الفيزياء الفلكية في أزمة؟ تم اكتشاف مادة غامضة يمكنها تغيير كل شيء

اكتشف علماء الفلك جرمًا سماويًا يتحدى التصنيف، ومن المحتمل أن يكشف عن نوع جديد من الكون على حافة الفيزياء المعروفة.

يرى علماء الفلك أحيانًا أجسامًا في السماء لا يمكننا تفسيرها بسهولة. وفي بحثنا الجديد، نشرت داخل علومنحن نعلن عن مثل هذه النتيجة، والتي من شأنها أن تحفز النقاش والتكهنات.

النجوم النيوترونية هي من أكثر المواد كثافة في الكون. إنها مدمجة مثل النواة، ولكنها كبيرة مثل المدينة، وهي تتجاوز حدود فهمنا للمادة القصوى. كلما زادت كتلة النجم النيوتروني، زادت احتمالية انهياره إلى شيء أكثر كثافة: الثقب الأسود.

تصور فني لنظام يفترض أن النجم المرافق الضخم هو ثقب أسود. نجم الخلفية الساطع 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 وقوى جاذبيتها قوية جدًا لدرجة أن مراكزها – مهما كانت – محجوبة بشكل دائم عن الكون بحدود الحدث: أسطح الظلام المطلق التي لا يمكن للضوء الهروب منها.

إذا أردنا أن نفهم الفيزياء عند السطح الفاصل بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء، فنحن بحاجة إلى العثور على الأجسام عند هذه الحدود. وعلى وجه الخصوص، نحن بحاجة إلى العثور على مواد يمكنها إجراء قياسات دقيقة على مدى فترات طويلة من الزمن. وهذا ما اكتشفناه – جسم غير موجود على ما يبدو النجم النيوتروني أو أ الثقب الأسود.

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

رقصة كونية في NGC 1851

كان ذلك عندما نظرنا بشكل أعمق إلى الكوكبة إن جي سي 1851 لقد رأينا ما يبدو أنه زوج من النجوم يقدم نظرة جديدة على قمة المادة في الكون. يتكون الكمبيوتر من ميلي ثانية واحدة النجم النابضنوع من النجوم النيوترونية سريعة الدوران التي تكتسح أشعة الضوء الراديوي عبر الكون أثناء دورانها، وهو جسم ضخم مخفي ذو طبيعة غير معروفة.

المادة الضخمة مظلمة، مما يعني أنها غير مرئية في جميع ترددات الضوء – من الراديو إلى الضوء، والأشعة السينية، وأشعة جاما. في مواقف أخرى، قد يكون هذا غير قابل للقراءة، ولكن هذا هو المكان الذي يأتي فيه النجم النابض بالميلي ثانية لإنقاذنا.

تشبه النجوم النابضة بالميلي ثانية الساعات الذرية الكونية. دوراتها 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 بسحب الجاذبية القوي. يمكن لمراقبة هذه التغييرات قياس خصائص الأجسام التي تدور حول النجوم النابضة.

واستخدم الفريق التلسكوب الراديوي الحساس ميركات الموجود في منطقة كارو شبه الصحراوية في جنوب أفريقيا. الائتمان: ساراو

كشف الغموض مع الميركات

يستخدمه فريقنا الدولي من علماء الفلك تلسكوب راديو ميركات لإجراء مثل هذه الملاحظات للنظام المعين NGC 1851E في جنوب أفريقيا.

وقد سمح ذلك بوصف مدارات الجسمين بدقة، مما يوضح أن اقترابهما الوثيق يتغير بمرور الوقت. يتم وصف هذه التغييرات النظرية النسبية لأينشتاين وتخبرنا سرعة التغيير عن الكتلة المجمعة للأجسام الموجودة في النظام.

كشفت ملاحظاتنا أن كتلة نظام NGC 1851E تقارب أربعة أضعاف كتلة شمسنا، وأن الرفيق المظلم يشبه النجم النابض، وهو جسم صغير – أكثر كثافة بكثير من النجم العادي. تزن النجوم النيوترونية الأكثر ضخامة حوالي كتلتين شمسيتين، لذلك إذا كان هذا نظام نجم نيوتروني ثنائي (أنظمة معروفة ومدروسة) فيجب أن يحتوي على أثقل نجمين نيوترونيين تم اكتشافهما على الإطلاق.

وللكشف عن طبيعة الرفيق، علينا أن نفهم كيفية توزيع الكتلة في النظام بين النجوم. مرة أخرى باستخدام النسبية العامة لأينشتاين ونمذجة النظام بالتفصيل، يمكن العثور على كتلة المرافق ما بين 2.09 و2.71 مرة كتلة الشمس.

وتقع كتلة المرافق في “فجوة كتلة الثقب الأسود”، بين أثقل النجوم النيوترونية الممكنة، والتي يُعتقد أن كتلتها تبلغ حوالي 2.2 كتلة شمسية، وأخف الثقوب السوداء التي يمكن أن تتشكل من الانهيار النجمي والتي تبلغ كتلتها حوالي 5 كتل شمسية. تعد طبيعة وتكوين الأجسام في هذا الفضاء سؤالًا كبيرًا 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)

أحد الاحتمالات المحيرة هو أننا اكتشفنا نجمًا نابضًا في مدار حول بقايا اندماج (تصادم) نجمين نيوترونيين. أصبح مثل هذا الهيكل غير العادي ممكنًا بفضل التعبئة الكثيفة للنجوم في NGC 1851.

على حلبة الرقص المزدحمة بالنجوم، تدور النجوم حول بعضها البعض، وتتبادل الشركاء في رقصات الفالس التي لا نهاية لها. إذا تم رمي نجمين نيوترونيين بالقرب من بعضهما البعض، فإن رقصتهما ستنتهي بشكل كارثي.

سيكون الثقب الأسود الناتج عن اصطدامهما أخف بكثير من ذلك الذي يتكون من النجوم المنهارة، ويمكنه التحرك حول العنقود حتى يجد زوجًا آخر من الراقصين، ويدخل نفسه تقريبًا، طاردًا الشريك الأخف وزنًا. فى المعالجة. إن آلية الصراعات والتبادلات هذه هي التي تؤدي إلى النظام الذي نلاحظه اليوم.

مواصلة البحث

لم ننتهي من هذا الإعداد بعد. ويجري العمل بالفعل لتحديد الطبيعة الحقيقية للرفيق على وجه اليقين وكشف ما إذا كنا -أو ربما لا- قد اكتشفنا ثقبًا أسود أخف وزنًا أو نجمًا نيوترونيًا أكثر ضخامة.

هناك دائمًا احتمال وجود بعض المواد الفيزيائية الفلكية الجديدة، غير المعروفة حتى الآن، عند الحدود بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء.

من المؤكد أن الكثير من التكهنات ستتبع هذا الاكتشاف، لكن من الواضح بالفعل أن هذا النظام يحمل وعدًا هائلاً عندما يتعلق الأمر بفهم ما يحدث بالفعل 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 – دكتوراه في الفيزياء الأساسية في قسم أبحاث علم الفلك الراديوي، معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي
• بنجامين ستابرز – أستاذ الفيزياء الفلكية بجامعة مانشستر

مقتبس من مقالة منشورة أصلا محادثة.