بعد از آخرین برخورد ستاره نوترونی تغییرات شدید در نظریات مورد نیاز است

تابستان گذشته، رصدخانه موج گرانشی معروف به لیگو، دومین نظر از ادغام دو ستاره نوترونی را دریافت کرد. برخورد این اشیا فوق‌العاده متراکم - هسته‌های عظیم انفجارهای ابر نو اختر در گذشته - باعث ایجاد لرزش در فضا - زمان شد که به اندازه کافی قدرتمند بود که در اینجا روی زمین شناسایی شود. اما بر خلاف ادغام اول، که مطابق با انتظارات بود، این رویداد اخیر باعث شده‌است تا اختر فیزیکدانان در مورد برخی فرضیات اساسی در مورد آنچه که در جهان در کمین است، تجدید نظر کنند. انریکو رامیرز رویز از دانشگاه کالیفرنیا، سانتاکروز گفت: «ما بر سر دوراهی قرار داریم.»

جرم بسیار بالای استثنایی سیستم دو ستاره اولین نشانه این بود که این برخورد بی‌سابقه بود. و در حالی که تنها اعماق ستارگان برای ایجاد خطر کافی نبود، اما اشاره به غافلگیری در آینده داشت.

رامیرز - رویز و همکارانش در مقاله‌ای که اخیرا در سایت علمی arxiv.org منتشر شده‌است، استدلال می‌کنند که GW۱۹۰۴۲۵، به عنوان سیستم دو ستاره شناخته شده‌است، هر چیزی که ما فکر می‌کردیم درباره زوج‌های ستاره نوترونی می‌دانیم را به چالش می‌کشد. به نظر می‌رسد که این آخرین مشاهدات اساسا با درک کنونی دانشمندان از نحوه تشکیل این ستاره‌ها، و هر چند وقت یک‌بار، ناسازگار است. در نتیجه، محققان ممکن است نیاز به تجدید نظر در دانش پذیرفته‌شده در طول سال‌ها داشته باشند.

خیلی دور، اما همه جا

قبل از سال ۲۰۱۷، زمانی که LIgo اولین ادغام ستاره نوترونی خود را ثبت کرد، هر چیزی که ما در مورد ستاره‌های نوترونی می‌دانستیم از مشاهدات نمونه‌های نسبتا نزدیک در کهکشان راه شیری ما به دست می‌آمد. (از ۲۵۰۰ ستاره نوترونی شناخته‌شده، ۱۸ زوج در حال گردش به عنوان ستاره‌های نوترونی دوتایی وجود دارند) در مقابل، نزدیک به ۵۰۰۰ کهکشان راه شیری وجود دارد.

اولین چیز گیج‌کننده در مورد آن جرم آن است: سیستم جدید دارای جرم کلی حدود ۳.۴ خورشید است. تمام نمونه‌های شناخته‌شده قبلی از ستاره‌های نوترونی دوتایی در حدود ۲.۶ خورشید وزن داشتند. اولین جفت ستاره نوترونی دوتایی لیو درست در همین محدوده پایین‌تر قرار داشت.

اما جرم ترکیبی بالا تنها اولین راز ادغام است. هنوز هم گیج‌کننده‌تر، فراوانی ستارگان بزرگ نوترون است: براساس مشاهدات اخیر، دانشمندان علوم کتابداری و اطلاع‌رسانی تخمین می‌زنند که این جفت شدگی های سنگین باید تقریبا به اندازه سیستم‌های ستاره دوتایی سبک‌تر که ستاره شناسان برای چندین دهه مطالعه کرده‌اند، مشترک باشند. زوج ستاره‌های بزرگ نوترون باید در سراسر جهان، از جمله کهکشان راه شیری ما باشند. پس چرا قبلا آن‌ها را ندیده‌اند؟

یک احتمال این است که تشخیص این ادغام دشوار باشد زیرا به سرعت اتفاق می‌افتد.

با تلسکوپ که تنها با استفاده از نور می‌تواند آن را ببیند - یعنی تمام تلسکوپ‌ها تا زمانی که (لیگو LIGO) بیاید - باید در زمان مناسب به جای مناسب نگاه کنید. یک فلاش کوتاه از یک جفت ستاره نوترونی بزرگ ممکن است نادیده گرفته شود. سالواتوره ویتال، یک فیزیکدان نجومی در موسسه فن‌آوری ماساچوست که بخشی از گروه هم‌کاری لیگو است، گفت: «اگر یک نوع مرکب‌های دوتایی خیلی سریع حرکت کنند، از نظر آماری بسیار بعید است که بتوانید یکی از آن‌ها را همانطور که اتفاق می‌افتد بگیرید.»

لیگو حساب دیفرانسیل و انتگرال را تغییر می‌دهد. این یک آشکارساز موج گرانشی همه جهته است که کل آسمان را نظارت می‌کند. ویتال و بقیه اعضای تیم بر این باورند که با چیزی برخورد کرده‌اند که قبل از ظهور ستاره‌شناسی موج گرانشی عملا نامرئی بود.

مشکل مهم‌تر در مورد این دره پنهان ستاره‌های نوترونی غول‌پیکر این است که نمی‌توانیم توضیح دهیم چرا باید این همه ستاره نوترونی وجود داشته باشد. برای شروع، اگر تعداد ستاره‌های نوترونی حجیم به اندازه ستاره‌های سبک‌تر باشد، پس باید انتظار داشته باشیم که به همان تعداد ستاره‌های سنگین (که آن‌ها را ایجاد می‌کنند)ستاره‌های سبک‌تر پیدا کنیم. اما این طور نیست: ستاره شناسان تخمین می‌زنند که کم‌تر از ۱۰٪ از ستارگان به اندازه کافی بزرگ هستند تا چنین ستاره‌های نوترونی عظیمی را ایجاد کنند. رامیرز - رویز گفت: «ما شواهد گیج‌کننده‌ای از روش‌های بسیار متفاوت داریم.»

این جایی نیست که معما به پایان برسد. بهترین شبیه‌سازی‌های کامپیوتری موجود از تکامل ستاره‌ای به سادگی نمی‌تواند فراوانی برآورد شده این جفت سنگین غیر معمول را محاسبه کند.

دانشمندان اغلب از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای مدل‌سازی فرآیندهای پیچیده در طول دوره‌های طولانی استفاده می‌کنند. در این مورد، نویسندگان چرخه زندگی اجسام ستاره‌ای فشرده را در طول میلیاردها سال مدل‌سازی کردند. ویتال گفت: «شما یک دسته ستاره قرار می‌دهید، و به کد می‌گویید که ستاره‌ها چگونه منفجر می‌شوند. سپس به مدت چند میلیون یا میلیارد سال به آن اجازه می‌دهید و نتیجه آن را می‌بینید.»

برای ارایه یک شبیه‌سازی دقیق از جهان، این کد اثرات نسبیت، مغناطیس، تابش گرانشی و خیلی چیزهای دیگر را توضیح می‌دهد. همچنین فرضیاتی را در مورد جزییاتی که به طور کامل شناخته‌نشده اند، ایجاد می‌کند، مانند مقدار گازی که پس از انفجار ابرنواختر به ستاره بر می‌گردد در مقابل مقدار گازی که در فضا گم می‌شود. این فرضیات طیف گسترده‌ای از ورودی‌های ممکن را به محققان می‌دهند که می‌توانند به کد متصل شوند در حالی که هنوز در محدوده قابلیت پذیرش فیزیکی باقی می‌مانند.

با این حال، مهم نیست که آن‌ها چه ورودی‌هایی را به شبیه‌سازی متصل کرده‌اند، این تیم نمی‌توانست در هر جایی نزدیک به تعداد زوج‌های ستاره نوترونی سنگین که لیگو پیش‌بینی کرده بود، تولید کند.

محمد صفارزاده، یک فیزیکدان نجومی در سانتاکروز که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: «اگر این یک ستاره نوترونی دوتایی است، سوالات زیادی در مورد آن وجود دارد.» همانطور که او و همکارانش در مقاله خود نوشته‌اند، چنین نرخ ادغام بالایی خواستار «تغییر اساسی در درک ما از انفجار ابرنواختر» شده‌است.

با این حال، محققان هشدار می‌دهند که شبیه‌سازی‌های ابرنواختر بسیار پیچیده و دشوار هستند. به گفته صفارزاده، مدل‌هایی که آن‌ها را هدایت می‌کنند، «بسیار تقریبی» هستند و می‌گویند که هنوز هم بسیار نزدیک هستند ویتال موافق است:«شبیه‌سازی این مساله بسیار دشوار است» با این حال، چنین اختلاف شدیدی بین تئوری و شواهد نگران‌کننده است. رامیرز رویز گفت: «این یک درخواست برای اقدام است.» این درخواست دانشمندان را بر آن می‌دارد تا در مورد نحوه تشکیل این ستاره‌ها تجدید نظر دهند.

بسیاری از جنبه‌های تکامل ستاره دوتایی به خوبی درک نشده اند، از جمله اینکه چگونه ستارگان جرم مبادله می‌کنند و به اندازه کافی به هم نزدیک می‌شوند. بن فارر، یک فیزیکدان در دانشگاه اورگان و یکی از اعضای گروه ساخت لیگو گفت: «ما اطلاعات زیادی در مورد شکل‌گیری و تکامل ستاره‌ای داریم، اما بسیاری از فیزیک مربوط به تولید دوبین‌های فشرده هنوز هم به خوبی درک نشده است.»

در نتیجه، فرضیات زیادی در مدل‌های پشت شبیه‌سازی‌های کامپیوتری وجود دارد.علاوه بر این، تمام مدل‌های موجود براساس مشاهدات تپ‌اخترها در کهکشان راه شیری ساخته شده‌اند. رامیرز - رویز گفت: «ما جمعیتی از ستارگان تپار داریم که می‌بینیم و هدف همه مدل‌های جمعیتی دوتایی توضیح این جمعیت است. ناگهان لیگو می‌گوید، خوب، این جمعیت نماینده جمعیت دو ستاره نوترونی نیست. لذا ما باید مجددا درباره الگوی مونتاژ و نحوه ایجاد این چیزها فکر کنیم.»

پس یافته‌های این مقاله، فیزیکدانان نجومی را وادار می‌کند تا آنچه را که فکر می‌کردند در مورد ستاره‌های نوترونی می‌دانند، دوباره بررسی کنند. رامیرز رویز گفت: «ما باید به تابلوی نقاشی برگردیم که برای من بسیار هیجان‌انگیز است»

چاپ‌شده در: مجله Quanta به تاریخ ۲۰ فوریه ۲۰۲۰
نویسنده: دانا نجار
لینک مقاله اصلی: https://www.quantamagazine.org/radical-change-needed-after-latest-neutron-star-collision-20200220/

این مقاله توسط ربات هوشمند ترجمه انگلیسی به فارسی علمی و به صورت خودکار ترجمه شده و می‌تواند به صورت محدود دارای اشکالات ترجمه باشد.