يُظهر التحليل النظري الجديد أن احتمالية إخفاء النجوم النيوترونية الضخمة لنواة مادة الكواركات تتراوح بين 80% و90%. تم الحصول على النتائج من خلال تشغيل حاسوب عملاق واسع النطاق باستخدام طرق الاستدلال الإحصائي بايزي. يحتوي قلب النجم النيوتروني على أعلى كثافة للمادة في الكون اليوم، حيث ينضغط ما يصل إلى كتلتين شمسيتين في كرة يبلغ قطرها 25 كيلومترًا. ويمكن بالفعل اعتبار هذه الأجسام بمثابة نوى ذرية عملاقة، حيث تضغط الجاذبية على قلوبها إلى كثافات أكبر بعدة مرات من كثافة البروتونات والنيوترونات الفردية.
هذه الكثافات تجعل النجوم النيوترونية أجسامًا فيزيائية فلكية مثيرة للاهتمام من منظور فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية. السؤال الذي طال أمده هو ما إذا كان الضغط المركزي الهائل للنجم النيوتروني يمكنه ضغط البروتونات والنيوترونات لتكوين مادة جديدة تسمى مادة الكوارك الباردة. في هذه الحالة الغريبة للمادة، لم تعد البروتونات والنيوترونات الفردية موجودة.
يوضح ألكسي فورينين، أستاذ فيزياء الجسيمات النظرية في جامعة هلسنكي: "إن الكواركات والجلونات المكونة لها متحررة من قيود اللون النموذجية ويمكنها التحرك بحرية تقريبًا".
في مقال جديد نُشر للتو في مجلة Nature Communications، قام فريق بحث متمركز في جامعة هلسنكي بوضع أول تقدير كمي لاحتمال ظهور نواة مادة الكوارك داخل نجم نيوتروني ضخم. تظهر دراستهم أنه بناءً على الملاحظات الفيزيائية الفلكية الحالية، فإن مادة الكوارك تكاد تكون حتمية في النجوم النيوترونية الأكثر ضخامة: التقديرات الكمية المستخرجة من قبل الفريق تضع هذا الاحتمال بين 80٪ -90٪.
إن الاحتمال المتبقي بأن جميع النجوم النيوترونية تتكون من مادة نووية فقط هو احتمال ضئيل، وهو ما يتطلب أن يكون التحول من مادة نووية إلى مادة كواركية عبارة عن مرحلة انتقالية قوية من الدرجة الأولى، تشبه إلى حد ما عملية تحول الماء السائل إلى جليد. مثل هذه التغيرات السريعة في خصائص مادة النجم النيوتروني لديها القدرة على زعزعة استقرار النجم النيوتروني إلى النقطة التي يؤدي فيها تكوين نواة صغيرة من مادة الكوارك إلى انهيار النجم النيوتروني وتحوله إلى ثقب أسود.
يشير التعاون الدولي بين علماء من فنلندا والنرويج وألمانيا والولايات المتحدة أيضًا إلى أن وجود نواة مادة الكواركات قد يتم تأكيده أو استبعاده بالكامل في يوم من الأيام. المفتاح هو القدرة على التحكم في قوة انتقال الطور بين المادة النووية والمادة الكواركية، والذي من المتوقع أن يكون ممكنًا بمجرد تسجيل إشارة موجة الجاذبية الناتجة عن الجزء الأخير من اندماج النجوم النيوترونية الثنائية في يوم من الأيام.
الاستفادة من بيانات الرصد لعمليات الكمبيوتر العملاق واسعة النطاق
كان العامل الرئيسي في الوصول إلى النتائج الجديدة هو مجموعة من الحسابات الحاسوبية العملاقة واسعة النطاق باستخدام الاستدلال البايزي، وهو فرع من الاستدلال الإحصائي الذي يستنتج احتمالية معلمات النموذج المختلفة من خلال المقارنة المباشرة مع البيانات المرصودة. سمح جزء الاستدلال البايزي من الدراسة للباحثين باستخلاص حدود جديدة للخصائص المادية للنجوم النيوترونية، مما يدل على أنهم يقتربون مما يسمى بالسلوك المطابق بالقرب من نوى النجوم النيوترونية المستقرة إلى أقصى حد.
يعتقد الدكتور جوناس ناتيلا، أحد المؤلفين الرئيسيين لهذه الورقة، أن هذا العمل متعدد التخصصات ويتطلب خبرة في الفيزياء الفلكية، وفيزياء الجسيمات، والفيزياء النووية، وعلوم الكمبيوتر. وسيبدأ العمل كأستاذ مشارك في جامعة هلسنكي في مايو 2024.
"من المذهل أن كل ملاحظة جديدة لنجم نيوتروني تسمح لنا باستنتاج خصائص مادة النجم النيوتروني بدقة متزايدة."
من ناحية أخرى، أكد يوناس هيرفونين، طالب الدكتوراه الذي يعمل تحت إشراف نيتيلاي وورينين، على أهمية الحوسبة عالية الأداء:
"كان علينا استخدام ملايين الساعات من وقت وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر العملاق لمقارنة توقعاتنا النظرية مع الملاحظات وتحديد إمكانية وجود نواة مادة الكواركات. نحن ممتنون جدًا لمركز الكمبيوتر العملاق الفنلندي CSC لتزويدنا بجميع الموارد التي نحتاجها!"
المرجع: "المادة المتفاعلة بقوة تظهر سلوكًا غير محدد في النجوم النيوترونية الضخمة"، المؤلف: إيملي أنالا، تايلر جوردا، جوناس هيرفونين، أوليج كومولتسيف، أليكسي كوركيلا، جوناس ناتيلا وأليكسي فورينن، 19 ديسمبر 2023، "الطبيعة - الاتصالات".
دوى:10.1038/s41467-023-44051-ذ
المصدر المجمع: ScitechDaily