في عام 2017 ، اندمج نجمان نيوترونيان في مجرة ​​تبعد 130 مليون سنة ضوئية. لقد لاحظنا الآن نفاثة فائقة السرعة تتحرك بسرعة الضوء تقريبًا ، مما يعني أنه لا بد من اختراقها لقذيفة المادة المطاردة دون عائق. (تصميم BEABUDAI)

دمج نجوم النيوترون صنع طائرة لا يمكن وقفها ، ويتحرك بسرعة الضوء تقريبا

في عام 2017 ، رأينا موجات الجاذبية اندماج نجم نيوتروني للمرة الأولى والوحيدة. وتبقى الحصول على أكثر إثارة للاهتمام.

في 17 أغسطس 2017 ، وصلت إشارة كونية إلى الأرض من شأنها أن تغير إلى الأبد كيف رأينا الكون. قبل أكثر من 100 مليون عام ، انتهى نجمان نيوترونيان ملتزمان ببعضهما البعض في المجرة البعيدة NGC 4993 من التفريق ودمجا معًا ، مما أدى إلى انفجار كوني هائل عندما حدث ذلك. يُعرف الحدث الآن باسم kilonova ، ويعتقد أنه مسؤول عن إنشاء أثقل العناصر الموجودة في جميع أنحاء الكون.

أنشأ المفتش والاندماج إشارتين تمكنا من اكتشافهما عملياً في وقت واحد: موجات الجاذبية ، التي يمكن اكتشافها باستخدام LIGO و Virgo ، والإشعاع الكهرومغناطيسي ، أو الضوء ، عبر المجموعة الكاملة من الأطوال الموجية التي يمكننا مراقبتها. ولكن هناك شيء آخر ينبعث منه أيضًا: المسألة. اليوم ، في ورقة جديدة نشرت في مجلة Science ، قرر العلماء أنه تم إنتاج طائرة ضخمة ، وأنها لا تزال تتحرك بسرعة الضوء تقريبًا.

رسم الفنان لنجمين نيوترونيين مندمجين. تمثل شبكة الفضاء الزمنية موجات الجاذبية المنبعثة من التصادم ، في حين أن الحزم الضيقة هي نفاثات أشعة جاما التي تنطلق بعد ثوانٍ فقط من موجات الجاذبية (التي اكتشفها علماء الفلك كأشعة غاما). يجب أن تكون الطائرة التي يراها علماء الفلك متميزة عن هذه الطائرة. (NSF / LIGO / جامعة ولاية سونوما / A. SIMONNET)

ليس من المفاجئ أن ينتج عن مثل هذا الحدث نشاطًا كبيرًا. النجوم النيوترونية نفسها هي بعض من أكثر الأشياء تطرفًا التي يمكنك تخيلها. تخيل أخذ شيء ضخم مثل الشمس أو أكبر ، وضغطه في كرة بحجم مدينة كبيرة مثل شيكاغو. سيكون مثل نواة ذرية هائلة ، حيث يكون 90٪ منها مجرد كرة من النيوترونات الصلبة ، ومن هنا جاءت تسميتها: نجم نيوتروني.

يمكن للنجوم النيوترونية من تلقاء نفسها أن تدور بسرعة كبيرة - تصل إلى حوالي ثلثي سرعة الضوء - بحيث تخلق أكبر حقول مغناطيسية معروفة في الكون: مئات الملايين من المرات قوية مثل أي مغنطيس على الأرض ، وكوادريليون مرات أقوى من المجال المغناطيسي للأرض. بقدر ما نعلم ، إذا كنت تريد أن تجعل نجم النيوترون أكثر كثافة ، فسوف ينهار إلى ثقب أسود.

ينتج نجم نيوتروني ، على الرغم من كونه في معظمه من جزيئات محايدة ، أقوى الحقول المغناطيسية في الكون ، وهو أقوى بمقدار أربعة أضعاف من الحقول الموجودة على سطح الأرض. عندما تندمج النجوم النيوترونية ، يجب أن تنتج موجات الجاذبية وكذلك التوقيعات الكهرومغناطيسية ، وعندما تعبر عتبة من حوالي 2.5 إلى 3 كتل شمسية (اعتمادًا على الدوران) ، يمكن أن تصبح ثقوبًا سوداء في أقل من ثانية. (ناسا / كايسي ريد - جامعة ولاية بن)

ما لاحظناه في عام 2017 كان أكثر إثارة من النجم النيوتروني من تلقاء نفسه: لاحظنا بدمج واندماج اثنين من هذه الأشياء. قبل حدوث الاندماج ، نعلم أن نجمتين نيوترون ، كل منهما أكبر بقليل من شمسنا ، كانتا محبوسة في مدار ثنائي. عندما تحركوا حول مركز كتلهم المتبادل ، أطلقوا موجات الجاذبية ، مشعة الطاقة بعيدا كما أصبحت مداراتها أكثر إحكاما وأسرع.

أنتج المفتش ودمج نجمين نيوترونيين ، كما هو موضح هنا ، إشارة موجة جاذبية محددة للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، أنتجت لحظة الدمج وما بعده إشعاعات كهرومغناطيسية فريدة من نوعها ويمكن تحديدها على أنها تنتمي إلى مثل هذه الكارثة. (NASA / CXC / GSFC / T.STROHMAYER)

في الحالات الأخيرة ، زاد هذا الإشعاع من حيث السعة والتردد ، ثم وصل إلى اللحظة الأكثر أهمية على الإطلاق: لمس أسطحها. في جزء صغير جدًا من الثانية ، زادت كثافاتها بعد عتبة حرجة ، وحدث رد فعل نووي هارب حيث اتصلوا ببعضهم البعض. دفعة واحدة ، حدث يعرف باسم kilonova.

بعد أقل من ثانيتين من بلوغ موجات الجاذبية أقوىها ، شوهد ارتفاع كبير في الطيف الكهرومغناطيسي: بواسطة مرصد أشعة غاما Fermi التابع لناسا. كان هذا الحدث ، المعروف باسم انفجار أشعة غاما ، أول حدث يرتبط على الإطلاق بدمج نجم النجوم النيوترونية.

تم تصوير المجرة NGC 4993 ، التي تقع على بعد 130 مليون سنة ضوئية ، عدة مرات من قبل. ولكن بعد اكتشاف 17 أغسطس 2017 من موجات الجاذبية ، شوهد مصدر جديد عابر للضوء: النظير البصري لدمج نجم نيوتروني نجم. (P.K. BLANCHARD / E. BERGER / PAN-STARRS / DECAM)

قد يكون الانفجار قصير الأجل ، سواء في موجات الجاذبية أو في أشعة جاما ، ولكن الإشارات التي تلقيناها كانت مفيدة للغاية. على الفور تقريبا ، علمنا:

  • ما هي كتل (حوالي 1.3 شمس) والمسافات (حوالي 130 مليون سنة ضوئية) من النجوم النيوترونية ،
  • ما أصبحوا بعد الاندماج (نجم نيوتروني سريع الدوران انهار إلى ثقب أسود في أقل من ثانية) ،
  • كم أصبحت الكتلة ثقبًا أسودًا (حوالي 95٪) ،
  • وما حدث لبقية الكتلة (أصبح أثقل العناصر في الجدول الدوري ، بما في ذلك الذهب والبلاتين واليورانيوم والبلوتونيوم).
عندما يندمج نجمان نيوترونيان ، كما هو مقلد هنا ، ينبغي لهما إنشاء نفاثات أشعة غاما ، وكذلك ظواهر كهرومغناطيسية أخرى ، إذا كانت قريبة بدرجة كافية من الأرض ، قد تكون مرئية مع بعض أعظم مراصدنا. (معهد ناسا / ألبرت أينشتاين / معهد زوز برلين / م. كوببيتز ول. رزولا)

لكننا لم ننته بعد. كان لا يزال هناك الشفق الذي أصبح مرئيًا للتلسكوبات بجميع أطوال الموجات المختلفة في جميع أنحاء العالم. شاهدت التلسكوبات بالأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والبصرية والأشعة تحت الحمراء والراديو جميعها هذا الحدث الأول من نوعه ، حيث تراقبه باستمرار لأسابيع متتالية. التوهج ، بينما ذهبنا إلى أطوال موجات أطول وأطول ، سطعنا مع مرور الوقت ، ثم تلاشى في معظم الترددات حيث يمكننا أن ننظر.

تمكنا من تحديد إنتاج العناصر المختلفة. على سبيل المثال ، تم إنشاء حوالي 10 ذرات من الذهب ، أو عشرة كوادريليون ضعف ما تم استخراجه في تاريخ البشرية كله. علمنا أن النجمين النيوترونيين كانا منشأهما منذ حوالي 11 مليار سنة ، وكانا منذ ذلك الحين ممتلئين ، حتى اللحظة التي اندمجا فيها. لقد تعلمنا أن غالبية أثقل العناصر في الكون مصنوعة في تصادم النجوم النيوترونية مثل هذا واحد.

يقوم نجمان نيوترونيان مترابطان ، كما هو موضح هنا ، بعمل موجات انبعاث لولبية وتنبعث منها ، لكنهما يخلقان إشارة منخفضة السعة بكثير من الثقوب السوداء. وبالتالي ، لا يمكن رؤيتها إلا إذا كانوا قريبين جدًا ، وفقط خلال أوقات تكامل طويلة جدًا. بقيت القاذفة المنبعثة من الطبقات الخارجية للاندماج مصدرا غنيا للإشارة الكهرومغناطيسية لعدة أشهر. (دانا بيري / SKYWORKS DIGITAL ، INC.)

لكننا ما زلنا لم ننته بعد. على الرغم من أن الإشارات تتلاشى في جميع أنحاء الطيف الكهرومغناطيسي ، لا يزال هناك المزيد من العلوم التي يتعين القيام بها. كان معظم الضوء ناتجًا عن التحلل الإشعاعي للمادة التي تم حقنها في الوسط البينجمي المحيط بنقطة الاصطدام ، وكما حدث في أي شيء مع نصف عمر ، حدثت غالبية الانحطاط في وقت مبكر ، و انخفض بسرعة.

ولكن بعد أسابيع من الاصطدام ، ظهر ظهور كل من الأشعة السينية والموجات اللاسلكية ، واستمرت هذه الإشارة الجديدة المعززة لعدة أشهر. تم الافتراض في البداية أن هناك مادة تم إخراجها من التصادم ، وأنها كانت تصطدم بالغاز الموجود بالفعل في الوسط البينجمي. لقد وفر هذا التفاعل حقنة للطاقة ، وذهب خط الفكر ، وكان ذلك مسؤولًا عن عودة ظهور وهج كان يتلاشى سابقًا.

خلال عملية الدمج والاندماج بين نجمين نيوترونيين ، يجب إطلاق كمية هائلة من الطاقة ، إلى جانب العناصر الثقيلة والموجات الجاذبية وإشارة كهرومغناطيسية ، كما هو موضح هنا. ولكن ما كان مفاجأة كبيرة كان ثاني ، انفجر في وقت لاحق من اثنين من الطائرات النسبية التي ظهرت من أعقاب الاندماج. (ناسا / مختبر الدفع النفاث)

في أفضل الحالات العلمية ، على الرغم من ذلك ، لا نقدم ببساطة تفسيرًا محتملاً ونعتبر الحالة مغلقة. نحن نبحث عن معلومات المتابعة لاختبار أفكارنا ، وتحديد ما إذا كانت تحمل المياه أم لا. على الرغم من أن نظرياتنا قوية ومتطورة ، فقد يتعين علينا مواجهتها تمامًا بالبيانات التجريبية أو الرصدية ، أو أننا لا نقوم فعلًا بالعلم على الإطلاق.

الجزء الأكثر إثارة للإعجاب حول البحث الجديد الذي تم نشره للتو هو أنه يحتوي على مجموعة رائعة من البيانات. باستخدام مجموعة من 32 من التلسكوبات الراديوية الفردية ، موزعة على 5 قارات وإجراء ملاحظات متزامنة على نفس الأشياء ، تمكن العلماء من مراقبة توهج الراديو كما لم يحدث من قبل. من خلال تطبيق تقنية التداخل طويل المدى الأساسي (VLBI) مع مصدر مشرق مثل هذا ، حققوا دقة غير مسبوقة.

تم استخدام مجموعة من 32 من التلسكوبات الراديوية عبر خمس قارات منفصلة لتصور مباشرة بعد النجوم النيوترونية المدمجة في NGC 4993 ، مما يتيح لعلماء الفلك حل النفاثات المركبة الناشئة من نقطة التفاعل ، على الرغم من أنها كانت أقل من سنة ضوئية . (بول بوفن)

الدقة هي ما تحتاج إليه إذا كنت ترغب في تحديد شكل أو تكوين مصدر بعيد في الكون. عادة ، تحصل على دقة أفضل من خلال بناء تلسكوب أكبر ، حيث يحدد عدد أطوال موجات الضوء التي تتناسب مع ذلك الحجم الزاوي لما يمكنك حله.

ولكن باستخدام تقنية VLBI ، يمكنك القيام بعمل أفضل إذا كان مصدرك مشرقًا بدرجة كافية. بالتأكيد ، ستحصل فقط على قوة جمع الضوء لحجم الأطباق الفردية الخاصة بك ، ولكن يمكنك الحصول على دقة المسافة بين التلسكوبات المختلفة. هذه هي التقنية التي يستخدمها تلسكوب الأحداث في الأفق لإنشاء أول صورة لأفق حدث للثقب الأسود ، وهذه هي التقنية التي مكّنت علماء الفلك من تحديد شكل ما ينتج بعد عملية الدمج بين النجوم النيوترونية.

انطباع الفنان عن نفاثة تندلع من المادة التي أخرجها اندماج النجوم النيوترونية. يتم إنتاج الطائرة بواسطة الثقب الأسود ، وتحيط به قرص ساخن ، والذي تم تشكيله بعد الاندماج. (الولايات المتحدة. السلفية ، ج. غيرلاندا ، ناسا / CXC / GSFC / B. وليامز وآخرون)

بقيادة جيانكارلو غيرلاندا ، تم جمع بيانات هائلة مدتها 207 أيام ، مما سمح لعلماء الفلك برؤية ما تم إنشاؤه مع مرور الوقت.

كانت النتيجة مذهلة: أنتجت عملية الدمج طائرة نفاثة من المواد ، التي ابتعدت عن نقطة الاصطدام في اثنين من خطوط مكافحة متوازية. في حين توقع العديد من العلماء أن يكون هناك نوع من شكل شرنقة ، أو شيء يقيد أي طائرات تم إنتاجها ، فإن البيانات تشير إلى خلاف ذلك. وبدلاً من ذلك ، فإن هذه الطائرة المهيكلة مثقوبة عبر كل المواد التي تم إخراجها في عملية الدمج واستمرت في الهروب سريعًا إلى الفضاء بين النجوم بسرعة الضوء تقريبًا. كان الأمر كما لو أن لا شيء على الإطلاق يمكن أن يبطئها.

إن الثقب الأسود الأكبر الثاني كما هو واضح من الأرض ، الثقب الموجود في مركز المجرة M87 ، يزيد بحوالي 1000 مرة عن الثقب الأسود في درب التبانة ، ولكنه يزيد عن 2000 مرة. تعد الطائرة النسبية المنبعثة من قلبها المركزي واحدة من أكبرها وأكثرها توازنا على الإطلاق. (ESA / HUBBLE و NASA)

كيف يمكنك صنع طائرة مثل هذا؟ لم نرهم من أي مصدر آخر: ثقوب سوداء تتغذى على المسألة. يجب أن يكون هذا هو الفكرة التي تحل اللغز! إنه ليس أن الاندماج نفسه أوجد طائرة نفاثة ، لكن هذا الاندماج المكتمل أنتج ثقبًا أسود ، وهذا الثقب الأسود الدوار يسرع الأمر من حوله ، وينتج النفاثات التي رأيناها بعد ذلك. هذا ما يفسر سبب وجود يعتم تليها جولة ثانية من إشراق ، ويشرح الهيكل الموازي والطاقات والسرعات الكبيرة بشكل خيالي. بدون وجود ثقب أسود مركزي ، لا توجد طريقة معروفة للقيام بذلك.

ربما هذا هو الدليل الذي طال انتظاره على أن النجوم النيوترونية المدمجة هذه ، التي لوحظت عام 2017 ، يجب أن تكون قد أحدثت ثقبًا أسود. بناءً على فهمنا الحالي للكون ، لا يمكننا أن نكون أكثر يقينًا.

في اللحظات الأخيرة من الدمج ، لا ينبع نجمان نيوترونيان فقط من موجات الجاذبية ، ولكن انفجار كارثي يتردد عبر الطيف الكهرومغناطيسي. في وقت واحد ، فإنه يولد مجموعة كبيرة من العناصر الثقيلة نحو نهاية عالية جدا من الجدول الدوري. في أعقاب هذا الاندماج ، يجب أن يكونوا قد استقروا لتشكيل ثقب أسود ، أنتج فيما بعد نفاثات موازية ونسبية اخترقت المادة المحيطة. (جامعة وارويك / مارك غارليك)

في العلم ، تكون أفضل النتائج في بعض الأحيان هي النتائج التي لم تكن تتوقعها. ربما توقعنا أن دمج النجوم النيوترونية سيخلق أثقل العناصر على الإطلاق ، لكن لا أحد رأى طائرة نفاثة تخرج من ثقب أسود بعد ذلك كشيء يجب أن يحدث. ومع ذلك نحن هنا ، نحصد هدايا الكون. إنه تذكير من الكون لنا: في اليوم الذي نتوقف فيه عن استفساراتنا العلمية ، نتوقف عن الكشف عن الأسرار التي تكمن وراء وجودنا.

يبدأ تطبيق "يبدأ بـ A Bang" الآن على "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم Treknology: "علم ستار تريك" من "ترايكردز" إلى "وارب درايف".