כוכבי ניוטרונים הם מהעצמים הצפופים ביותר ביקום. החומר בפנים נלחץ כל כך חזק עד שמדענים עדיין לא יודעים באיזו צורה הוא מקבל. הליבה של כוכב נויטרונים עשויה להיות עשויה ממרק סמיך של קווארקים, או להכיל חלקיקים אקזוטיים שלא יכלו לשרוד בשום מקום אחר ביקום. קרדיט: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al., עריכה
תצפיות אחרונות של XMM-Newton ו- ESA נאס"אצ'אנדרה של צ'אנדרה חשפו שלושה כוכבי נויטרונים קרים וצעירים בצורה יוצאת דופן, המאתגרים את המודלים הנוכחיים בכך שהם מראים שהם מתקררים הרבה יותר מהר מהצפוי.
לממצא זה יש השלכות משמעותיות, מה שמצביע על כך שרק מעטים מבין רבים הציעו כוכב ניטרונים מודלים ברי קיימא, ומצביעים על פריצת דרך אפשרית בקישור תיאוריות היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים באמצעות תצפיות אסטרופיזיקליות.
גילוי כוכבי ניוטרונים קרים בצורה יוצאת דופן
חלליות XMM-Newton של ESA וחלל צ'אנדרה של נאס"א זיהו שלושה כוכבי נויטרונים צעירים שקרים בצורה יוצאת דופן לגילם. על ידי השוואת תכונותיהם למודלים שונים של כוכבי נויטרונים, מדענים מסיקים שהטמפרטורות הנמוכות של הכדורים המוזרות פוסלות כ-75% מהדגמים המוכרים. זהו צעד גדול לקראת חשיפת 'משוואת המדינה' של כוכב נויטרונים אחד השולט בכולם, עם השלכות חשובות על חוקי היסוד של היקום.
מלבד חורים שחורים, כוכבי נויטרונים הם בין העצמים המבלבלים ביותר ביקום. כוכב נויטרונים נוצר ברגעים האחרונים לחייו של כוכב גדול מאוד (עם יותר משמונה המסה של השמש שלנו), כאשר הדלק הגרעיני בליבתו אוזל בסופו של דבר. בסוף פתאומי ואלים, השכבות החיצוניות של הכוכב נפלטות באנרגיה מפלצתית בפיצוץ סופרנובה, ומותירות מאחוריהן עננים מרהיבים של חומר בין-כוכבי עשיר באבק ובמתכות כבדות. במרכז הענן (ערפילית), ליבת הכוכבים הצפופה מתכווצת עוד יותר ליצירת כוכב נויטרונים. חור שחור יכול להיווצר גם כאשר מסת הליבה הנותרת גדולה משלוש מסות שמש בערך. קרדיט: ESA
צפיפות קיצונית ומצבים לא ידועים של חומר
אחרי חורים שחורים במסה כוכבית, כוכבי נויטרונים הם העצמים הצפופים ביותר ביקום. כל כוכב נויטרונים הוא הליבה הדחוסה של כוכב ענק, שנותר מאחור לאחר התפוצצות הכוכב בסופרנובה. לאחר שנגמר הדלק, ליבת הכוכב מתפוצצת תחת כוח הכבידה בעוד השכבות החיצוניות שלו מפוצצות החוצה אל החלל.
חומר במרכזו של כוכב נויטרונים נלחץ כל כך חזק עד שמדענים עדיין לא יודעים באיזו צורה הוא מקבל. כוכבי ניוטרונים מקבלים את שמם מהעובדה שתחת הלחץ העצום הזה, אפילו אטומים קורסים: אלקטרונים מתמזגים עם ליבות אטום, והופכים פרוטונים לנייטרונים. אבל זה עלול להיות מוזר עוד יותר, מכיוון שהחום והלחץ הקיצוניים עשויים לייצב חלקיקים אקזוטיים יותר שאינם שורדים בשום מקום אחר, או אולי להמיס חלקיקים יחד לכדי מרק מתערבל של הקווארקים המרכיבים אותם.
בכוכב נויטרונים (משמאל), הקווארקים המרכיבים את הנייטרונים מוגבלים בתוך הנייטרונים. בכוכב קווארק (מימין), הקווארקים חופשיים, ולכן הם תופסים פחות מקום וקוטר הכוכב קטן יותר. קרדיט: NASA/CXC/M.Weiss
מה שקורה בתוך כוכב נויטרונים מתואר במה שמכונה 'משוואת המצב', מודל תיאורטי שמתאר אילו תהליכים פיזיקליים יכולים להתרחש בתוך כוכב נויטרונים. הבעיה היא שמדענים עדיין לא יודעים איזו מבין מאות המשוואות האפשריות של מודלים של מצבים נכונה. בעוד שהתנהגותם של כוכבי נויטרונים בודדים עשויה להיות תלויה במאפיינים כמו המסה שלהם או כמה מהר הם מסתובבים, כל כוכבי הנייטרונים חייבים לציית לאותה משוואת מצב.
השלכות של תצפיות קירור כוכבי ניוטרונים
מדענים חפרו בנתונים ממשימות XMM-Newton ו-NASA של NASA, שלושה כוכבי נויטרונים צעירים וקרים במיוחד שקרים פי 10-100 מבני גילם בני גילם. על ידי השוואת המאפיינים שלהם לקצבי הקירור החזויים על ידי מודלים שונים, החוקרים מסיקים כי קיומם של שלושת הכדורים המוזרים הללו שולל את רוב משוואות המצב המוצעות.
"הגיל הצעיר וטמפרטורת פני השטח הקרה של שלושת כוכבי הנייטרונים הללו ניתנים להסבר רק על ידי שימוש במנגנון קירור מהיר. מכיוון שניתן להפעיל קירור משופר רק על ידי משוואות מצב מסוימות, הדבר מאפשר לנו להוציא חלק ניכר מהמודלים האפשריים", מסבירה האסטרופיזיקאית ננדה ריאה, שקבוצת המחקר שלה במכון למדעי החלל (ICE-CSIC) ובמכון החלל מחקרים על קטלוניה (IEEC) הובילו את החקירה.
איחוד תיאוריות באמצעות מחקר כוכבי ניוטרונים
לחשיפת משוואת כוכבי הנייטרונים האמיתית של המדינה יש גם השלכות חשובות על חוקי היסוד של היקום. הפיזיקאים המפורסמים עדיין אינם יודעים כיצד לחבר את תורת היחסות הכללית (המתארת את השפעות הכבידה על קנה מידה גדול) עם מכניקת הקוונטים (המתארת את מה שקורה ברמת החלקיקים). כוכבי ניוטרונים הם שדה הניסוי הטוב ביותר לכך שכן יש להם צפיפות וכבידה הרבה מעבר לכל מה שאנחנו יכולים ליצור על כדור הארץ.
כוכבי ניוטרונים הם הליבות הדחוסות של כוכבי ענק, שנותרו מאחור לאחר שהכוכב התפוצץ בסופרנובה. הם כל כך צפופים שכמות החומר של קוביית סוכר של כוכב נויטרונים תשקול כמו כל האנשים על פני כדור הארץ! קרדיט: ESA
איחוד כוחות: ארבעה שלבים לגילוי
שלושת כוכבי הנייטרונים המוזרים כל כך קרים גורמים להם להיות עמומים מדי מכדי שרוב מצפה הכוכבים בקרני רנטגן יוכלו לראות אותם. "הרגישות המעולה של XMM-Newton ושל Chandra איפשרה לא רק לזהות את כוכבי הנייטרונים האלה, אלא גם לאסוף מספיק אור כדי לקבוע את הטמפרטורות שלהם ותכונות אחרות שלהם", אומרת קמיל דיז, עמיתת מחקר של ESA שעובדת על נתוני XMM-Newton.
עם זאת, המדידות הרגישות היו רק הצעד הראשון לקראת היכולת להסיק מסקנות לגבי המשמעות של הכדורים המוזרים הללו עבור משוואת המצב של כוכבי הנייטרונים. לשם כך, צוות המחקר של ננדה ב-ICE-CSIC שילב את המומחיות המשלימה של אלסיו מרינו, קלרה דהמן וקונסטנטינוס קובלאקס.
אלסיו הוביל בקביעת התכונות הפיזיקליות של כוכבי הנייטרונים. הצוות יכול היה להסיק את הטמפרטורות של כוכבי הנייטרונים מקרני הרנטגן שנשלחו מפני השטח שלהם, בעוד שהגדלים והמהירויות של שרידי הסופרנובה שמסביב נתנו אינדיקציה מדויקת לגילם.
לאחר מכן, קלרה לקחה את ההובלה בחישוב 'עקומות קירור' של כוכבי נויטרונים עבור משוואות מצב המשלבות מנגנוני קירור שונים. זה כרוך בתכנון מה שכל דגם חוזה כיצד בהירות של כוכב נויטרונים – מאפיין הקשור ישירות לטמפרטורה שלו – משתנה עם הזמן. צורת העקומות הללו תלויה במספר תכונות שונות של כוכב נויטרונים, שלא ניתן לקבוע את כולן במדויק מתצפיות. מסיבה זו, הצוות חישב את עקומות הקירור עבור טווח של מסות אפשריות של כוכבי נויטרונים וחוזק שדה מגנטי.
לבסוף, ניתוח סטטיסטי בראשות קונסטנטינוס הפגיש את הכל. באמצעות למידת מכונה כדי לקבוע באיזו מידה עקומות הקירור המדומות מתיישבות עם מאפייני הכדורים המוזרים הראו שלמשוואות מצב ללא מנגנון קירור מהיר יש סיכוי אפסי להתאים את הנתונים.
"מחקר כוכבי נויטרונים חוצה דיסציפלינות מדעיות רבות, החל מפיזיקה של חלקיקים ועד גלי כבידה. הצלחת העבודה הזו מוכיחה עד כמה עבודת צוות היא בסיסית לקידום ההבנה שלנו של היקום", מסכם ננדה.
