به گزارش واحد خبر مرکز مطالعات و پژوهش های فلکی نجومی به نقل از ایسنا و به نقل از اسپیس، اخترفیزیکدانان در یک مقاله جدید شواهد جدیدی را ارائه می‌کنند که نشان می‌دهد ستاره‌های نوترونی می‌توانند به سرعت گرما را با رها کردن خود از ذرات زیراتمی به نام "نوترینو"، از بین ببرند.

اعتقاد بر این است که ستاره‌های نوترونی نتیجه فروپاشی گرانشی یک ستاره عظیم پس از انفجار ابرنواختری هستند. این اجرام آسمانی دارای شعاع بسیار کم اما جرمی بین 1.3 تا 3 برابر جرم خورشیدی هستند.

آنالیز انتشار اشعه ایکس

دانشمندان چگونگی حذف گرما توسط ستاره‌های نوترونی را بررسی می‌کنند، تا چگونگی رفتار ماده در شرایط تراکم و درجه حرارت بالا را شناسایی کنند.

"ادوارد براون" پروفسور فیزیک و نجوم در دانشگاه ایالتی میشیگان و همکارانش، تاریخچه خنک شدن یک ستاره نوترونی را که در حال بلعیدن ستاره همدمش بود، با تجزیه و تحلیل انتشارات اشعه ایکس در دو دوره انفجار که در سال‌های 2001 و 2016 پایان یافت، بررسی کردند..

در مقاله آمده است: مشاهدات آرامش حرارتی پوسته ستاره نوترونی پس از 2.5 سال رشد پیوسته، ما را قادر می‌سازد تا انرژی ذخیره شده در هسته را در طول تحریک، که بعد از آن به عنوان نوترینو تغییر می‌کند و دمای هسته را در بر می‌گیرد، اندازه گیری کنیم.

آنچه که تیم اخترفیزیکدانان دریافت، یک مکانیزم خنک کننده سریع نوترینو به نام فرآیند مستقیم "اورکا"(Urca) بود که تاکنون چنین چیزی کشف نشده بود.

اولین شواهد از خنک‌سازی سریع

این اولین شواهدی است که دانشمندان از خنک‌سازی سریع مشاهده کرده‌اند. مطالعات قبلی نشان داده بودند که ستاره‌های نوترونی نوترینوها را آزاد می‌کنند تا به آرامی خنک شوند، اما هرگز این میزان سرعت مشاهده نشده بود.

براون به پایگاه خبری ساینس گفت که شاهد بودیم نوترینوها انرژی 10 برابر سریع‌تر از میزان انرژی حمل شده توسط نور خورشید و یا حدود 100 میلیون بار سریع‌تر از روند آهسته حمل می‌کنند.

ستاره مورد مطالعه، حدود 35 هزار سال نوری از زمین فاصله دارد.

"جیمز لاتیمر"، اخترفیزیکدان دانشگاه "استونی بروک" در نیویورک، که در تحقیق مشارکت ندارد، گفت که گرچه نشانه‌هایی از این رفتار پیش از این مشاهده شده بود، اما این اساسا نخستین جرمی است که ما می‌توانیم به چشم خود ببینیم که یک ستاره به این سرعت خود را خنک می‌کند.

ناپدید شدن انرژی

فرایند مستقیم "اورکا" توسط دو فیزیکدان به نام‌های "جورج گاموو" و "ماریو شنبرگ"، طی بازدید از کازینویی به همین نام در ریودوژانیرو نام‌گذاری شد. "شنبرگ" می‌گوید انرژی در هسته ابرنواختری به همان سرعت که پول در دستگاه‌های کازینو ناپدید می‌شود، از بین می‌رود.

فرآیند "اورکا" توسط مرجع آکسفورد به عنوان چرخه‌ای از واکنش‌های هسته‌ای که در آن یک الکترون توسط یک هسته جذب می‌شود و سپس به عنوان یک ذره بتا(الکترون سریع) با تولید یک جفت نوترینو-آنتی‌نوترینو دوباره منتشر می‌شود. این فرآیند هیچ تغییری در ترکیب هسته ایجاد نمی‌کند، اما انرژی آن را در قالب نوترینو و آنتی‌نوترینو از بین می‌برد.

"ماداپا پراکاش" فیزیکدان مدرس دانشگاه اوهایو در آتن که به این تحقیق وابسته نیست، می‌گوید: نوترینو یک دزد است؛ انرژی را از ستاره می‌دزدد. این فرآیند می‌تواند تنها در صورتی رخ دهد که مقدار پروتون‌ها در هسته ستاره نوترونی بیش از 10 درصد باشد.

این مطالعه برای درک مواد فوق چگال موجود در هسته ستاره‌های نوترونی بسیار مهم است.

"لاتیمر" می‌نویسد: نتایج چنین بررسی‌های با ثبات مهمی را برای مدل‌های چگالی ماده فراهم می‌کند. شکست پروتون می‌تواند اطلاعاتی درباره انرژی تقارن هسته‌ای، به ویژه وابستگی چگالی آن، ارائه دهد.

ستاره نوترونی

یک ستاره نوترونی هسته فروپاشی‌شده یک ستاره بزرگ است که پیش از فروپاشی جرم آن در مجموع بین 10 تا 29 جرم خورشیدی بوده است. ستاره‌های نوترونی کوچکترین و متراکم‌ترین ستارگانی هستند که تاکنون شناخته شده‌اند.

هنگامی که ستاره پرجرمی به شکل ابرنواختر منفجر می‌شود، گاهی هسته آن می‌تواند سالم و برجا بماند. اگر جرم هسته بین 1.3 تا 3 جرم خورشیدی باشد، پدیده طبیعی گرانش، آن را فراتر از مرحله کوتوله سفید متراکم می‌کند، تا جایی که پروتون‌ها و الکترون‌ها برای تشکیل نوترون‌ها به یکدیگر فشرده می‌شوند. این نوع شی آسمانی "ستاره نوترونی" نامیده می‌شود.

وقتی که شعاع ستاره‌ای 10 کیلومتر باشد، انقباضش متوقف می‌شود. برخی از ستارگان نوترونی در زمین به شکل "تپ‌اختر" شناسایی می‌شوند که با چرخش خود، 2 نوع اشعه منتشر می‌کنند.

برای این که تصور بهتری از یک ستاره نوترونی در ذهن‌تان بوجود بیاید، می‌توانید فرض کنید که تمام جرم خورشید در مکانی به وسعت یک شهر جا داده شده است. یعنی می‌توان گفت یک قاشق از ستاره نوترونی یک میلیارد تن جرم دارد. به اضافه اینکه سرعت چرخش این ستاره‌ها به دور خودشان تا 700 دور در ثانیه هم می‌رسد و این چرخش با روند بسیار بسیار آهسته کند می‌شود.

به عنوان مثال ستاره نوترونی که در هر ثانیه یک دور می‌زند، پس از صد سال در هر 1.000003 ثانیه یک دور می‌زند، به عبارت دیگر پس از یک میلیون سال هر 1.03 ثانیه یک دور می‌زند.

این ستارگان هنگام انفجار برخی از ابرنواخترها بوجود می‌آیند. پس از انفجار یک ابرنواختر ممکن است به خاطر فشار بسیار زیاد حاصل از پخش مواد، ساختار اتمی همه عناصر شیمیایی شکسته می‌شود و تنها اجزای بنیادی بر جای می‌مانند.

اغلب دانشمندان عقیده دارند که جاذبه و فشار بسیار زیاد باعث فشرده شدن پروتون‌ها و الکترون‌ها به درون یکدیگر می‌شوند که خود سبب به وجود آمدن توده‌های متراکم نوترونی خواهد شد.

عده کمی نیز معتقدند که فشردگی پروتون‌ها و الکترون‌ها بسیار بیش از این‌هاست و این باعث می‌شود که تنها کوارک‌ها باقی بمانند و این ستاره کوارکی متشکل از کوارک‌های بالا و پایین (Up & down quarks)  و نوع دیگری از کوارک که از بقیه سنگین‌تر است، خواهد بود که این کوارک تاکنون در هیچ ماده‌ای کشف نشده است.

از آنجا که اطلاعات در مورد ستارگان نوترونی اندک است، در سال‌های اخیر تحقیقات زیادی بر روی این دسته از ستارگان انجام شده است.

با توجه به نظریه نسبیت عام، نوری که از یک میدان جاذبه زیاد عبور کند، مقداری از انرژی خود را از دست می‌دهد. این کاهش انرژی به صورت افزایش طول موج نور نمود پیدا می‌کند. به این پدیده انتقال به قرمز می‌گویند.

یک گروه از ناسا برای نخستین بار انتقال به قرمز نور گذرنده از اتمسفر بسیار بسیار نازک یک ستاره نوترونی را اندازه‌گیری کردند.

جاذبه عظیم ستاره نوترونی باعث انتقال به قرمز نور می‌شود که میزان آن به مقدار جرم ستاره و شعاع آن بستگی دارد.

تعیین مقادیر جرم و شعاع ستاره می‌تواند محققان را در یافتن فشار درونی ستاره یاری کند. با آگاهی از فشار درونی ستاره منجمان می‌توانند حدس بزنند که داخل ستاره نوترونی فقط متشکل از نوترون‌ها است یا ذرات ناشناخته دیگر را نیز شامل می‌شود.

این گروه تحقیقاتی پس از انجام مطالعات و آزمایش‌ها دریافتند که این ستاره تنها باید از نوترون تشکیل شده باشد و در حقیقت طبق مدل‌های کوارکی، ذره دیگری جز نوترون در آن وجود ندارد.

در حین این مطالعه و برای بررسی تغییرات طیف پرتوهای ایکس، یک منبع پرقدرت اشعه ایکس لازم بود. انفجارهای هسته‌ای (Thermonuclear Blasts) که بر اثر جذب ستاره همدم توسط ستاره نوترونی ایجاد می‌شود. همان منبع مورد نیاز برای تولید اشعه ایکس بود.

ستاره نوترونی به سبب جرم زیاد و به طبع آن، جاذبه قوی، مواد ستاره همدم را به سوی خود جذب می‌کرد.

طیف پرتوهای ایکس تولید شده پس از عبور از جو بسیار کم ستاره نوترونی که از اتم‌های آهن فوق یونیزه شده تشکیل شده بود، توسط ماهواره "XMM-نیوتن" مورد بررسی قرار گرفتند.

نکته قابل توجه این است که در آزمایش‌های قبلی که توسط گروه دیگری انجام شده بود، تحقیقات بر روی ستاره‌ای متمرکز بود که میدان مغناطیسی بزرگی داشت و چون میدان مغناطیسی نیز بر روی طیف نور تأثیرگذار است، تشخیص اثر نیروی جاذبه ستاره بر روی طیف نور به طور دقیق امکان‌پذیر نبود. ولی ستاره مورد نظر در پروژه بعدی دارای میدان مغناطیسی ضعیفی بود که اثر آن از اثر نیروی جاذبه قابل تشخیص بود.

نوترون

نوترون یکی از ذرات هسته‌ای اتم است که دارای بار الکتریکی خنثی است و به همراه پروتون در داخل هسته اتم اصل جرم اتم را تشکیل می‌دهند.

نوترینو

نوترینو(neutrino) یک ذره بنیادی است که از نظر الکتریکی خنثی بوده و به ندرت وارد بر هم کنش می‌شود. نوترینو به معنی «کوچک خنثی»، معمولا با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند و از نظر الکتریکی خنثی بوده و قادر است از درون مواد، تقریبا بدون هیچ بر هم کنشی عبور نماید.

نوترینوها دارای جرم بسیار کوچک، اما غیر صفر هستند.

از آنجایی که نوترینوها بار الکتریکی ندارند، تحت تأثیر نیروهای الکترومغناطیس قرار نمی‌گیرند. نوترینوها تنها تحت تأثیر نیروی هسته‌ای ضعیف که در مقایسه دارای بُرد بسیار کوتاه‌تری از نیروی الکترومغناطیس است، قرار می‌گیرند. لذا قادر هستند مسافت‌های بسیار طولانی را درون مواد بدون بر هم کنش طی نمایند.

نوترینوها ضمن  واپاشی بتا، در واکنش‌های هسته‌ای مانند آنچه در خورشید یا راکتورهای اتمی رخ می‌دهد و همچنین در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با اتم‌ها ایجاد می‌گردند.

سه نوع نوترینو وجود دارد: الکترون‌نوترینو ، میون‌نوترینو و تاونوترینو. همچنین هر یک از آن‌ها، پادذره مربوط به خود به نام پادنوترینو یا آنتی‌نوترینو نیز دارند.

بیشتر نوترینوهایی که از زمین عبور می‌کنند، از خورشید صادر می‌شوند. در هر ثانیه از هر سانتی‌متر مربع زمین، در حدود 65 میلیاردنوترینوی خورشیدی عبور می‌کند.

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.