How the Universe Works

ستاره نوترونی

بسیار سنگین، بسیار چگال

غیرعادی

گرانش زیاد، مغناطیسی، داغ

ترسناک

سیارات رو نابود میکنن

حتی میتونن ستاره‌ها رو نابود کنن

یک معضل کیهانی

جرم خیلی خیلی زیادی دارن

اما خیلی خیلی کوچیک هم هستن

ابرقدرت‌های کیهانی کوچولو

...که برای مدت‌ها زیر سایه‌ی سیاهچاله‌ها بودن

تا حالا

ستاره‌های نوترونی به خط مقدم اخترفیزیک مدرن پرتاب شدن

اخترشناسای جهان میدونن که اتفاقی افتاده

یه خبراییه، از یه چیز جدید و متفاوت

سوتاره‌های نوترونی، جالب‌ترین چیزهای اخترفیزیکی توی جهان هستن

حالا بهتون معرفی میکنم،

ستاره‌های نوترونی... خالقان گران‌بهاترین عناصر ما و حتی خود حیات

تیم ترجمه سایت علمی بیگ‌بنگ تقدیم میکند ترجمه: محمد احمدی

در فاصله 130 میلیون سال نوری از زمین،

در کهکشانی به نام NGC-4993

دو ستاره‌ی مرده که توی یه مدار مارپیچی کوچک‌شونده گیر افتادن

مثل گوش دادن به صدای زنگ خود کیهانه

صدای این برخورد، روی خود بافت فضا و زمان حک میشه

لیوینگستون، لوییزیانا، رصدخانه‌ی پیشرفته‌ی لایگو

مأموریتش... شناسایی امواج گرانشی تولید شده در فضا

موج گرانشی، یه انحراف توی فضازمانه

که معمولا توسط یه نوع رویداد گرانشی شدید به وجود میاد

رویدادهایی مثل سوپرنوا، یا برخورد سیاهچاله‌ها ، یا برخورد ستاره‌های نوترونی

سال 2015... لایگو با آشکارسازی امواج گرانشی برای نخسین بار،تاریخ سازی میکنه

صد سال پس از پیش‌بینی اینشتین

که برخورد سیاهچاله‌ها رو تایید میکنه

تقریبا شبیه گوش دادن به صدای تصادف ماشین‌هاییه که در فاصله دور به هم برخورد کردن

که شما شاهد اون تصادف نبودین اما باهوش هستین و صدای اون تصادف هم اونقدر خاصه

و شما میتونین از کامپیوترهاتون استفاده کنین و مدل‌سازی کنین

که دقیقا چه نوع ماشین‌هایی باید به هم دیگه برخورد کرده باشن

بعد از اون در سال 2017، لایگو یه سیگنال متفاوت رو دریافت میکنه

آشکارسازی اتفاق سال 2017، کاملا عجیب و غریب بود

سیگنالی دریافت میشه و سیگنال عجیبیه

یه سیگنال طولانیه

بیشتر از 100 ثانیه‌ست

کمتر از دو ثانیه بعد، یه تلسکوپ پرتو گاما، تابشی از پرتو گاما رو شناسایی کرد

از همون بخش از آسمون

و خیلی سریع، اخترشناسای جهان متوجه شدن که یه اتفاقی افتاده

یه خبراییه، از یه چیز جدید و متفاوت

این ترکیب از یه سیگنال موج گرانشی طولانی

و تابش پرتو گاما

برای اخترشناسا بسیار جذابه

وقتی که این رویداد رو دیدن

یه اعلامیه سراسری به اخترشناسای کل جهان فرستادن

گفتن: هی، ما یه چیز جالب دیدیم

و از یه قسمت خاص از آسمون اومده

بعدش در بین جامعه اخترشناسی، همهمه‌ها شروع شد

و همه شروع کردن به نشونه‌گرفتن تلسکوپ‌هاشون به این بخش خاص از آسمون

در ظی چند ساعت، هزاران اخترشناس و فیزیکدان در سراسر جهان

به مقدار زیادی داده از این رویداد اسرارآمیز جمع‌آوری کردن

فقط امواج گرانشی نبود

فقط پرتوهای گاما نبود

نور مرئی بود، نور فروسرخ بود

نور فرابنفش هم بود

و همه‌ی این سیگنال‌ها کنار همدیگه بهمون یه داستان رو میگن

و این اولین باری بود که میدیدیم این دوتا پیام‌های چندگانه به طور یکجا میان

امواج گرانشی و نور معمولی

برای همینم این یه لحظه‌ی تاریخ‌ساز توی اخترشناسی بود

دانشمندا متوجه شدن که یکی دیگه یه برخورد سیاهچاله‌ای نیست

این یکی متفاوته

وقتی که یه انفجار توی جهان میبینین،

کاندیداهای زیادی واسش وجود نداره

چیزای زیادی توی جهان وجود ندارن که بتونن منفجر بشن

اما طول این سیگناله که مدرک جرمه

برخورد دو سیاهچاله سریع بود

این یکی یه مارپیچ مرگ طولانی‌تر و آهسته‌تر بود

از دو ستاره‌ی نوترونی

با حرکت مارپیچی به هم نزدیکتر و نزدیکتر شدن و سرعتشون بیشتر شد

و وقتی که نهایتا با همدیگه برخورد کردن

وقتی که در نهایت همو لمس کردن، مقدار هنگفتی انرژی رو توی محیط اطراف خودشون آزاد میکنن

این برخورد، ابرهای بزرگی از ماده رو تولید میکنه

که ممکنه باعث کم‌شدن سرعت نور هم بشه

نور و امواج گرانشی، 130 میلیون سال حرکت میکنن

تقریبا به طور همزمان به زمین میرسن

این اولین باریه که اخترشناسا، برخورد ستاره‌های نوترونی رو میبینن

اسمشو گذاشتن، کیلونوا

و این رویداد کیهانی خارق‌العاده

فقط انرژی آزاد نمیکنه

پیامد این برخورد ستاره‌های نوترونی

این کیلونوا، پسماند بسیار زیادی رو تولید کرد

که توی فضا فروزان شد

و این شاید نهایتا برای ما مدرک اینکه عناصر سنگین کجا ساخته شدن رو فراهم کرده

از طریق نابودی یه ستاره‌ی نوترونی، بذر مواد اساسی برای حیات فراهم میشه

ما مولکولهای اکسیژن رو تنفس میکنیم O2

آب از هیدروژن و اکسیژنه

بیشتر بدن ما از ترکیبات کربن ساخته شده

که شامل نیتروژن و فسفر هم میشه

یکی از سوالات بزرگ توی علم در سراسر تاریخ بشر این بوده که

منشأ این عناصر کجاست؟

و به نظر میاد که ستاره‌های نوترونی نقش حیاتی دارن توی ساختن بسیاری از این عناصر سنگین

بیشتر عناصر روی زمین، در داخل ستاره‌ها ساخته شدن

اما اینکه سنگین‌ترین عناصر چطور ساخته شدن یکی از اسرار قدیمی توی علم بوده

برای مدت‌هاست که میدونستیم یه مسئله وجود داره برای ساختن این اتم‌های سنگین‌تر

چیزایی مثل طلا و پلاتین تا اورانیوم

و پرانرژی‌ترین چیزایی هم که توی جهان داشتیم انفجارهای ابرنواختری بود

بنابراین اونا هم یجورایی باید توی همین ابرنواخترها ساخته می‌شدن

اما وقتی که دانشمندا شبیه‌سازی‌های کامپیوتری رو اجرا میکردن،

ابرنواخترهای کامپیوتری نمیتونستن این اتم‌های بزرگ رو بسازن

در سال 2016، اخترشناسی به نام ادو برگر، برای این معما یه راه حل بالقوه رو تشریح کرد

برگر: اگه هر کدوم از این کتابا رو باز کنین

و برین به صفحه‌ای که بهتون میگه طلا از کجا به وجود اومده

بهتون میگه که طلا از انغجارهای ابرنواختری به وجود اومده

اما داشت واضح می‌شد که کتاب‌های درسی منقضی شدن

برای ساختن عناصر سنگین به نوترون‌های زیادی نیازه

بنابراین یکی دیگه از نظریه‌های ممکن این بود که

عناصر سنگین‌‌تر در طی ادغام دو ستاره‌ی نوترونی در یک سیستم دوتایی به وجود میان

اما در اون زمان هیشکی به واقع برخورد ستاره‌های نوترونی رو ندیده بود

سخت می‌شد که جامعه علمی رو قانع کرد که این یه راه محتمل برای تولید عناصر سنگینه

مدرکش اینه که به واقع ببینین چنین اتفاقی توی جهان بیوفته

کیلونوای سال 2017 این فرصت عالی رو فراهم میکنه

هزاران ساعت داده رو فراهم میکنه

دانشمندا متوجه یه الگو میشن

تغییرات مشخص در رنگ پسماندهای کیلونوا

توی فضا وقتی که یه اتفاق خیلی درخشان دارین مقدار خاصی نور ازش ساطع میشه

و با طول موج خاصی اونو ساطع میکنه

که ما به عنوان رنگ اونا رو درک می‌کنیم

رنگ‌های متفاوت توی یه آتیش‌بازی، نشون میده که از مواد شیمیایی متفاوتی توی اون آتیش‌بازی استفاده شده

به همین شکل دانشمندا میتونن با شناسایی رنگ‌های اون انفجار مشخص کنن چه عناصری توی کیلونوا وجود داره

وقتی که کیلونوا قرمزرنگ میشه، اونا متوجه میشن که

این اتفاق به خاطر عناصر سنگین تازه‌متولدشده‌ایه که شروع کردن به جذب نور آبی

وقتی که این تغییرات توی پسماند رو مشاهده کردیم

تغییر رنگ انفجار، انبساط و خنک‌شدنش

میتونیم تخمین بزنیم که چه نوع عناصری تولید شدن

نور پسماند، از آبی و بنفش به قرمز و فروسرخ تغییر پیدا میکنه

تغییر رنگ، سرنخ‌هایی رو در مورد وجود فلزات سنگین خاصی رو به ما میده

این برخورد ستاره‌های نوترونی، این کیلونوا ، درخشش و طیف رنگی رو تولید کرد

که با مدل‌های پیشبینی‌شده‌ای که طلا و پلاتین رو تولید کرده بود، همخونی داشت

R به این مدل میگن، فرایند

مخفف اصطلاح، فرایند تند گیراندازی نوترون

این یه اصطلاح نسبتا پیچیده‌ است که

توضیح میده چطور اتم‌های سنگین‌تر از آهن به دست میان

به یک محیط غنی از نوترون نیاز دارین

و همونطور که احتمالا به ذهنتون رسیده، یه برخورد ستاره نوترونی، یه محیط غنی از نوترون رو فراهم میکنه

اگه این مدل‌ها صحت داشته باشن،

که این منو حیرت زده میکنه

این برخورد، کیلونوا، چند ده برابر جرم زمین، فقط طلا ساخته

کیلونوای سال 2017 نه فقط منشأ عناصر مهم رو برملا میکنه

بلکه از درون ستاره‌های نوترونی هم به ما اطلاعات میده

قوی‌ترین ماده در جهان

که میدان مغناطیسی رو تولید میکنه

که یک تریلیون برابر بزرگتر از میدان مغناطیسی زمینه

دو ستاره‌‌ی نوترونی در یک مارپیچ مرگ مشاهده شدن

این انفجار کیلونوای بزرگ نه تنها نحوه‌ی به وجود اومدن عناصر سنگین مثل طلا و پلاتین رو برامون روشن میکنه

بلکه به دانشمندا دید ویژه‌ای رو در مورد یکی ازمرموزترین چیزای جهان هم میده

تصور کردن اینکه یه ستاره‌ی نوترونی واقعا به چه شکله، تصورات ما رو به چالش میکشه

حتی فیزیک نظریمون رو هم به چالش میکشه

باید بریم پای مدل‌های کامپیوتری و ریاضیاتمون بشینیم و تخمین بزنیم که اینا چه شکلی هستن

حالا دیگه دانشمندا نیاز ندارن که فقط به تخیلاتشون تکیه کنن

میتونن از داده‌های قوی کیلونوا استفاده کنن

تا بفهمن ساز و کار ستاره‌های نوترونی به چه شکله

اطلاعات زیادی رو از همون یه دونه اتفاق، برخورد بین دوتا ستاره نوترونی، به دست آوردیم

حالا برای اولین بار یه تخمین دقیق داریم از جرم یه ستاره نوترونی و قطرش

بالاخره میتونیم اطلاعات رو به هم وصل کنیم و درک کنیم که ستاره‌های نوترونی چطوری کار میکنن

قطرش رو محاسبه کردن و فقط 20 کیلومتره

یعنی 1.6 کیلومتر کمتر از طول منهتن

مشخص کردن خصوصیات فیزیکی اهمیت زیادی داره

و اگه یکی از این خصوصیات مهم رو هم بخوایم نام ببریم، شعاع ستاره یکی از مهمترین‌هاست

چون در اون حالت اگر جرمش رو بفهمی، میتونی چگالیش رو هم حساب کنی

اگر چگالی کلیش رو بفهمی، میتونی بفهمی که لایه‌های درونی ستاره نوترونی چه شکلیه

برای فیزیکدانا، لایه‌های درونی ستاره نوترونی یکی از وسوسه‌انگیزترین جاهای جهانه

باید اینو بدونین که شرایط درونی یه ستاره نوترونی خیلی خیلی متفاوته با شرایط روی زمین

داریم راجع به چیزی صحبت میکنیم که اینقدر چگالی زیادی داره که حتی هسته‌ی اتم‌ها هم اونجا نمیتونن سر پا بمونن

ستاره نوترونی اینجوریه که از خورشید سنگین‌تره ولی به اندازه‌ای کوچیکتر از یه شهر فشرده شده

اینقدر چگالیش زیاده که اگه بخواین بذارینش روی زمین، به داخل کره زمین سقوط میکنه

چگالی بالا یعنی گرانش بالا

گرانشی 200 میلیارد برابر گرانش زمین

تصور کنین روی سطح یه ستاره نوترونی بخواین برید بالای یه میز و از روش بپرین پایین

درجا روی سطح ستاره پهن میشین

و روی سطح پخش میشین

پس حتی فکر اینم به سرتون نزنه که اونجا بخواین شنا بزنین

علاوه بر گرانش شدید

میدان‌های مغناطیسی بسیار قدرتمند

تابش‌های پرتو ایکس حیرت‌انگیز

میدان‌های الکتریکی 30 میلیون برابر قوی‌تر از صاعقه‌ها

و تندبادهایی از ذرات با انرژی بالا هم وجود دارن

برای یه مسافر فضایی، این اصلا محل خوبی نیست

اگر دور و بر یه ستاره نوترونی باشین، اوضاعتون اصلا خوب نیست

اولا تکه پاره میشین

توسط میدان مغناطیسی بسیار قدرتمندش

بعدش تابش پرتو ایکس، مثل سیب‌زمینی برشته‌تون میکنه

و وقتی که شما رو به سمت خودش بکشه

گرانش قدرتمندش، اتم‌ها و مولکولهاتون رو توی یه خط خیلی باریک به صف میکنه

سرعتتون بیشتر و بیشتر میشه

و در نهایت وقتی به سطحش برخورد کنین

روش پاشیده میشین

و این فرایند به اندازه‌ی یه بمب اتم انرژی آزاد میکنه

اگه من حق انتخاب داشتم که به سمت یه ستاره نوترونی سقوط کنم یا به سمت یه سیاهچاله

به نظرم سیاهچاله رو انتخاب میکنم

چون حال نمیکنم با یه میدان مغناطیسی پاره بشم و با اشعه ایکس برشته بشم

توی مقیاس کیهانی، شاید ستاره‌های نوترونی کوچیک باشن

اما قطعا دستای سنگینی دارن

راز این همه قدرت پنهان رو باید زیر سطحشون پیدا کرد

با استفاده از داده‌های جدید کیلونوا، حالا میتونیم به قلب یه ستاره‌ی نوترونی یه سفر مجازی بریم