ستاره‌های مرده‌ای که پاستا می‌پزند!

تصور کنید پاستا را در دمای بیش از یک تریلیون درجه بپزید. این «پاستای هسته‌ای» است که در داخل ستاره‌های نوترونی یافت می‌شود. محققان به تازگی فاش کرده‌اند که این اشکال عجیب هسته‌ای بسیار عمیق‌تر از آنچه که ما فکر می‌کردیم به درون هسته‌های ستاره‌های نوترونی نفوذ می‌کنند و این می‌تواند به طور اساسی ویژگی‌های این ستاره‌های مرده را تغییر دهد.

ستارگان نوترونی هسته‌های باقی‌مانده برخی از پرجرم‌ترین ستارگان جهان هستند که معمولا موادی به ارزش چند خورشید را در حجمی که بزرگ‌تر از شهر منهتن نیست در کنار هم جمع می‌کنند. برای دستیابی به این چگالی باورنکردنی، ماده درون آنها چنان فشرده می‌شود که پیوندهای اتمی و حتی هسته‌ای شکسته می‌شوند. این یک دریای غول پیکر و داغ از نوترون‌ها، الکترون‌ها و پروتون‌های شناور آزاد است که از طریق فعل و انفعالات پیچیده نیروی هسته‌ای قوی به هم متصل شده‌اند.

با توجه به این شرایط سخت، ستاره شناسان هنوز دقیقا نمی‌دانند که ماده ستاره‌های نوترونی چگونه آن را تشکیل می‌دهند.یک احتمال این است که ستارگان نوترونی هیبریدی باشند. پوسته و لایه‌های بیرونی آن‌ها تقریبا به طور کامل از نوترون تشکیل شده و تعدادی الکترون و پروتون در آن قرار دارد. اما هسته‌های آن‌ها چنان فشار و چگالی شدیدی را تجربه می‌کنند که حتی نوترون‌ها نیز در آن شکسته می‌شوند و یک ماده نیمه مایع متراکم از کوارک‌ها که بنیادی‌ترین ترکیب ماده هستند را باقی می‌گذارند.

رابطه بین هسته کوارک و لایه بیرونی نوترونی ویژگی‌های کلی ستاره نوترونی را تعیین می‌کند. اینکه چگونه ستاره نوترونی می‌چرخد، چگونه در هنگام ترک پوسته بیرونی ارتعاش دارد و چگونه هنگام برخورد با ستاره‌های نوترونی دیگر در انفجاری معروف به گران‌نواختر(Kilonova) رفتار می‌کند. ستارگان نوترونی که شکاف شدیدی بین لایه‌های هسته و بخش بیرونی ‌آن‌ها وجود دارد، نسبت به ستارگان نوترونی که فرآیند ترکیب تدریجی بین مواد دو بخش آنها برقرار است، رفتار متفاوتی نشان می‌دهند. با این حال، از آنجایی که ما هیچ ستاره نوترونی در این نزدیکی نداریم که بتوانیم آن را بشکافیم و بررسی کنیم، باید به مدل‌های نظری روی آوریم تا فضای داخلی آنها را دریابیم.

دو فیزیکدان نظری این چالش را پذیرفته‌اند. در مقاله‌ای که در روز ۲۶ اوت به پایگاه داده پیش‌چاپ arXiv ارسال شد، آنها آخرین مدل‌های رفتار کوارک و نوترونی را در فضای داخلی ستارگان نوترونی مشخص کردند. آنها در کار خود، که هنوز مورد بررسی همتایان قرار نگرفته است، بر روی این منطقه انتقالی پیچیده بین لایه‌های بیرونی هسته کوارک و نوترون تمرکز کردند.

«پاستای» هسته‌ای در این منطقه انتقالی از توده‌های فشرده نوترون‌هایی ساخته شده که در دریایی از کوارک‌ها غوطه‌ور شده‌اند. ظاهر آنها از فعل و انفعال پیچیده نیروهای هسته‌ای و الکترومغناطیسی قوی ناشی می‌شود که باعث می‌شود نوترون‌ها در سراسر منطقه گذار خم شده و به اشکال عجیب و غریب در هم بپیچند. هنگامی که فیزیکدانان برای اولین بار این ساختارها را کشف کردند، انواع مختلفی از اشکال جالب پیدا کردند: توده‌ها، لوله‌ها، میله‌ها و حباب‌هایی که شبیه به انواع خارق‌العاده پاستای موجود در غذاهای ایتالیایی بودند.

محققان به نقش مهم کشش انحنا، که مقاومت یک شکل منحنی در برابر دگرگونی‌هایی است که سعی می‌کنند آن را صاف کنند، پرداختند. کشش انحنا مشابه کشش سطحی است، جایی که مایع در برابر نیروهای خارجی که سعی در نفوذ به سطح آن را دارند مقاومت می‌کند.

محققان دریافتند که کشش‌های انحنا می‌توانند به شکل‌گیری برخی از اشکال کمک کند و پاستایی که اکنون «پخته» شده است را قادر ‌سازند تا به عمق هسته کوارک برسد، در حالی که سایر اشکال نامطلوب هستند. به طور خاص، آنها دریافتند که لوله‌ها و حباب‌ها می‌توانند تا چگالی‌های بسیار بالاتر از آنچه قبلا تصور می‌شد زنده بمانند، به لطف کمک‌های کشش انحنا، در حالی که قطرات و میله‌ها برای مدت طولانی دوام نمی‌آورند.

اینها ممکن است تغییرات کوچکی به نظر برسند، اما به طور بالقوه می‌توانند تاثیرات بزرگی داشته باشند.وقتی ستاره‌های نوترونی با هم برخورد می‌کنند و منجر به انفجارهای گران‌نواختر می‌شوند، جزئیات آن انفجار به فضای داخلی ستاره نوترونی بستگی دارد. تفاوت در میزان رسیدن نوترون‌ها به هسته و شکلی که آنها می‌گیرند، می‌تواند نحوه تکامل این انفجارها و مهم‌تر از آن عناصری که آزاد می‌کنند، را تغییر دهد.گام بعدی برای محققان این است که بررسی کنند چگونه می‌توانیم از انفجارهای گران‌نواختر برای آشکار کردن ساختارهای دقیق فضای داخلی ستاره‌های نوترونی، به ویژه تمام این اشکال نوترونی استفاده کنیم.