חוקרים מדדו את רדיוסו ומסתו של כוכב נויטרונים
הדמיית מחשב של התפוצצויות תרמו גרעיניות על פני השטח של כוכב נויטרונים. קרדיט: נאס”א
כתובת ישירה לדף זה:
https://www.hayadan.org.il/neutron0904.html
(הודעה לעיתונות מטעם נאס”א)
מדענים הפיקו את המדידות המדויקות ביותר עד כה של גודלו ותכולתו של כוכב נויטרונים, עצם דחוס במיוחד שמכיל את החומר המוזר והנדיר ביותר ביקום.
המדידות הללו עשויות להוביל לשיפור הבנתנו את אבני הבניין של החומר – פרוטונים, נויטרונים והקווארקים המרכיבים אותם – בתנאים בהם הם דחוסים בתוך כוכב הנויטרונים בצפיפות, העולה מאות מונים על זאת של כדור הארץ.
ד”ר טוד סטרומאייר (Strohmayer) ממרכז גודארד לטיסות חלל של נאס”א בגרינבלט, מרילנד, ארצות הברית, ועמיתו אדם וילריל (Villarreal), סטודנט בוגר באוניברסיטת אריזונה, הציגו את תוצאות מדידותיהם במסיבת עיתונאים מקוונת בניו אורלינס בפגישה של מחלקת האסטרופיסיקה של אנרגיות גבוהות של האגודה האסטרונומית האמריקאית.
השניים אמרו, שהאומדן הטוב ביותר שלהם בנוגע לרדיוסו של כוכב הנויטרונים הוא 11.5 קילומטרים. המסה, הגדולה יותר מהתחזיות התיאורטיות, ככל הנראה שווה ל-1.75 מסות שמש. המדענים ערכו את מדידותיהם בעזרת מצפה רוזי בתחום קרני הרנטגן (Rossi X-ray Timing Explorer) של נאס”א ובעזרת נתוני קרני רנטגן ארכיונים.
יחס המסה-רדיוס המבוקש מגדיר את הקשר בין צפיפותו הפנימית של כוכב הנויטרונים והלחץ הפנימי שלו, מה שידוע בשם “משוואת המצב”. משוואת המצב בתורה קובעת אילו סוגים של חומרים יכולים להתקיים בתוך כוכב הנויטרונים. חקר תכולת כוכב הנויטרונים מציע מבחן חשוב לתיאוריות, המתארות את טיבעם היסודי של חומר ואנרגיה ואת הכוח הגרעיני החזק.
“בהחלט היינו רוצים להניח את ידינו על החומרים במרכזו של כוכב נויטרונים,” אמר סטרומאייר. “אולם מכיוון שאיננו יכולים לעשות כן, המדידות שערכנו הן הדבר הכי קרוב לכך. כוכב נויטרונים הוא מעבדה קוסמית. הוא ההזדמנות היחידה שלנו לראות את התנהגותו של חומר בדחיסות כה גבוהה.”
כוכב נויטרונים הוא שרידי ליבתו של כוכב, שהיה בעבר גדול יותר מהשמש. פנים כוכב הנויטרונים מכיל חומר, שפועלים עליו כוחות, שייתכן שהתקיימו ברגע המפץ הגדול, אך לא ניתן לייצרם על כדור הארץ. כוכב הנויטרונים, עליו נערכו התצפיות המדוברות, משתייך למערכת כוכבים בינארית, הנקראת EXO 0748676 ונמצאת במרחק של כ-30,000 שנות אור מאיתנו.
במערכת הזאת, גז מכוכב “רגיל” צולל לכיוון כוכב הנויטרונים כתוצאה מהכבידה שלו. החומר הזה מעורר פיצוצים גרעיניים על פני השטח של כוכב הנויטרונים, המאירים את כל האיזור. היבהובים בקרני הרנטגן הנפלטות כתוצאה מפיצוצים כאלה, הנקראים תנודות התפוצצות, חושפים לעיתים קרובות את קצב סיבובו של כוכב הנויטרונים סביב עצמו.
המדענים גילו תדירות תנודת התפוצצות של 45 הרץ, המתאימה לכוכב נויטרונים, המשלים סיבוב סביב עצמו 45 פעמים בשנייה. זהו קצב נינוח לכוכבי נויטרונים, שלעיתים מסתובבים 300 פעם בשנייה.
לאחר מכן המדענים נעזרו בתצפיות על EXO 0748676, שערך לווין ה-XMM-Newton של סוכנות החלל האירופאית בשנת 2002 בניהולה של ד”ר ג'ין קוטאם ממרכז גודארד של נאס”א. הצוות של קוטאם גילה קווים ספקטרליים, הנפלטים על ידי הגז הרותח, שדומים במראם לקווי מכונת תרשים לב (קרדיוגרמה). לקווים הללו היו שני מאפיינים. ראשית, הם הוסטו כתוצאה מאפקט דופלר. משמעות הדבר היא שהאנרגיה שנתגלתה הייתה ממוצע של האור הנע סביב הכוכב הרחק מאיתנו ובחזרה. מלבד זאת, הקווים הספקטרליים הוסטו כבידתית לאדום, כלומר הכבידה משכה את האור בניסיונו להימלט מהאזור ו”גנבה” ממנו מעט אנרגיה.
סטרומאייר ווילריל קבעו, שהתדירות של 45 הרץ ורוחב הקווים הנצפים מתאימים לכוכב נויטרונים בעל רדיוס של 9.5 עד 15 קילומטרים, כאשר האומדן הטוב ביותר עומד על 11.5 קילומטר. הקשר בין תדירות ההתפוצצויות, היסט דופלר ורדיוס כוכב הנויטרונים קובע שמהירות הגז המסתחרר סביב כוכב הנויטרונים תלויה ברדיוס הכוכב וקצב הסיבוב העצמי שלו. בעיקרון, סיבוב עצמי מהיר יותר מתאים לקו ספקטרלי רחב יותר (בדומה לאופן בו שוטרים מגלים מכוניות שעוברות את המהירות המותרת).
מדידות ההיסט הכבידתי לאדום של הצוות של קוטאם סיפק את המדידה הראשונה של היחס בין המסה לרדיוס של כוכב נויטרונים, למרות שלא המסה ולא הרדיוס היו ידועים. הסיבה לכך נעוצה בעובדה, שרמת ההיסט לאדום (שהוא מדד לחוזקה של הכבידה) תלוי במסה והרדיוס של כוכב הנויטרונים. ישנם מדענים, המטילים ספק במדידה זו, כיוון שהקווים הספקטרליים שנתגלו נראו צרים מדי. התוצאה החדשה מחזקת את המסקנות (ולפיכך גם את היחס מסה-רדיוס שחושב) שהסיק הצוות של קוטאם מהמדידה של ההיסט הכבידתי לאדום, כיוון שכוכב נויטרונים איטי שכזה יכול בקלות להפיק קווים ספקטרליים דקים יחסית.
אם כן, המדענים, שהיו כעת יותר בטוחים ביחס המסה רדיוס שחושב, חישבו את מסת כוכב הנויטרונים בעזרת הרדיוס שנמדד. הערך שהתקבל מגיע ל-1.5 עד 2.3 מסות שמש, כאשר האומדן הטוב ביותר עומד על 1.75 מסות שמש.
התוצאה שהתקבלה תומכת בתיאוריה, לפיה חומר בכוכב הנויטרונים ב- EXO 0748676 דחוס בחוזקה, כך שכמעט כל הפרוטונים והאלקטרונים נדחסו לנויטרונים, המתערבלים להם כעל נוזל, נוזל הנע ללא חיכוך. עם זאת, החומר אינו דחוס עד כדי שיחרור הקווארקים, מצב המכונה כוכב קווארקים.
“התוצאות שלנו בהחלט מתחילות ללחוץ את משוואת המצב של כוכב הנויטרונים,” אמר וילריל. “ככל הנראה משוואות מצב, החוזות כוכבי נויטרונים גדולים מאוד או קטנים מאוד, יוצאות מכלל חשבון. אולי החלק היותר מרגש הוא שהרווחנו שיטה תצפיתית שתאפשר לנו למדוד את יחסי המסה-רדיוס בכוכבי נויטרונים אחרים.”
למשימה אפשרית של נאס”א, הנקראת מצפה קונסטילציות הרטגן (Constellation X-ray Observatory), תהיה היכולת לערוך מדידות כאלה, אך בדיוק גבוה בהרבה, למספר מערכות הכוללות כוכבי נויטרונים.
תרגום: דיקלה אורן
הכתבה ביוניברס טודיי
ידען האסטרופיסיקה – כוכבים וגלקסיות
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~948186764~~~97&SiteName=hayadan
