About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. 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.
تقریبا هر قرن یک بار سوخت یک ستاره خیلی بزرگ جایی در کهکشان ما تمام میشود. این اتفاق پس از میلیونها سال تبدیل شدن هیدروژن ستاره توسط حرارت و فشار به عناصر سنگینتر از هلیوم، کربن و نیتروژن تا آهن رخ میدهد. وقتی ستاره دیگر قادر به تولید انرژی کافی برای نگهداشتن ساختار خود نبود، تحت فشار گرانشی خود فرومیریزد و در یک ابرنواختر منفجر میشود. ستاره بیشتر محتویات خود را به فضا شلیک میکند، و کهکشان را با عناصر سنگین بذرپاشی میکند. اما آنچه این انفجار مهیب به جا میگذارد شاید حتی چشمگیرتر باشد: توپی از ماده که آنقدر چگال است که الکترونهای اتمی از مدارهای کوانتومی خود در عمق هسته اتم فرومیریزند. مرگ آن ستاره تولد یک ستاره نوترونی است: یکی از چگالترین اجرام شناخته شده در کهکشان، و یک آزمایشگاه برای فیزیک عجیب مواد فوق متراکم.
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.
اما یک ستاره نوترونی چیست؟ به یک توپ متراکم فکر کنید که درون آن پروتونها و الکترونها به نوترون تبدیل میشوند و مایع بدون اصطکاکی به نام ابرمایع تولید میکنند -- که توسط پوستهای احاطه شده است. این ماده به طرز باورنکردنی متراکم است -- معادل جرم یک کشتی بابری کاملا پر در یک تار مو فشرده شده، یا جرم کوه اورست در حجم یک بلور شکر. در عمق بیشتر پوسته، ابرمایع نوترونی فازهای گوناگونی شکل میدهد که فیزیکدانان به آن «پاستای نوترونی» میگویند، چون از شکلی مانند ورقههای لازانیا به شکل اسپاگتی متراکم میشوند.
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. 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.
جسم عظیمی که به ستاره نوترونی منتهی میشود معمولا در چرخش است. وقتی متلاشی میشوند، ستارههایی به پهنای میلیونها کیلومتر به ستارههای نوترونی به عرض تنها ۲۵ کیلومتر تبدیل میشوند. اما تکانه زاویهای ستاره اصلی همچنان حفظ میشود. پس به همان دلیل که وقتی یک اسکیتباز دستهایش را جمع میکند سرعت چرخشش بیشتر میشود، سرعت چرخش ستاره نوترونی هم خیلی بیشتر از ستاره مادر است. تندترین ستاره نوترونی شناخته شده بیش از ۷۰۰ بار در ثانیه میچرخد، که یعنی یک نقطه روی سطح آن با سرعتی بیشتر از یک پنجم سرعت نور در فضا میگردد. ستارههای نوترونی همچنین دارای قویترین میدان مغناطیسی در میان اجرام نشاخته شده هستند. این تمرکز مغناطیسی گردابههایی شکل میدهد که پرتوهایی را از قطبهای مغناطیسی ساطع میکند. از آنجا که قطبها همیشه بر محور چرخش ستاره منطبق نیستند، پرتوها مانند فانوسهای دریایی میچرخند، و از زمین به صورت چشمکزن دیده میشوند. به آنها تَپاختر میگوییم. کشف یکی از این علامتهای چشمکزن ترسناک توسط اخترشناس جاسلین بل در سال ۱۹۶۷ بود که در واقع اولین بار به کشف غیر مستقیم ستارههای نوترونی منجر شد. چرخش خشمناک یک ستاره نوترونی با گذشت میلیاردها سال کند میشود چرا که انرژی خود را به صورت امواج الکترومغناطیسی و گرانشی آزاد میکند.
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.
اما همه ستارههای نوترونی به این آرامی ناپدید نمیشوند. برای مثال، منظومههای دوتایی رصد کردهایم که یک ستاره نوترونی و یک ستاره دیگر به دور هم میگردند. یک ستاره نوترونی میتواند از یک همراه سبکتر تغذیه کند، و جو آن که پیوستگی سستتری دارد را ببلعد پیش از آنکه در نهایت طی انفجاری مهیب به یک سیاهچاله بدل شود.
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.
اگرچه ستارههای زیادی به صورت دوتایی وجود دارند، تنها درصد اندکی از آنها به ستارههای نوترونی دوتایی تبدیل میشوند، جایی که ستارههای نوترونی در رقصی محکوم به ادغام دور هم میچرخند. وقتی در نهایت برخورد میکنند، امواج گراشی را در فضازمان میفرستند مثل امواجی که یک قلوهسنگ در یک دریاچه آرام ایجاد میکند.
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.
نظریه نسبیت عام انیشتین این پدیده را بیش از ۱۰۰ سال پیش پیشبینی کرد اما تا سال ۲۰۱۷ مستقیماً تایید نشد، زمانی که رصدخانههای امواج گرانشی LIGO و VIRGO یک برخورد ستاره نوترونی را مشاهده کردند. تلسکوپهای دیگر طوفانی از پرتوهای گاما و تشعشعی از نور، و بعد، امواج ایکس و سیگنالهای رادیویی را دریافت کردند که همگی از یک برخورد بودند. آن به بیشترین پدیده مطالعه شده در تاریخ ستارهشناسی بدل شد. این گنجینه ارزشمندی از اطلاعات را به وجود آورد که به اندازهگیری سرعت گرانش، و تقویت نظریههای مهم در فیزیک نجومی، و فرآهم آمدن شواهدی از منشا عناصر سنگینی مانند طلا و پلاتینیوم منجر شده است.
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.
ستارههای نوترونی هنوز تمام اسرار خود را فاش نکردهاند. LIGO و VIRGO به روز میشوند تا برخوردهای بیشتری را ثبت کنند. این به ما کمک میکند آنچه مرگ تماشایی این مغناطیسهای چگال، دوار و تپنده میتواند به ما بگوید را یاد بگیریم.