نستخدم النسبية العامة لأينشتاين، ويمكننا أن نصمم النظام بالتفصيل، ونجد أن كتلة المرافق تتراوح بين 2.09 و2.71 مرة كتلة الشمس.

وتقع كتلة المرافق ضمن “فجوة كتلة الثقب الأسود” التي تقع بين أثقل النجوم النيوترونية الممكنة، والتي تقدر بنحو 2.2 كتلة شمسية، وأخف الثقوب السوداء التي يمكن أن تتشكل عند انهيار نجمي، وتقدر كتلتها بحوالي 5 كتلة شمسية. تشكل طبيعة وتكوين الأجسام في هذه الفجوة سؤالاً بارزًا في الفيزياء الفلكية.

المرشحين المحتملين

إذن ما الذي وجدناه بالضبط؟

تاريخ التكوين المحتمل للنجم النابض الراديوي NGC 1851E والنجم المرافق له الغريب. الائتمان: توماس توريس (جامعة ألبورج / MPIfR)

الاحتمال الجذاب هو أننا اكتشفنا نجمًا نابضًا يدور حول بقايا اندماج (تصادم) نجمين نيوترونيين. أصبح هذا التكوين غير العادي ممكنًا بفضل كثافة النجوم في NGC 1851.

في حلبة الرقص المزدحمة هذه، سوف يدور النجوم حول بعضهم البعض، ويتبادلون الشركاء في رقصة فالس لا تنتهي أبدًا. إذا تم رمي نجمين نيوترونيين بالقرب من بعضهما البعض، فإن رقصتهما ستنتهي بشكل كارثي.

يصبح الثقب الأسود الناتج عن اصطدامهما، والذي قد يكون أخف بكثير من تلك الناتجة عن انهيار النجوم، حرًا في التحرك حول العنقود حتى يجد زوجًا آخر من راقصي الفالس، ويدخل نفسه بشكل فظ، طاردًا الشريك الأخف وزنًا. فى المعالجة. إن آلية الاصطدامات والتبادلات هذه هي التي يمكن أن تؤدي إلى النظام الذي نلاحظه اليوم.

مواصلة السعي

لم ننتهي من هذا النظام بعد. ويجري العمل بالفعل لتحديد الطبيعة الحقيقية للرفيق بشكل قاطع والكشف عما إذا كنا قد اكتشفنا أخف ثقب أسود أو النجم النيوتروني الأضخم – أو ربما لم نكتشف أيًا منهما.

على الحدود بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء، من الممكن دائمًا وجود جسم فيزيائي فلكي جديد، غير معروف حتى الآن.

من المؤكد أن الكثير من التكهنات ستتبع هذا الاكتشاف، ولكن ما هو واضح بالفعل هو أن هذا النظام يحمل وعدًا هائلاً عندما يتعلق الأمر بفهم ما يحدث فعليًا للمادة في البيئات الأكثر تطرفًا في الكون.

كتب بواسطة:

• إيوان د. بار – عالم مشروع للتعاون بين النجوم العابرة والنجوم النابضة مع ميركات (TRAPUM)، معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي
• أرونيما دوتا – طالبة دكتوراه في قسم الأبحاث في الفيزياء الأساسية في علم الفلك الراديوي، معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي
• بنيامين ستابرز – أستاذ الفيزياء الفلكية، جامعة مانشستر

مقتبس من مقالة نشرت أصلا في الحوار.