شبیهساز جدیدی که با استفاده از یکی از اَبَر کامپیوترهای ناسا به وجود آمده، نشان میدهد که چطور اوضاع ستاره های نوترونی در حال ادغام حتی قبل از اینکه به یکدیگر برخورد کنند هم آشفته است: مگنتوسفرشان، که قویترین میدان مغناطیسی شناختهشده در جهان است، در هم گره خورده و آشفتگی ایجاد میکند.
ستارگان نوترونی منتهیالیه اجرام ستارهای در جهانند. این ستارهها زمانی ایجاد میشوند که ستارههای پر جرم در انفجارات ابرنواختری قدرتمند میمیرند. این اجسام به قدری متراکمند که یک قاشق چایخوری از ماده آنها حدود ده میلیون تن وزن دارد، که معادل وزن 85 هزار نهنگ آبی بالغ است.
بنابراین، مایۀ تعجب نیست که برخورد دو ستاره نوترونی و ادغام آنها واقعهای بسیار خشونتآمیز باشد. در حقیقت، چنین برخوردی تنها محیطی را به وجود میآورد که به قدری آشفته است که در آن شرایط ساخت طلا، نقره، پلاتینیوم و دیگر فلزهای سنگینتر از آهن فراهم است. حتی مرکز پرآشوب بزرگترین ستارهها هم قادر به ایجاد کردن شرایط این کیمیاگری عناصر نیست.
دیمیتریوس سکیاتاس، محقق مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا در بیانیهای گفت: «درست قبل از اینکه ستارگان نوترونی با یکدیگر تصادف کنند، نواحی پر شده از پلاسمای شدیدا مغناطیسیِ دورشان، که مگنتوسفر نام دارد، شروع به انجام فعل و انفعالات میکنند. ما چند مدار آخرِ قبل از ادغام، که در آنها میدانهای مغناطیسیِ در هم گرهخورده سریع و شدید تغییر میکنند، را بررسی کرده و سیگنالهای پرانرژی قابلمشاهدهای را مدلسازی کردیم.»
چه چیزی واکنش ستاره های نوترونی را تا این حد شدید میکند؟
وقتی ستارههایی که جرمی تقریبا با خورشید برابر دارند (جرم ستاره های نوترونی حدود 1.1 تا 2 برابر خورشید است)، سوخت لازم برای همجوشی هستهای در مرکزشان، که هیدروژن است، را از دست میدهند، مرکزشان از هم گسیخته، لایۀ بیرونیشان ورم کرده و به تدریج از بین میروند. این مسئله باعث میشود که ستارهها زندگی خود را بهعنوان خاکسترهای ستارهای سوزان به نام کوتوله سفید، به پایان برسانند.
هرچند، ماجرا برای ستارههایی که ده برابر و بیشتر از خورشید جرم دارند، متفاوت است. وقتی مرکز پر از هیدروژنشان از هم میپاشد، این حجم اضافۀ فشار و دمای موردنیاز برای همجوشی هلیوم را، که در طی میلیونها سال همجوشی هیدروژن در این مراکز به وجود آمده، فراهم کرده و عناصری حتی سنگینتر به وجود میآورد.
این پروسۀ پیدرپی تمام شدن سوخت، ازهمگسیختن و دوباره روشن شدن، تا وقتی ادامه مییابد که قلب ستاره از آهن پر میشود. وقتی این آخرین ازهمگسیختگی رخ میدهد، امواج نوسانی به لایۀ بیرونی ستاره رسیده، در آنجا با انفجاری ابرنواختری منفجر شده و بیشتر حجم ستاره را با خود میبرد.
چیزی که میماند، باقیماندهای ستارهایست که حدود دو برابر خورشید جرم دارد و با مادهای غنی از نوترون در وسعتی حدود 12 مایل (20 کیلومتر) پر شده است. فروپاشی سریع این هستۀ ستارهای نه تنها جرمی با چگالی شگفتانگیز، بلکه میدان مغناطیسیای نیز تولید میکند که میتواند یک کواردیلیون بار از مگنتوسفر زمین قویتر باشد.
نزدیک شدن ستارگان نوترونی به یکدیگر
ستارگان پر جرم معمولاً در جفتهای دوتایی همراه با یک ستارۀ همدم یافت میشوند و در این صورت، وقتی هر دو ستاره میمیرند، نتیجه یک جفت ستاره نوترونی است. همانطور که دو ستارۀ مرده دور هم میچرخند، امواجی در فضا-زمان ایجاد میکنند که موج گرانشی نام دارد و حرکت زاویهای منتقل میکند. این مسئله باعث نزدیک شدن جفت ستاره های نوترونی به هم میشود. به زبان دیگر، نزدیکتر شدن باقیماندههای ستارهای به یکدیگر باعث میشود امواج گرانشی با فرکانس بالاتر ساطع کنند، حرکت زاویهای خود را سریعتر از دست دهند و با سرعت بیشتری به یکدیگر نزدیک شوند.
این اتفاق وقتی پایان مییابد که ستارگان نوترونی به قدری به یکدیگر نزدیک شده باشند که جاذبهشان غالب شده و باعث برخورد و ادغامشان شود. حاصل این امر، انفجار پرتو پرانرژیای به نام انفجار پرتو گاما (GRB)، آخرین نالۀ امواج گرانشی و پخش شدن ذرات غنی از نوترون است که اجازه رخ دادن پروسهای را میدهد که در آن عناصری بسیار سنگین ولی ناپایدار تولید میشوند. این عناصر به تدریج منحط شده و طلا، نقره و دیگر فلزهای سنگینتر از آهن به وجود میآیند. این انحطاط تابشی نیز ایجاد میکند که فضانوردان آن را کیلونوا مینامند.
به دلیل اینکه این اتفاقها مسئول ایجاد بعضی از باارزش و مهمترین عناصر ما و همچنین پدیدههای کیهانی نورانی مثل GRB و کیلونوا هستند، همیشه علاقهای شدید به بررسی اثرات ثانوی ادغام ستارههای نوترونی وجود داشته است.
سکیاتاس و همکارانش روشی متفاوت را پیش گرفته و با دقت بیشتر به بررسی وقایع قبل از دیدار ستارگان نوترونی پرداختند.
آشفتگی مغناطیسی
برای بررسی 7.7 هزارم ثانیه قبل از ادغام ستارگان نوترونی، تیم به ابرکامپیوتر پلیادیس ناسا در مرکز تحقیقات ناسا در آمس روی آورده و بیش از 100 شبیهسازی از سیستم دو ستاره نوترونی، هر کدام با جرمی 1.4 برابر خورشید، به وجود آوردند.
کونستانتینوس کالاپوثاراکوس، یکی از اعضای تیم گادرد ناسا در بیانیه گفت: «در شبیهسازیمان، مگنتوسفر شبیه مداری مغناطیسی رفتار میکند که دائما و همزمان با حرکت ستاره های نوترونی در مدار، در حال دوباره سیمکشی کردن خود است. خطوط میدانی، همزمان با جریان پلاسمایی که با سرعتی تقریبا هماندازۀ سرعت نور حرکت میکند، به هم وصل شده، میشکنند و دوباره وصل میشوند، و میدانهای متغیر میتوانند شتاب پیدا کنند. دلیل نیازمان به ابرکامپیوتر نیز دنبال کردن این سیر تکاملیِ غیر خطی با کیفیت بالاست!»
هدف اصلی تیم، تحقیق درباره چگونگی تاثیر میدانهای مغناطیسی این باقیماندههای ستارهای بر نور، و یا پرتو الکترومغناطیسی، در مدارهای نهایی این ستارگان نوترونی در اطراف یکدیگر بود.
زوراوار وادیاسینگ، یکی از اعضای تیم از دانشگاه مریلند، کالج پارم، و گادرد ناسا در بیانیه اضافه کرد: «کار ما نشان میدهد که نوری که توسط این سیستمها ساطع میشود از نظر شدت روشنایی بهطور چشمگیری متفاوت است و بهطور یکسان پخش نشده و به همین دلیل دیدگاه مشاهدهگری با فاصله زیاد از ادغام، اهمیت زیادی دارد. با نزدیک و نزدیکتر شدن ستارهها، سیگنالها نیز بسیار قویتر میشوند و این تغییر متکی به گرایش مفناطیسی نسبی ستارگان نوترونی است.»
شبیهسازیها نشان دادند که میدانهای مغناطیسی نسبی ستارگان نوترونی، هنگام گردش به دور یکدیگر پشت سرشان گسترده شده، باقیماندههای ستارهای را به هم وصل، سپس شکسته و بعد دوباره به هم متصلشان میکنند.
مغناطیس و تابش
همچنین، محققان توانستند از پلیادیس برای شبیهسازی چگونگی تاثیر نیروهای الکترومغناطیسی بر سطح ستارگان نوترونی استفاده کنند. هدف این کار مشخص کردن مقدار تنش مغناطیسی انباشتهشده در چنین سیستمهایی بود، ولی برای تعیین اینکه تعامل مغناطیسی چطور در لحظات آخر ادغام ستاره های نوترونی نقش ایفا میکند، مدلسازیهای بیشتری نیاز است.
دموستنس کازاناس، عضو تیم و محقق گادرد ناسا بیان کرد: «چنین رفتاری میتواند بر سیگنالهای امواج گرانشی اثر گذارد و در تاسیسات نسل بعد قابل شناسایی خواهد بود. یکی از فواید چنین تحقیقاتی این است که میتواند به ما کمک کند تا بدانیم در مشاهدات آینده، چه چیزهایی را ممکن است ببینیم و دنبال چه نشانههایی در امواج گرانشی و نور باشیم.»
محققان توانستند از میدانهای مغناطیسی شبیهسازیشده برای تعیین نقاطی که بیشترین تابش پر انرژی در آنها ایجاد شده و چگونگی تکثیر این تابشها در محیط ادغام ستارگان نوترونی، استفاده کنند.
پژوهشگران یافتند که نواحی اطراف ادغام ستارگان نوترونی، پرتوهای گاما با انرژی زیاد تولید میکنند؛ ولی این تابش راهی به بیرون پیدا نکرد. دلیل این اتفاق این بود که فوتونهای اشعه گاما، ذرات منفرد نور، به سرعت تبدیل به جفتهایی از الکترون و پوزیترون میشدند. با وجود این، پرتوهای گامایی که انرژی کمتری داشتند، توانستند همراه با پرتوهایی با انرژی کمتر، مانند اکس-ری، از ادغام ستاره نوترونی بیرون آیند.
آیندۀ تاسیسات فضایی
این مسئله به این معنی است که تلسکوپهای فضایی پرتو گامای آینده، خصوصاً آنهایی که میدان دید وسیعتری دارند، میتوانند برای شناسایی سیگنالهای ستارگان نوترونیِ در مرز ادغام استفاده شوند. راه دیگری برای بررسی این سیستمها قبل از ادغام در آینده، استفاده از تشخیص امواج گرانشی است.
آنتن فضایی تداخلسنج لیزری (LISA)، پروژه ناسا /آژانس فضایی اروپایی نیز میتواند در این باره مورد استفاده قرار گیرد. LISA که اواسط 2030 پرتاب میشود، اولین ردیاب امواج گرانشی در فضا خواهد بود که فوایدی از جمله حساسیت بسیار بیشتر نسبت به نسل فعلی ردیابهای زمینی مثل رصدخانه موج گرانشی با تداخلسنج لیزری (LIGO) خواهد داشت. نتیجه تحقیقات تیم درباره ستاره های نوترونی در تاریخ 20 نوامبر 2025 در مجله The Astrophysical انتشار یافت.
