کشف سبک‌ترین جفت ستاره نوترونی و تأیید دوباره نسبیت عام

مقدمه: آزمایشگاهی کیهانی برای آزمودن نظریه اینشتین

در فاصله‌ای میان ۴۲۰۰ تا ۶۵۰۰ سال نوری از زمین، در صفحه کهکشان راه شیری، دو جرم فوق‌العاده چگال کشف شده‌اند که هر ۲ ساعت و ۲۲ دقیقه یک‌بار به دور یکدیگر می‌چرخند. این دو، ستاره‌های نوترونی‌اند؛ بقایای فروپاشیده ستارگان پرجرمی که زمانی در انفجارهای ابرنواختری منفجر شده‌اند. هر یک از این ستاره‌ها جرمی بیش از خورشید را در کره‌ای به قطر تقریبی ۲۰ کیلومتر جای داده است. اما ویژگی مهم‌تر این سیستم، نقش آن به‌عنوان آزمونی دقیق برای نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین است.

پژوهشگران با اندازه‌گیری زمان رسیدن تپ‌های رادیویی یکی از این ستاره‌ها، سه اثر ظریف پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام را شناسایی کردند و دریافتند که این نظریه حرکت جفت را با دقت حدود ۱ درصد توصیف می‌کند. یافته‌های آنان در ۱۵ سپتامبر در نشریه Physical Review Letters منتشر شد.

ستاره نوترونی و تپ‌اخترها: ساعت‌های کیهانی

ستاره نوترونی هسته فروپاشیده یک ستاره پرجرم است. هنگامی که سوخت هسته‌ای ستاره به پایان می‌رسد، هسته آن تحت گرانش خودش فرو می‌ریزد و به جسمی فوق‌چگال تبدیل می‌شود. چگالی این اجرام چنان بالاست که یک قاشق چای‌خوری از ماده آن می‌تواند میلیاردها تن وزن داشته باشد.

برخی از ستاره‌های نوترونی با سرعت زیاد می‌چرخند و پرتوهایی از امواج رادیویی را مانند فانوس دریایی کیهانی در آسمان می‌گسترانند. به این اجرام «تپ‌اختر» یا «پالسار» می‌گویند. چرخش آن‌ها چنان منظم است که تپ‌هایشان همچون ساعت‌هایی بسیار دقیق عمل می‌کند. در سیستم تازه‌کشف‌شده، تپ‌اختر حدود ۴۳ بار در ثانیه می‌چرخد.

سیستم دوتایی PSR J1856-0039

سیستم جدید با نام PSR J1856-0039 در سال ۲۰۲۰ در جریان پیمایش صفحه کهکشان راه شیری توسط تلسکوپ رادیویی FAST چین کشف شد. FAST بزرگ‌ترین تلسکوپ رادیویی تک‌بشقابی جهان است و قطر آن ۵۰۰ متر است. تیم پژوهشی به سرپرستی جین‌لین هان از رصدخانه‌های نجومی ملی آکادمی علوم چین، این جفت را بین سال‌های ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۵ میلادی ۱۷ بار رصد کرد.

فاصله دو ستاره از یکدیگر حدود دو برابر فاصله زمین تا ماه است. اما جذاب‌ترین ویژگی این سیستم، دوره مداری بسیار کوتاه آن است. این کوتاه‌ترین دوره مداری پس از «تپ‌اختر دوتایی» معروف است و بنابراین باید اثرات نسبیتی قوی‌تری نسبت به سیستم‌های پیشین نشان دهد.

سه اثر نسبیتی مشاهده‌شده

نخست، مدار این جفت به دلیل تابش امواج گرانشی به‌تدریج کوچک می‌شود. امواج گرانشی، موج‌هایی در بافت فضا-زمان هستند که اینشتین پیش‌بینی کرده بود و انرژی را از سیستم مداری دور می‌کنند. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که دو ستاره هر سال حدود ۲.۷ متر به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند.

دوم، مدار بیضوی این جفت به‌آرامی می‌چرخد؛ به این معنا که جهت محور بیضی در فضا تغییر می‌کند. این اثر که «تقدیم مداری» نام دارد، در این سیستم حدود ۱۷.۶ درجه در سال است؛ یعنی حدود ۱۵۰ هزار برابر سریع‌تر از رانش نسبیتی مدار سیاره عطارد.

سوم، به دلیل ترکیب اثر گرانش و سرعت، زمان در طول مدار بیضوی با آهنگ متغیری می‌گذرد. این پدیده که «اتساع زمان» نامیده می‌شود، باعث جابه‌جایی تپ‌ها تا حدود نیم میلی‌ثانیه می‌شود.

جرم‌ها و سرنوشت نهایی سیستم

از این اندازه‌گیری‌ها، پژوهشگران جرم دو ستاره را تعیین کردند. جرم تپ‌اختر حدود ۱.۳ برابر جرم خورشید و جرم همدم آن تنها ۱.۱۹ برابر جرم خورشید است که آن را به یکی از کم‌جرم‌ترین ستاره‌های نوترونی شناخته‌شده تبدیل می‌کند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که ابرنواخترها نمی‌توانند ستاره‌های نوترونی بسیار سبک‌تر از این تولید کنند.

مجموع جرم این سیستم، کم‌ترین مقدار میان تمام سیستم‌های دوتایی ستاره نوترونی شناخته‌شده است. این دو ستاره حدود ۸۲ میلیون سال دیگر با یکدیگر ادغام خواهند شد. این ادغام احتمالاً ستاره نوترونی سنگین‌تری با جرم حدود ۲.۲۶ برابر جرم خورشید بر جای می‌گذارد، هرچند ممکن است باقی‌مانده به یک سیاه‌چاله فروبپاشد.

آزمون هم‌خوانی نسبیت عام

نکته مهم روش‌شناسی این پژوهش آن است که هر دو اثر از سه اثر نسبیتی برای محاسبه جرم دو ستاره کافی است. اثر سوم سپس به‌عنوان یک آزمون مستقل عمل می‌کند؛ زیرا اگر نسبیت عام درست باشد، هر سه اثر باید به جرم‌های یکسانی اشاره کنند. نتایج نشان می‌دهد که چنین است و هم‌خوانی حدود ۱ درصد است.

آزمون «تپ‌اختر دوتایی» دقیق‌تر است، اما بر ۱۶ سال داده تکیه دارد، در حالی که این پژوهش تنها بر حدود پنج سال داده استوار است. هان می‌گوید: «متأسفانه نتوانستیم این توصیف از گرانش را شکست دهیم.» اشاره او به امید فیزیکدانان برای یافتن شکاف‌هایی در نظریه اینشتین است که ممکن است به فیزیک جدید راه ببرد.

چشم‌انداز آینده: رانش چارچوب و ساختار درون ستاره نوترونی

تیم پژوهشی امیدوار است در آینده اثر «رانش چارچوب» را تشخیص دهد. در این اثر، جرم در حال چرخش، فضا-زمان اطراف خود را می‌پیچاند و باعث لرزش مدارهای نزدیک می‌شود. اندازه‌گیری این اثر می‌تواند گشتاور لَختی تپ‌اختر را آشکار کند که به نحوه توزیع جرم در داخل آن بستگی دارد.

این اندازه‌گیری می‌تواند «قیدی نو» بر رفتار ماده در چگالی‌های خردکننده درون هسته ستاره نوترونی فراهم کند؛ یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌های باز فیزیک. به بیان دیگر، این جفت ستاره نه‌تنها نظریه اینشتین را دوباره تأیید می‌کند، بلکه می‌تواند پنجره‌ای به سوی درک رفتار ماده در شرایطی باشد که در هیچ آزمایشگاهی روی زمین قابل بازتولید نیست.

جمع‌بندی

کشف سبک‌ترین جفت ستاره نوترونی شناخته‌شده، دستاوردی دوگانه است: از یک سو، آزمونی دقیق برای نسبیت عام فراهم می‌کند و از سوی دیگر، آزمایشگاهی طبیعی برای مطالعه فیزیک ماده فوق‌چگال می‌گشاید. این سیستم نشان می‌دهد که کیهان همچنان می‌تواند شگفتی‌هایی داشته باشد که مرزهای دانش ما را جابه‌جا کنند.