سلام الله علیک یا فاطمه الزهراء

تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد – ستاره تپنده (Pulsar)

تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد، ستاره تپنده، پالسار، پولسار (pulsar)

تپ‌اختر (ستاره تپنده)

ستاره تپنده یا تَپ‌اَختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد: تپ‌اختر (pulsar) ستاره‌ای نوترونی است که امواج الکترومغناطیسی آن متناوباً در زمین دریافت می‌شود. در اکثر ستاره‌های نوترونی، محور چرخش و محور مغناطیسی ستاره بر هم منطبق هستند. اما در برخی دیگر، محور مغناطیسی با محور چرخش‌ هم‌راستا نیست، لذا وقتی ستاره دور خود می‌چرخد، قطب‌های مغناطیسی در صفحه مداری متفاوتی تاب می‌خورند و نتیجتاً امواج الکترومغناطیسی آن‌ها مانند نور فانوس دریایی متناوباً فضا را درمی‌نوردند. اگر موقعیت ستاره نوترونی طوری باشد که ما بتوانیم امواج الکترومغناطیسی آن را در زمین دریافت کنیم، آن‌را «تپ‌اختر» یا «ستاره تپنده» می‌نامیم که معادل انگلیسی آن پالسار یا پولسار (pulsar) است. تَپ‌اَخترها که با سرعت دور خود می‌چرخند، در فواصل زمانی منظم از قطب‌های‌ مغناطیسی‌شان علائم الکترومغناطیسی به‌سمت زمین گسیل می‌کنند. در ادامه با جزییات بیشتری توضیح داده می‌شود که تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد.

مطلب مرتبط: تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست و چگونه کار می‌کند؟

تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد: تفاوت تپ‌اختر با ستاره نوترونی

همانطور که گفته شد تپ‌اختر در اصل نوعی ستاره نوترونی است، اما دست‌کم دو ویژگی مهم دارد که سبب می‌شود آن را از ستاره‌ نوترونی عادی متمایز کنیم:

  • الف: محور مغناطیسی تپ‌اختر بر محور چرخش آن منطبق نیست.
  • ب: موقعیت تپ‌اخترها نسبت به زمین طوری است که امواج یا علائم الکترومغناطیسی‌‌شان به‌ زمین می‌رسد فلذا ما می‌توانیم آن علائم را با بسامد خاصی در زمین دریافت ‌کنیم.

پس همه ستاره‌های نوترونی الزاما تپ‌اختر نیستند، اما هر تپ‌اختری در اصل ستاره نوترونی است. پرتوهای رادیویی بسیاری از تپ‌اخترها در زمین دریافت نمی‌شود و نتیجتا ما آن‌ها را شناسایی نمی‌کنیم. ضمنا برخی از ستاره‌های نوترونی شاید در گذشته تپ‌اختر بود‌ه‌اند اما طی فرآیندی که علتش را هنوز نمی‌دانیم دیگر به‌سمت ما پرتوتابی نمی‌کنند، یا شاید پالس‌های‌شان بسیار ضعیف و غیرقابل تشخیص است.

محور چرخش ستاره نوترونی (تپ‌اختر) و تفاوت آن با محور مغناطیسی (تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد)

تصویر ۱. محور چرخش تپ‌اختر و تفاوت آن با محور مغناطیسی: امواج الکترومغناطیسی از قطب مغناطیسی تپ‌اختر منتشر می‌شوند.

هرچه سرعت چرخش تپ‌اختر بیشتر باشد، فاصله هر پالس تا پالس بعدی کمتر و درنتیجه آهنگ دریافت پالس‌ها سریع‌تر خواهدبود. علائم الکترومغناطیسی فقط زمانی قابل شناسایی هستند که به سمت زمین بتابند. چون ستاره نوترونی دور خودش می‌چرخد، از نظر ما علائم آن درست مثل نور فانوس دریایی در فواصل زمانی منظم قطع و وصل می‌شود. فاصله زمانی هر پالس تا پالس بعدی بسته به سرعت چرخش ستاره نوترونی از ۰.۰۰۱۴ ثانیه تا ۸.۵ ثانیه متغیر است. بعضی از تپ‌اخترها با سرعت خیره‌کننده ۵۰۰ دور در ثانیه و حتی بیشتر دور خود می‌چرخند. قطر این ستاره‌های بسیار متراکم، کمتر از ۳۰ کیلومتر اما جرم آن‌ها گاهی تا دو برابر جرم خورشید است.

مطلب پیشنهادی: صدای تپ‌اختر یا ستاره تپنده چگونه است؟

تلفظ pulsar: پالسار یا پولسار؟

پالسار (pulsar) مخفف pulsating star به‌معنی «ستاره تپنده» است. پس «ستاره تپنده» یا «تپ‌اختر» ترجمه درست و خوبی است و باید همین واژه‌ها را به‌کار برد. چنانچه استثنائاً لازم بود واژه pulsar را تلفظ کنید، توجه داشته باشید که ما pulse را در فارسی «پالس» تلفظ می‌کنیم، با در نظر گرفتن این نکته، «پالسار» تلفظ درستی است. گاهی نیز واژه‌های خارجی در فارسی به‌همان شکلی که نوشته می‌شوند تلفظ می‌‌شوند که در این‌صورت “pulsar”، پولسار تلفظ می‌شود. بهتر است در این‌باره به نظر کارشناسان زبان فارسی نیز مراجعه شود. اما جدای از این موضوع، با وجود ترجمه‌ای به‌خوبی و دقت «تپ‌اختر»، به‌کار بردن معادل انگلیسی آن توجیه‌پذیر نیست.

مطلب مرتبط: ستاره نوترونی چیست و چگونه پدید می‌آید

ستاره نوترونی و تپ‌اختر چگونه تشکیل می‌شود

وقتی ستاره‌ای که جِرم اولیه آن بیش از ۸ برابر جرم خورشید است، به پایان زندگی خود نزدیک می‌شود، طی انفجار بزرگی موسوم به «ابرنواختر» بخشی از لایه بیرونی خود را به فضای اطراف می‌پاشد. هسته و بخش باقی‌مانده لایه بیرونی ستاره نیز در اثر شدت جاذبه، درهم‌فشرده می‌شوند. فشار گرانشی چنان شدید است که هسته اتم‌ها را له و الکترون‌ها و پروتون‌های اتم را به نوترون تبدیل می‌کند. نهایتا حدود ۹۰ درصد جرم ستاره به نوترون تبدیل می‌شود و به‌همین سبب، چنین ستاره‌ای را ستاره نوترونی می‌نامیم.

هسته ستاره‌ نوترونی چنان فشرده است که نوترون‌ها کمترین فضای ممکن را اشغال می‌کنند و نتیجتاً حجم ستاره بسیار کاهش می‌یابد اما جرم آن تغییر نمی‌کند. در این وضعیت، چگالی ستاره نوترونی به‌حدی است که اگر قطعه‌ای به کوچکی یک حبه قند را از آن جدا کنید، روی زمین جرمی حدود ۱,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰ (یک تریلیون) کیلوگرم خواهدداشت! ستاره‌های نوترونی میدان مغناطیسی قدرتمندی دارند و در فضا امواج الکترومغناطیسی منتشر می‌کنند. اما معمولا محور مغناطیسی ستاره‌های نوترونی با محور چرخش آن‌ها هم‌راستا است و لذا ما علائم الکترومغناطیسی آن‌ها را تشخیص نمی‌دهیم، زیرا قطب‌های مغناطیسی ستاره حرکت محسوسی ندارند تا علائم بسامددار در فضا منتشر کنند (این موضوع در بخش بعدی بیشتر توضیح داده شده است).

اما در برخی از ستاره‌های نوترونی، محور مغناطیسی اندکی با محور چرخش ستاره تفاوت دارد. اگر صفحه مداری محور مغناطیسی تپ‌اختر (دایره فرضی که محور مغناطیسی روی آن می‌چرخد) با راستای دید ما هم‌سطح باشد، می‌توانیم امواج الکترومغناطیسی تپ‌اختر را که از دو قطب مغناطیسیش در فضا منتشر می‌شوند، به‌شکل علائم صوتی یا نوری دریافت کنیم. این‌ دسته از ستاره‌های نوترونی را تپ‌اختر یا ستاره تپنده (pulsar) می‌نامیم.

انتشار امواج الکترومغناطیسی از قطب‌های مغناطیسی ستاره نوترونی و تپ‌اختر

تصویر ۲. انتشار امواج الکترومغناطیسی از قطب‌های مغناطیسی ستاره نوترونی و تپ‌اختر

موج‌تابی تپ‌اختر و شباهت آن به نورتابی فانوس دریایی

دو قطب مغناطیسی تپ‌اختر را می‌توان به چراغ فانوس دریایی تشبیه کرد. در فانوس دریایی، محور چرخش فانوس با محور اتصال چراغ‌ یکی نیست. لذا وقتی فانوس حول محور عمودی می‌چرخد، چراغ‌ در راستای افق به حرکت درمی‌آید و نورش پیوسته و منظم، پهنه آسمان را جارو می‌کند. اگر محور چرخش فانوس دریایی با راستای تابش چراغ‌ یکی بود، چراغ‌ درجا و رو به آسمان می‌چرخید و نتیجتاً ما نور آن را نمی‌دیدیم و حرکت یا بسامدی در آن‌ مشاهده نمی‌کردیم.

آهنگ چرخش تپ‌اختر بسیار منظم است. در فاصله دریافت هر موج تا موج بعدی، تپ‌اختر یک‌بار دور خودش می‌چرخد. پس اگر برای مثال، دریافت هر علامت تا علامت بعدی ۰.۱ ثانیه طول بکشد، معنایش این است که تپ‌اختر در هر ثانیه ۱۰ بار دور خودش می‌چرخد. هرچه سرعت چرخش تپ‌اختر بیشتر باشد، فاصله زمانی دریافت هر پالس تا پالس بعدی کمتر خواهدبود. سرعت چرخش برخی تپ‌اخترها صدها بار در ثانیه است!

تپ اختر

تصویر ۳. محور چرخش تپ‌اختر با محور مغناطیسی آن هم‌راستا نیست. لذا وقتی تپ‌اختر حول محور خود می‌چرخد، قطب‌های مغناطیسی در صفحه مداری متفاوتی دَوَران می‌کنند و امواج الکترومغناطیسی‌شان مانند نور فانوس دریایی پهنه آسمان را جارو می‌کند. در این نمایش گرافیکی، اگر امواج الکترومغناطیسی این ستاره نوترونی به‌ زمین نیز برسد، آن را تپ‌اختر می‌نامیم و امواج آن را با بسامد دقیق و مشخصی دریافت می‌کنیم.

مطلب مرتبط: ستاره چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟

میدان مغناطیسی تپ‌اختر (و ستاره‌ نوترونی) بسیار قوی است

ستاره‌های نوترونی میدان‌ مغناطیسی قدرتمندی دارند که گاهی یک تریلیون بار قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است و ضمنا بسیار سریع دور خود می‌چرخند و این دو عامل سبب می‌شود تا از قطب مغناطیسی شمالی و جنوبی‌شان امواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر کنند. چون محور مغناطیسی ستاره‌های نوترونی اغلب کمی با محور چرخش آن‌ها متفاوت است، علائم رادیویی آن‌ها مانند نور فانوس دریایی آسمان را جارو می‌کنند.

مطلب مرتبط: ستاره مغناطیسی (مگنتار) چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

انواع تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

تپ‌اخترها پیوسته امواج الکترومغناطیسی منتشر می‌کنند اما چون می‌چرخند، ما این امواج را معمولا به‌شکل ضربه‌ای دریافت می‌کنیم، یعنی این امواج بسامد دارند و بین دریافت هر موج تا موج بعدی وقفه کوتاهی رخ می‌دهد. اکثر تپ‌اخترها فقط در محدوده موج رادیویی از طیف الکترومغناطیسی قابل تشخیص هستند، یعنی فقط می‌توان صدای‌شان را شنید و به همین سبب آن‌ها را تپ‌اخترهای رادیویی radio pulsar می‌نامند. اما معدودی از آن‌ها طول‌موج مرئی، پرتو ایکس و پرتو گاما نیز منتشر می‌کنند و لذا قابل مشاهده هستند. پس تپ‌اخترها را برحسب نوع موجی که از آن‌ها دریافت می‌شود می‌توان به ۴ دسته تقسیم کرد که عبارتند از تپ‌اخترهای:

  1. رادیویی
  2. پرتو ایکس
  3. نور مرئی
  4. پرتو گاما

 

۱. تپ‌اختر رادیویی چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

یافته‌های فعلی نشان می‌دهند که تپ‌اخترهای رادیویی (radio pulsar) شدیداً مغناطیسی هستند، با ‌سرعت دور خود می‌چرخند و لذا علائم رادیویی آن‌ها در فواصل زمانی منظم دریافت می‌شود. با این‌که اکثر تپ‌اخترها حدوداً هر ثانیه یک‌بار دور خود می‌چرخند اما تپ‌اخترهای بسیار سریعی نیز کشف شده‌اند که سرعت چرخش آن‌ها حدود ۶۵۰ دور در ثانیه است. تپ‌اخترهایی را که آهنگ چرخش آن‌ها از حدود ۵۰ میلی‌ثانیه بیشتر باشد، تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای (millisecond pulsar) می‌نامند. برخی از تپ‌اخترهای رادیویی ستاره‌هایی هستند که از انفجار ابرنواختر به‌جا مانده‌اند. آن‌ها ستاره‌های رمبیده‌ای هستند که جرم‌شان در ابتدا چند برابر جرم خورشید بود. سن تپ‌اخترهای رادیویی نیز مهم است. میزان پراکنش (dispersion) ویژگی مهم دیگری است که شدت آن به شمار الکترون‌های آزاد بین زمین و تپ‌اختر بستگی دارد. هرچه تپ‌اختر انرژی بیشتری از خود متساعد کند، آهنگ چرخش آن نیز کندتر می‌شود تا این‌که سرانجام پرتوتابی آن متوقف می‌‌شود.

۲. تپ‌اختر پرتو ایکس چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

تپ‌اخترهای پرتو ایکس (X-ray pulsar) در فواصل زمانی منظم از خود پرتو ایکس منتشر می‌کنند. گاهی مغناطیس‌سپهر یا مگنتوسفر ستاره نوترونی سبب می‌شود تا پرتو ایکس منتشر کند. برخی از تپ‌اخترهای پرتو ایکس بسیار سریع و با بسامد ۴۰۰ هرتز، یعنی هر ثانیه ۴۰۰ بار دور خود می‌چرخند. بسامد چرخش برابر با معکوس دوره تناوب چرخش است و واحد اندازه‌گیری آن چرخه در ثانیه یا همان هرتز است. تپ‌اخترهای پرتو ایکس میلی‌ثانیه‌ای بعدها به تپ‌اختر رادیویی میلی‌ثانیه‌ای تبدیل می‌شوند و چند نوعند:

  • منظومه دوتایی تپ‌اختر پرتو ایکس پُرجِرم یا HMXB (مخفف High-mass X-ray binary): اگر جرم ستاره جفتِ تپ‌اختر ۵ تا ۳۰ برابر جرم خورشید باشد، مجموعه مذکور را منظومه دوتایی تپ‌اخترهای پرتو ایکس پُرجِرم می‌نامیم.
  • منظومه دوتایی تپ‌اختر پرتو ایکس کم‌جِرم یا LMXB (مخفف Low-mass X-ray binary): اگر جرم ستاره جفتِ تپ‌اختر، برابر با یا کوچکتر از جرم خورشید باشد، چنین مجموعه‌ای  را منظومه دوتایی تپ‌اخترهای ایکس با جرم کم می‌نامیم. در این نوع منظومه‌ها تپ‌اختر کوچکتر، جرم ستاره بزرگتر را می‌مکد. انتقال جرم ستاره بزرگ به تپ‌اختر مدار گردش آن‌را بزرگتر می‌کند و سبب می‌شود تا منبع تغذیه تپ‌اختر LMXB با تپ‌اختر HMXB نسبتا برابر شود.

۳. تپ‌اختر نور مرئی چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

تپ‌اخترهای نور مرئی (visible light pulsar) زیرمجموعه بسیار کوچکی از تپ‌اخترها هستند. تپ‌اختر خرچنگ (crab pulsar) معروف‌ترین تپ‌اختر نور مرئی است و از انفجار ابرنواختری به جا مانده است که در سال ۱۰۵۴ میلادی رصد شد. سحابی خرچنگ در اثر انفجار این ستاره پدید آمد.

۴. تپ‌اختر پرتو گاما چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

تپ‌اخترهای پرتو گاما (gamma ray pulsar) نیز نسبتا کمیاب هستند. بیشتر آن‌ها ستاره‌های نوترونی جوانی هستند که میدان‌های مغناطیسی قدرتمندی دارند. برخی از آن‌ها به‌صورت رادیویی و برخی دیگر به نور مرئی رصد می‌شوند. برخی دیگر نیز که جمینگا (Geminga) نام دارند، به‌علتی نامعلوم هیچ علامت رادیویی قابل تشخیصی از خود منتشر نمی‌کنند. تپ‌اختر Vela قوی‌ترین منبع نقطه‌ای انتشار پرتو گاما در آسمان اطراف ما است.

سحابی خرچنگ (تپ‌ اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد)

تصویر ۴. عکس سحابی خرجنگ (Crab nebula): برخی ستاره‌ها پس از پایان زندگی‌شان بخشی از توده‌ها و مواد گازی لایه بیرونی خود را به فضای اطراف می‌پاشند و سپس به ستاره نوترونی و گاهی به تپ‌اختر تبدیل می‌شوند. سحابی خرچنگ نیز همین‌گونه پدید آمده است. ستاره مرکزی این سحابی، تپ‌اختر خرچنگ نام دارد.


در ادامه، می‌توانید صدای تپ‌اختر خرچنگ را بشنوید.

مطلب مرتبط: رنگ ستاره‌ها و ارتباط آن با دمای سطح ستاره

 

حرکت وضعی یا چرخش تپ‌اختر

علائم یا اصطلاحا پالس‌ها در بازه‌های زمانی منظم منتشر می‌شوند. ستاره نوترونی در فاصله زمانی بین انتشار دو پالس یک‌بار دور خودش می‌چرخد. هرچه فاصله زمانی این علائم بیشتر باشد، یعنی چرخش ستاره نوترونی آهسته‌تر است و بالعکس. پس اگر فاصله زمانی بین علائم تدریجا افزایش پیدا کند، نتیجه می‌گیریم که ستاره نوترونی در حال از دست دادن انرژی است و چرخش آن رفته‌رفته آهسته‌تر می‌شود. تپ‌اخترهای جوان را می‌شود در سحابی‌های خاصی موسوم به بازمانده‌های ابرنواختر یافت، زیرا ستاره‌های نوترونی معمولا در سحابی‌های بازمانده ابرنواختر تشکیل می‌شوند.

تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

در کل، تپ‌‌اخترها را بسته به آهنگ چرخش آن‌ها می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:

  • تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای (millisecond pulsar)
  • تپ‌اختر عادی (ordinary pulsar)

دوره تناوب تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای همانطور که از نام‌شان پیداست، چند میلی ثانیه است که معمولا خیلی آهسته تغییر می‌کند. هر تپ‌اختری جز این، تپ‌اختر عادی محسوب می‌شود.

احتمالا همه تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای یک ستاره جفت نیز دارند که همراه آن حول نقطه مشترکی می‌چرخند. پس از آن‌که تپ‌اختر تشکیل می‌شود، نیروی جاذبه قدرتمندش مواد ستاره جفت را می‌مکد. طی این فرآیند، جرم تپ‌اختر تدریجا افزایش می‌یابد و به همین نسبت چرخش آن نیز سریع‌تر می‌شود تا این‌که به تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای تبدیل می‌شود؛ یعنی تپ‌اختری که در هر ثانیه ده‌ها و شاید صدها بار دور خود می‌چرخد. با تداوم این روند، ستاره جفت می‌میرد و بسته به میزان جرم خود، به ستاره کوتوله سفید یا ستاره نوترونی و یا سیاه‌چاله تبدیل می‌شود. اگر ستاره جفت همچنان با تپ‌اختر در مدار باقی بماند، یک سامانه تپ‌اختر دوتایی و میلی‌ثانیه‌ای تشکیل می‌شود؛ یعنی منظومه‌ای متشکل از دو اختر که حول مرکز مشترکی در گردش هستند و هم‌زمان صدها بار در ثانیه دور خود می‌چرخند.

مطلب مرتبط: سحابی چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟

منظومه‌ تپ‌اختر دوتایی

اخترشناسان در پژوهش‌های خود تپ‌اختری را کشف کردند که با تپ‌اختر دیگری حول یک نقطه مشترک می‌چرخید. این یافته بسیار مهم بود زیرا با مطالعه آن می‌شد برخی از نظریه‌ها درباره گرانش را آزمود. تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای در منظومه‌های دوتایی برای مطالعه نظریه نسبیت عام مورد بسیار خوبی هستند. گردش چنین منظومه‌های تپ‌اختری سال‌ها مطالعه شده‌اند تا مشخص شود که آیا رصدها با پیش‌بینی‌ها مطابقت دارند یا نه. نظریه نسبیت عام بسیار با نتیجه رصدها مطابقت دارد.


مطالعه زمان‌سنجی تپ‌اخترها

بسیاری از اخترشناسان تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای را مرتبا رصد می‌کنند. نتیجه این رصدها فهم ما از جرم و حرکت سیارات در منظومه شمسی را ارتقا می‌دهد و شاید برای شناسایی امواج گرانشی را به‌کار بیاید. امواج گرانشی موج‌هایی در پهنه فضا-زمان هستند که از مناطق بسیار مبهم عالم مثل جهان آغازین و هسته کهکشان‌ها ساطع می‌شوند. لذا با مطالعه یک تپ‌اختر می‌توان درباره برخی از رویدادهای جهان اولیه و برخورد ابرسیاه‌چاله‌ها در مرکز کهکشان‌ها کنکاش کرد.

مطلب مرتبط: پلاسما چیست و با گاز چه تفاوتی دارد

سرانجام تپ‌اختر

کسی هنوز به‌درستی نمی‌داند که وقتی تپ‌اختر پیر و کُند می‌شود برایش چه اتفاقی می‌افتد. ظاهرا پس از چند میلیون سال پرتوتابی تپ‌اختر متوقف شود. و شاید علتش این باشد که میدان یا علائم مغناطیسی تپ‌اختر ضعیف می‌شوند تا این‌که دیگر نمی‌توانیم آن‌ها را تشخیص دهیم.


ساختار داخلی ستاره‌ نوترونی و تپ‌اختر چیست

جرم نهایی ستاره نوترونی معمولا ۱.۱ تا ۳ برابر جرم خورشید است، اما بسیار متراکم و هم‌اندازه یک شهر کوچک است. به عبارت دیگر، گویی ستاره‌ای چند برابر بزرگتر از خورشید را چنان فشرده‌اند که در یک شهر کوچک جا شده است. از سوی دیگر ستاره‌های نوترونی از زمین دور هستند. اما با این حال ساختار درونی ستاره‌های نوترونی تا حدی برای‌مان آشکار شده است. اخترشناسان با رصد تغییرات جزئی در چرخش تپ‌اخترها که در اصل ستاره نوترونی هستند، می‌کوشند به ساختار درونی آن‌ها پی ببرند.

همانطور که گفته شد، با پیرتر شدن تپ‌اخترها، سرعت چرخش آن‌ها کاهش می‌یابد. اما معدودی از تپ‌اخترها رفتار متفاوتی دارند، سرعت چرخش آن‌ها ناگهان افزایش می‌یابد و پس از مدت کوتاهی مجددا کند می‌شود. تپ‌اختر خرچنگ در سحابی خرچنگ بارها چنین رفتاری از خود نشان داده است. علت تغییر سرعت چرخش تپ‌اخترها هنوز کاملا مشخص نیست. برخی اخترنشاسان می‌گویند شاید برهم‌کنش ابرمایع موجود در لایه‌های درونی ستاره نوترونی با سطح بلوری آن موجب چنین پدیده‌ای می‌شود.

پوسته بیرونی ستاره نوترونی حاوی آهن، هسته‌های نوترونی و الکترون ‌است. پوسته درونی نیز دارای هسته‌های نوترونی، نوترون‌های آزاد ابرمایع و الکترون است. لایه داخلی ستاره نوترونی نیز نوترون‌های ابرمایع، پروتون‌های ابرمایع و الکترون دارد. اما محتوای هسته ستاره نوترونی هنوز مشخص نیست.

مطلب مرتبط: تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند: انواع تلسکوپ‌ها و ساختار آن‌ها

ستاره نوترونی و تپ‌اختر؛ تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

تصویر ۵. ساختار ستاره نوترونی و تپ‌اختر

مطلب مرتبط: هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه انجام می‌شود؟

رصد تپ‌اختر با تلسکوپ رادیویی

بیشتر تپ‌اخترها فقط طول موج رادیویی منتشر می‌کنند. این نوع تپ‌اخترها را با تلسکوپ‌های رادیویی (radio telescope) رصد می‌کنند. ستاره‌شناسی که به دنبال تپ‌اخترها می‌گردد باید تلسکوپ رادیویی را چند دقیقه تا دوازده ساعت به‌سمت ناحیه خاصی از آسمان تنظیم کند (با رصدهای طولانی‌تر می‌توان تپ‌اخترهای ضعیف‌تر را نیز کشف کرد). داده‌های خروجی تلسکوپ پیوسته روی حافظه‌های رایانه‌ای ذخیره می‌شوند. سپس در تمام این داده‌ها به دنبال سیگنال‌های منظمی می‌گردند که وجود تپ‌اختر را اثبات می‌کند. اگر تلسکوپ به یک بلندگوی قوی متصل باشد می‌توان علائم رادیویی تپ‌اختر را به‌شکل امواج صوتی شنید.

فاصله زمانی بین پالس‌های متوالی را دوره تناوب تپ‌اختر می‌نامند. دوره تناوب یک‌ثانیه‌ای رایج‌تر است اما تپ‌اخترهایی نیز کشف شده‌اند که دور تناوب‌شان چند میلی‌ثانیه (یا چندهزارم ثانیه) است، یعنی در هر ثانیه صدها بار دور خود می‌چرخند. برخی دیگر نیز کندتر هستند و هر ۸ ثانیه یک‌بار دور خود می‌چرخند. زمان بین هر پالس تا پالس بعدی بسیار دقیق و یکسان است و لذا می‌توان آن‌را با دقت بسیار اندازه گرفت. برای مثال، دوره تناوب تپ‌اختر PSR J1603-7202 برابر ۰.۰۱۴۸۴۱۹۵۲۰۱۵۴۶۶۸ ثانیه است. اما دوره تناوب همه تپ‌اخترهای رادیویی بسیار آهسته افزایش می‌یابد. مثلا دوره تناوب تپ‌اختر PRS J1603-7202 هر یک میلیون سال یک‌بار فقط ۰.۰۰۰۰۰۰۵ ثانیه افزایش می‌یابد.

علائم یا پالس‌های رادیویی

هر علامت یا پالس رادیویی بسامد یا فرکانس متفاوتی دارد. علائمی که بسامدشان بیشتر است زودتر به تلسکوپ‌ می‌رسند. سرعت حرکت امواج با بسامد بلند و امواج با بسامد کوتاه در فضا یکسان نیست. این پدیده را پراکنش پالس می‌نامند که الکترون‌های آزاد در فضای بین‌ستاره‌ای سبب بروز آن می‌شود. هرچه تپ‌اخترها از زمین دورتر باشند، میزان پراکنش پالس‌های‌شان بیشتر خواهدبود زیرا قاعدتاً در فضای بین ما و تپ‌اختر الکترون‌های بیشتری وجود دارند. با سنجش وقفه‌هایی که بین بسامدهای مختلف رخ می‌دهد، می‌توان فاصله تقریبی تپ‌اختر از زمین را تخمین زد.

تلسکوپ‌های رادیویی آرایه کیلومتر مربع (SKA)

تلسکوپ‌های آرایه کیلومتر مربع یا SKA (مخفف Square Kilometre Array) نسل جدید تلسکوپ‌های رادیویی هستند و از تلسکوپ‌های رادیویی فعلی حساس‌ترند زیرا سطح گردآوری امواج‌شان یک کیلومتر مربع است. با چنین قابلیتی حتی تپ‌اخترهای بسیار ضعیف‌تر را نیز می‌توان شناسایی کرد. این تلسکوپ‌ها ممکن است از آنتن‌های متعدد کوچکی تشکیل شده‌ باشند. شاید با چنین تلسکوپ‌هایی بتوان تپ‌اخترهایی را که حول سیاه‌چاله‌ها در گردشند، شناسایی کرد. با کشف چنین تپ‌اخترهایی می‌توان نظریه نسبیت عام و نظریه‌های جایگزین آن‌ درخصوص گرانش را بیشتر آزمود. ضمنا با تلسکوپ‌های SKA می‌توان تپ‌اخترهای موجود در کهکشان‌های دورتر را نیز یافت.

مطلب مرتبط: چگالی ماده چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟

تپ‌اخترها کجا هستند و چه ویژگی‌هایی دارند؟

بیشتر تپ‌اخترهایی که تاکنون کشف شده‌اند، درون کهکشان راه شیری بوده‌اند و چند مورد نیز در کهکشان مجاورمان، ابرهای ماژلانی، پیدا شده‌اند. درون یکی از سحابی‌های بازمانده ابرنواختر نیز تپ‌اختر بسیار جوانی کشف شده است که احتمالا از انفجار یک ستاره بزرگ به‌جا مانده است.

این ابرنواخترهای جوان بسیار سریع در فضا حرکت می‌کنند. سرعت حرکت برخی از آن‌ها ۴۰۰۰ برابر سرعت هواپیمای جت است و فلذا هزاران کیلومتر را در کمتر از یک دقیقه می‌پیمایند. اما هرچه تپ‌اخترها پیرتر می‌شوند، از صفحه مداری کهکشان کنار می‌روند. تپ‌اخترهای بسیار سریع هرگز به صفحه مداری کهکشان بازنمی‌گردند. آن‌‌ها از کهکشان می‌گریزند و در فضای بین‌کهکشانی سرگردان می‌شوند و لذا نمی‌توان آن‌ها را شناسایی کرد. برخی دیگر اما رفته‌رفته کند می‌شوند و سپس دوباره به‌سمت صفحه مداری کهکشان بازمی‌گردند و تاب‌خوردن‌شان به‌سمت بیرون و درون صفحه مداری کهکشان پیوسته ادامه می‌یابد.

اکثر ستاره‌های کهکشان ما منظومه دوتایی هستند، یعنی با ستاره دیگری حول یک مرکز مشترک می‌چرخند. خورشید ما استثنا است. بسیاری از تپ‌اخترها به‌ویژه تپ‌اخترهای میلی‌‌ثانیه‌ای نیز ستاره جفت دارند. جفتِ تپ‌اختر ممکن است یک ستاره عادی، یک کوتوله سفید، یک سیاره فراخورشیدی، یک ستاره نوترونی و یا حتی یک تپ‌اختر دیگر باشد. با مطالعه حرکت تپ‌اختر در منظومه دوتایی می‌توان درباره تپ‌اختر و نیز درباره جفت و گردش آن، مطالب بسیاری آموخت. جرم برخی از تپ‌اخترها را می‌توان تخمین زد. جرم آن‌ها حدود یک‌ونیم برابر جرم خورشید است. ضمنا تپ‌اخترها بسیار کوچک اما بسیار متراکم هستند. ذرات تشکیل‌دهنده تپ‌اختر چنان فشرده شده‌اند که می‌توان تپ‌اختری با جرم بزرگتر از خورشید را در یک شهر کوچک جای داد. لذا حجم تپ‌اخترها کوچک اما جرم آن‌ها نسبت به حجم‌شان بسیار است.


تاریخچه کشف تپ‌اختر (ستاره تپنده)

نخستین تپ‌اختر تصادفاً در ۱۹۶۷ توسط ژاکلین بل و آنتونی هیوییش کشف شد. آن‌ها آن زمان درباره کهکشان‌های دور مطالعه می‌کردند. یک‌روز وقتی تلسکوپ رادیویی آن‌ها به‌سمت نقطه خاصی در آسمان تنظیم شده بود، برای مدتی کوتاه علائم یا پالس‌های رادیویی کوچکی دریافت کردند. آهنگ دریافت امواج این تپ‌اختر بسیار دقیق بود و هر ۱.۳۳ ثانیه یک‌ پالس از آن دریافت می‌شد. به‌همین علت ابتدا تصور می‌شد که این علائم را موجودات فرازمینی می‌فرستند اما بعدها مشخص شد که این علائم منشاء طبیعی دارند و در سرتاسر کهکشان می‌توان آن‌ها را یافت. آن‌ها ابتدا گمان کردند که این امواج از سمت موجودات فضایی ناشناخته‌ای ارسال می‌شوند. اما بعدها متوجه شدند منبع این علائم شیءای آسمانی است که به همین مناسبت تپ‌اختر (pulsar) نام گرفت، یعنی ستاره‌ای که می‌تپد.

تپ‌اختر مذکور اینک PSR B1919+21 نام دارد. عبارت PSR مخفف Pulsating Source of Radio و به‌معنی «منبع تپش رادیویی» است. عبارت B1919+21 نیز مختصات این تپ‌اختر در آسمان را نشان می‌دهد. با این‌که تپ‌اخترها ابتدا فقط با تلسکوپ‌های رادیویی و به‌خاطر سیگنال‌های رادیویی‌شان شناسایی می‌شدند اما امروزه برخی از آن‌ها را می‌توان با تلسکوپ‌های نوری پرتو ایکس و پرتو گاما نیز رصد کرد.

پیشینه دیدگاه‌ها درباره ستاره‌های نوترونی

پیش‌تر در سال ۱۹۳۴ والتر باد و فریتز زویکی وجود ستاره‌های نوترونی را پیش‌بینی کردند. پیش‌تر تصور می‌شد که ستاره‌های نوترونی را هرگز نمی‌شود با تلکسکوپ‌های زمینی شناسایی کرد. آن‌ها پیش‌بینی کرده بودند که ستاره‌های نوترونی بسیار متراکم هستند، شعاع‌شان تنها حدود ۱۰ کیلومتر است، بسیار سریع دور خود می‌چرخند و میدان مغناطیسی بسیار بزرگی دارند. اما بعدها مشخص شد ذرات بارداری که در امتداد میدان‌ مغناطیسی ستاره‌ نوترونی حرکت می‌کنند، امواجی ایجاد می‌کنند که از دو قطب مغناطیسی ستاره در فضا منتشر می‌شود. و چون ستاره نوترونی دور خودش می‌چرخد، این امواج مانند نور فانوس دریایی در پهنه فضا کشیده می‌شوند و اگر این علائم الکترومغناطیسی رو به زمین منتشر شوند، می‌توانیم بااستفاده از رادیوتلسکوپ‌ها آن‌ها را دریافت کنیم. اخترشناسان تا سال ۲۰۰۸ حدود ۱۶۰۰ تپ‌اختر کشف کرده‌اند و انتظار می‌رود طی چندسال آینده هزاران تپ‌اختر دیگر نیز کشف شود.

مطلب مرتبط: کهکشان چیست و چگونه تشکیل‌ می‌شود؟

خلاصه: تپ‌ اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

  • تپ‌اختر در اصل یک ستاره نوترونی است که محور چرخش و محور مغناطیسی آن بر هم منطبق نیستند.
  • وقتی تپ‌اختر در صفحه مداری خود می‌چرخد، قطب‌های مغناطیسی آن در صفحه مداری متفاوتی چرخ می‌خورند.
  • موقعیت قطب‌های مغناطیسی تپ‌اخترها طوری است که ما امواج‌شان را در زمین دریافت می‌کنیم.
  • تپ‌اخترها از ما دور هستند.
  • ستاره‌هایی که جرم آنها در رشته اصلی، بیش از ۸ برابر جرم خورشید باشد، ممکن است روزی به ستاره نوترونی یا به تپ‌اختر تبدیل شوند.
  • جرم نهایی تپ‌اخترها حدود ۱.۴ تا ۳ برابر جرم خورشید است.
  • تپ‌اخترها بسیار متراکم و لذا بسیار کوچکند لذا کم‌حجم اما بسیار سنگین هستند.
  • بسیاری از تپ‌اخترها معمولا دور اجرام آسمانی دیگری در گردشند.
  • تپ‌اخترها احتمالا بازمانده ستاره‌هایی هستند که پس از پایان زندگی‌شان در اثر انفجار ابرنواختر بخشی از لایه خارجی خود را از دست می‌دهند و سپس بسیار متراکم می‌شوند.
  • تپ‌اخترهای جوان بسیار سریع در فضا حرکت می‌کنند.
  • فاصله زمانی بین علائم الکترومغناطیسی تپ‌اختر بسیار دقیق و منظم است.

 

عنوان: تپ‌ اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد
عبارت کلیدی: تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد، تپ‌ اختر چیست، تپ‌اختر چه ویژگی‌هایی دارد