کشف ستارگان نوترونی سنگین وزن

ما می دانیم که انسانها چگونه چاق می شوند: با خوردن زیاد و ورزش کم. اما هیچ کس نمی داند که چگونه تعدادی از ستارگان نوترونی نسبت به بقیه سنگین تر می شوند. چرا که ستاره شناسان از کشف دو نمونه ستاره نوترونی انگشت به دهان مانده اند.

ستاره نوترونی باقیمانده یک ستاره میان وزن است که زندگی خودش را باجرمی حدود 8 تا 20 یا 30 برابر جرم خورشید اغاز کرده است. به عنوان یک ستاره سوخت هسته ای خود را می سوزاند و عناصر سنگین تر را تا اهن تولید کند. تحت فشار باور نکردنی لایه های بالایی ستاره الکترونها در اتمهای خود به شدت تحت قوانین کوانتوم متراکم شده و به حالت الکترون تبهگن در می ایند. اگر جرم هسته از 1.44 جرم خورشید –حد چاندراسکار-- بالا تر رود الکترونهای تبهگن نیز نمی توانند مقاومت کنند. ناگهان هسته رمبش می کند. الکترونها و پروتونها با یکدیگر ترکیب شده و نوترونها تولید می شوند و ناگهان انرژی ازاد شده قطعات ریز باقیمانده را در یک انفجار ابرنواختری به بیرون پرتاب می کند. ستاره نوترونی باقیمانده با 5 تا 10 مایل قطر – که حالا با تبهگنی نوترونها پایدار شده است—با ابر درخشانی از گاز احاطه می شود.

این تئوری توضیح می دهد که چرا تقریبا تمام ستاره های نوترونی کشف شده تاکنون جرمی کمتر از 1.4 خورشید دارند. همچنین این مساله توضیح می دهد که چرا دانشمندان از انچه که Paulo Freire (از رصدخانه ارسیبو) و همکارانش در خوشه کرویM5  و NGC 6440   کشف کرده اند متعجب شده اند: ستاره های نوترونی با جرمی به ترتیب حدود 1.9 و 2.7 جرم خورشید.

اجرام مورد بحث تپ اختران میلی ثانیه ای هستند: ستاره های نوترونی با میدانهای مغناطیسی بسیار قوی چرخانی با سرعت صدها دور در ثانیه و گسیل طوفانهایی از ذرات و امواج که در هر دور چرخش به زمین ارسال می کنند.

این اجرام اعضای سیستم های دوتایی هستند. ستاره های نوترونی منفرد تنها چندین بار در ثانیه می چرخند اما در سیستمهای دوتایی با افزایش ماده و اندازه حرکت زاویه ای از طریق همدم دیگرش می تواند با سرعتهای بالا بچرخد. خوشه های کروی مکانهای ویژه ای برای شکار تپ اختر های میلی ثانیه ای هستند، چرا که تراکم بالای ماده منجر به افزایش تعداد سیستمهای چندتایی ستاره ای می شود.

از طریق رادیو تلسکوپ غولپیکر ارسیبو Freire و همکارانش برای رسیدن به نهایت دقت در خصوصیات این سیستم دوتایی پالسهای این تپ اختر را در یک دوره 18 ساله بررسی کردند. انها جرم تپ اختر را  1.94 ± 0.18 و جرم همدمش را 0.16 ± 0.10 جرم خورشید محاسبه کردند. انها حتی می توانند حرکت تقدیمی اهسته محور مداری انها را که نسبیت عام پیشگویی می کند اشکار کنند.

دانش ما در باره قسمتهای درونی یک ستاره نوترونی هنوز در مراحل اولیه است. Freire می گوید: "کسی واقعا نمی داند که ماده در اعماق چنین اجرامی چگونه رفتار می کند." برای اینکه جرمهایی به این اندازه را بتوان توصیف کرد باید نظریه ها برای رفتار ماده تراکم ناپذیر ستاره های نوترونی اصلاح شود.

همچنین وجود چنین ستاره های نوترونی سنگینی دلیلی است که مواد داخلی انها نمی توانند بعد از نوترونها تا دریایی از "ماده کوارکی" فشرده شود (هر نوترون از سه کوارک مقید در یک بسته ساخته شده اند). از فیزیک انتظار داریم که دریایی از کوارکهای ازاد همسان باید نسبت به دریای نوترونی بسیار فشرده تر باشد.

سوال دیگری که وجود دارد این است که جرم اضافی از کجا می اید. شاید قسمتی از مواد ستاره ای بعد از انفجار ابرنواختری به ستاره نوترونی باز گردد و یا ممکن است مکانیزمهایی وجود داشته باشد که ما نتوانیم ستاره های نوترونی با جرمهای بالاتر از حد چاندراسکار را توضیح دهیم. اگر بدین صورت باشد، بنابراین ستاره های نوترونی ممکن است از انچه که ما تصور می کنیم بیشتر باشند و شاید که جرم بیشتری نسبت به انچه که ما تصور می کنیم برای غلبه بر تبهگنی نوترونی برای تبدیل به سیاهچاله نیاز باشد.