الفيزياء الفلكية في أزمة؟ اكتشاف جسم غامض قد يغير كل شيء

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

أحيانًا يصادف علماء الفلك أجسامًا في السماء لا يمكننا تفسيرها بسهولة. وفي بحثنا الجديد، نشرت في علوم، فإننا نبلغ عن مثل هذا الاكتشاف، والذي من المرجح أن يثير النقاش والتكهنات.

النجوم النيوترونية هي من أكثر الأجسام كثافة في الكون. إنها مدمجة مثل نواة الذرة، ولكنها كبيرة مثل مدينة، فهي تتجاوز حدود فهمنا للمادة القصوى. كلما كان النجم النيوتروني أثقل، زاد احتمال انهياره في النهاية ليصبح شيئًا أكثر كثافة: ثقب أسود.

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

حافة التفاهم: النجوم النيوترونية والثقوب السوداء

هذه الأجسام الفيزيائية الفلكية كثيفة جدًا، وجاذبيتها قوية جدًا، لدرجة أن نواتها – مهما كانت – مغطاة بشكل دائم من الكون بواسطة آفاق الحدث: أسطح الظلام التام التي لا يمكن للضوء الهروب منها.

إذا أردنا أن نفهم الفيزياء عند نقطة التحول بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء، فيجب علينا العثور على الأجسام عند هذه الحدود. وعلى وجه الخصوص، يجب علينا العثور على الأشياء التي يمكننا إجراء قياسات دقيقة لها على مدى فترات طويلة من الزمن. وهذا بالضبط ما وجدناه – جسم ليس من الواضح أنه أ النجم النيوتروني ولا أ الثقب الأسود.

صورة تلسكوب هابل الفضائي للعنقود الكروي NGC 1851. مصدر الصورة: NASA، ESA، وG. Piotto (جامعة ديجلي ستودي دي بادوفا)؛ المعالجة: غلاديس كوبر (ناسا/ الجامعة الكاثوليكية الأمريكية)

رقصة كونية في NGC 1851

كان ذلك عند النظر بعمق في العنقود النجمي 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 النابضوهو نوع من النجوم النيوترونية سريعة الدوران والتي تكتسح أشعة الضوء الراديوي عبر الكون أثناء دورانها، وهو جسم ضخم مخفي ذو طبيعة غير معروفة.

الجسم الضخم مظلم، مما يعني أنه غير مرئي في جميع ترددات الضوء – من الراديو إلى نطاقات الأشعة الضوئية والأشعة السينية وأشعة جاما. في ظروف أخرى، قد يجعل هذا من المستحيل الدراسة، ولكن هنا يأتي 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 يكون النجم النابض في حالة حركة أو عندما تتأثر إشارته بمجال جاذبية قوي. ومن خلال مراقبة هذه التغييرات يمكننا قياس خصائص الأجسام الموجودة في مدارات النجوم النابضة.

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

كشف الغموض مع MeerKAT

لقد استخدم فريقنا الدولي من علماء الفلك التلسكوب الراديوي ميركات في جنوب أفريقيا لإجراء مثل هذه الملاحظات للنظام، المشار إليه باسم NGC 1851E.

وقد سمح لنا ذلك بتفصيل مدارات الجسمين بدقة، مما يوضح أن نقطة الاقتراب الأقرب لهما تتغير مع مرور 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 حوالي أربعة أضعاف وزن شمسنا، وأن الرفيق المظلم كان، مثل النجم النابض، جسمًا مضغوطًا – أكثر كثافة بكثير من النجم العادي. تزن النجوم النيوترونية الأكثر ضخامة حوالي ضعفي كتلة الشمس، لذلك إذا كان هذا نظام نجم نيوتروني مزدوج (أنظمة معروفة ومدروسة جيدًا)، فيجب أن يحتوي على اثنين من أثقل النجوم النيوترونية التي تم اكتشافها على الإطلاق.

وللكشف عن طبيعة الرفيق، سنحتاج إلى فهم كيفية توزيع الكتلة في النظام بين النجوم. مرة أخرى باستخدام النسبية العامة لأينشتاين، يمكننا وضع نموذج للنظام بالتفصيل، وإيجاد كتلة للرفيق تقع بين 2.09 و2.71 مرة كتلة الشمس.

وتقع كتلة المرافق ضمن “فجوة كتلة الثقب الأسود” التي تقع بين أثقل النجوم النيوترونية الممكنة، والتي يُعتقد أن كتلتها تبلغ حوالي 2.2 كتلة شمسية، وأخف الثقوب السوداء التي يمكن أن تتشكل من انهيار نجمي، وتبلغ كتلتها حوالي 5 كتلة شمسية. إن طبيعة وتكوين الأجسام في هذه الفجوة هو سؤال بارز في الفيزياء الفلكية.

المرشحين المحتملين

إذن ما الذي وجدناه بالضبط إذن؟

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 في مدار حول بقايا اندماج (تصادم) نجمين نيوترونيين. أصبح هذا التكوين غير العادي ممكنًا بفضل التعبئة الكثيفة للنجوم في NGC 1851.

في حلبة الرقص المزدحمة هذه، سوف يدور النجوم حول بعضهم البعض، ويتبادلون الشركاء في رقصة فالس لا نهاية لها. إذا حدث أن تم قذف نجمين نيوترونيين بالقرب من بعضهما البعض، فسوف تنتهي رقصتهما بشكل كارثي.

يصبح الثقب الأسود الناتج عن اصطدامهما، والذي يمكن أن يكون أخف بكثير من تلك التي تنشأ من النجوم المنهارة، حرًا في التجول في الكتلة حتى يجد زوجًا آخر من الراقصين في رقصة الفالس، ويدخل نفسه بوقاحة – 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 الأكثر ضخامة – أو ربما لم نكتشف أيًا منهما.

عند الحدود بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء، هناك دائمًا احتمال وجود أجسام فيزيائية فلكية جديدة، غير معروفة 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 حقًا للمادة في البيئات الأكثر تطرفًا في الكون.

كتب بواسطة:

• إيوان د. بار – عالم مشروع للنجوم العابرة والنجوم النابضة بالتعاون مع MeerKAT (TRAPUM)، معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي
• أرونيما دوتا – مرشحة لدرجة الدكتوراه 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 المحادثة.