حوالي مرة كل قرن نجم ضخم في مكانٍ ما في مجرتنا يستنفذ وقوده
About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel.
يحدث هذا بعد ملايين السنين من الحرارة والضغط التي صهرت الهيدروجين الخاص بالنجم إلى عناصر أثقل مثل: الهيليوم، والكربون والنياتروجين- وصولًا إلى الحديد لم يعد قادرًا على إنتاج الطاقة الكافية للحفاظ على بنيته، فينهار تحت تأثير ضغط جاذبيته وينفجر في مُستعرِ أعظم ويقذف النجم معظم ما بداخله إلى الفضاء ناثرًا عناصره الثقيلة في المجرة. ولكن ما ينجم عن هذا الانفجار الهائل قد يكون أكثر وضوحًا: كرة من المواد كثيفة جدًا لدرجة أن الإلكترونات الذرية تسقط من مداراتها الذرية إلى أعماق نواة الذرة. موت ذلك النجم هو الميلاد لنجم نيوتروني أحد أكثر المواد المعروفة كثافة في الكون ومعمل لفيزياء غريبة لمادة فائقة الكثافة
This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
ولكن ما هو النجم النيوتروني؟ فكر في كرة مُدمجة بداخلها بروتونات وإلكترونات تندمج لتشكل نيترونات وتشكل سائل غير احتكاكي يُسمى "فائق الميوعة" تحيطه قشرة. هذه المادة كثيفة بشكل لا يصدق ما يعادل كتلة سفينة حاويات محملة بالكامل مضغوطة في شعرة إنسان. أو كتلة جبل إفيريست في مساحة مكعب سكر. في أعماق القشرة، يُكوِّن النيوترون فائق الميوعة أطوارًا مختلفة ما يُسميه علماء الفيزياء "المعكرونة النووية" حيث إنها تشبه انضغاط (اللزانيا) إلى (اسباغيتي)- في الشكل
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
تدور عادة السلائف الضخمة للنجم النيوتروني. عندما تنهار النجوم التي عادةً ما يكون عرضها ملايين الكيلومترات، تنضغط إلى نجوم نيوترونية والتي يكون قطرها نحو 25 كيلومتر فقط.
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across.
ولكن الزخم الزاوي الخاص بالنجم محفوظ. لذا ولنفس السبب يتسارع شكل المتزلجة عندما تثني ذراعيها للداخل، يدور النجم النيوتروني بشكل أسرع بكثير من والده. أسرع نجم نيوتروني تم تسجيله يدور أكثرمن 700 مرة في كل ثانية مِما يعني أن نقطة على سطحه تدور الفضاء أكثر من خمس مرات بسرعة الضوء. يمتلك النجم النيوتروني أقوى حقل مغناطيسي لأي جسم معروف يُشكل هذا التركيز المغناطيسي دوامات والتي تصدر إشعاعات من الأقطاب المغناطيسية. وبسبب أن الأقطاب ليست دائمًا مُحاذية لمحور دوران للنجم؛ تدور الأشعة مثل ضوء المنارة، والتي تبدو كالوميض عندما تُشاهَد من الأرض. نُسميها "النجوم النابضة." اكتشاف واحدة من هذه الإشارات الوامضة المُحيِّرة من قِبل عالمة الفيزياء الفلكية (جوسلين بيل) في عام 1967 كان في الواقع الطريقة التي اكتشفنا بها النجوم النيوترونية بشكل غير مباشر في المقام الأول. يتباطئ الدوران الجنوني لنجم نيتروني هَرِِم خلال فترة من مليارات السنين حيث تشع طاقتها بعيدًا في شكل موجات كهرومغناطيسية وجاذبية.
But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
ولكن لا تختفي كل النجوم النيوترونية بهدوء. على سبيل المثال: لاحظنا أنظمة ثُنائية حيث يشارك نجم نيوتروني نجمًا آخر في المدار. يمكن لنجم نيوتروني أن يتغذى على رفيق أخف، يلتهم بغلافه الأكثر تمددًا قبل أن ينتهي به المطاف بانهيار كارثي إلى ثقب أسود. في حين أن الكثير من النجوم تتواجد في أنظمة ثُنائية، نسبة ضئيلة فقط منها ينتهي بها الحال كثنايات النجوم النيوترونية حيث يدور نجمان نيوترونيان حول بعضهما محكومٌ عليهما بالانتهاء إلى الاندماج عندما يتصادمان أخيرًا، يرسلان موجات الجاذبة عبر الزمكان كأنها تموجات إثر رمي حجر في بحيرةٍ هادئة.
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole. While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
نظرية أينشتاين للنسبية العامة توقعت هذه الظاهرة منذ أكثر من 100 عام، لكن لم يتم التحقق منها بشكل مباشر حتى 2017، عندما قام مرصدا الموجات الجاذبية (لايغو) و (فيرغو) برصد اصطدام نجم نيوتروني. التقطت تليسكوبات أخرى انفجارًا لأشعة غاما ووميض ضوئي، ومؤخرًا، أشعة إكس وإشارات راديو، كلها إثر نفس الاصطدام. وأصبح ذلك الحدث الأكثر دراسة في تاريخ علم الفلك. مما أسفر عن كنز دفين من البيانات والذي ساعد في تحديد سرعة الجاذبية، وتعزيز نظريات مهمة في الفيزياء الفلكية، وتقديم أدلة على أصل العناصر الثقيلة مثل الذهب والبلاتينيوم.
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
لم تكشف النجوم النيوترونية عن كل أسرارها بعد، يتم تطوير (لايغو) و (فايغو) للكشف عن المزيد من التصادمات. سيساعدنا ذلك على معرفة المزيد عن ما يمكن للانهيار المذهل لهذه المغناطيسيات النابضة الدوارة أن يخبرنا عن الكون.
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.