ستاره نوترونی چیست و چگونه پدید می‌آید – ساختار و ویژگی‌ها

ستاره نوترونی چیست

ستاره نوترونی چیست: ستاره نوترونی (neutron star)، ستاره‌ای بسیار متراکم، عمدتاً متشکل از ذره بنیادی نوترون است و بسیار سریع دور خود می‌چرخد. ستاره‌هایی که جرم اولیه آن‌ها ۱۰ تا ۲۵ برابر جرم خورشید است، در پایان زندگی‌شان در اثر انفجار ابرنواختر بخشی از گازها و جرم خود را بیرون می‌پاشند؛ سپس لایه‌های بیرونی ستاره در اثر نیروی جاذبه هسته فرومی‌شکنند یا اصطلاحا می‌رمبند و در هسته متراکم می‌شوند (ویدیو ۱ را ببینید). شدت فشار در هسته ستاره، اتم‌ها را له می‌کند و پروتون‌ها و الکترون‌های هسته اتم در اثر نیروی جاذبه قوی ستاره، با هم ادغام و به نوترون تبدیل می‌شوند. این علاوه بر نوترون‌هایی است که از پیش در هسته اتم بوده‌اند. نهایتاً از تمام جرم ستاره حدود ۹۰ درصدش نوترون‌ خواهدبود که فاقد بار الکتریکی است. جرم نهایی ستاره نوترونی معمولا ۱.۱ تا ۳ برابر جرم خورشید اما قطر آن‌ فقط ۱۰ تا ۲۰ کیلومتر است.

ویدیوی گرافیکی و شبیه‌سازی شده زیر، روند تشکیل ستاره نوترونی را نشان می‌دهد (حجم ویدیو: ۱۸۱ کیلوبایت). در ادامه بیشتر توضیح داده می‌شود که ستاره نوترونی چیست، چه ویژگی‌هایی دارد و چگونه تشکیل می‌شود.

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

ستاره نوترونی چیست و چگونه تشکیل می‌شود

در آغاز، اکثر جرم یک ستاره‌ را هیدروژن تشکیل می‌دهد. ستاره‌ها طی فرآیندی موسوم به هم‌جوشی هسته‌ای هیدروژن را می‌سوزانند. در هم‌جوشی هسته‌ای، دو اتم هیدروژن در دمای بسیار بالا به‌هم جوش می‌خورند و به اتم جدید هلیوم تبدیل می‌شوند. پس از آنکه تمام هیدروژن ستاره سوخت و به هلیوم تبدیل شد، ستاره سوزاندن هلیوم را آغاز می‌کند. با هم‌جوشی اتم‌های هلیوم، هسته بریلیوم تشکیل می‌شود. فرآیند هم‌جوشی و تشکیل اتم‌های عناصر سنگین‌تر تا تشکیل اتم‌های آهن ادامه می‌یابد. پس از آن‌که هسته یک ستاره کاملا سوخت و به آهن تبدیل شد، تولید انرژی آن متوقف می‌شود و هسته ستاره خیلی زود درهم‌می‌شکند.

با درهم شکستن هسته ستاره در اثر نیروی جاذبه قوی آن، الکترون‌ها و پروتون‌های اتم به نوترون و نوترینو تبدیل می‌شوند. نوترینوها به‌راحتی از هسته فشرده ستاره می‌گریزند، و لذا در نهایت، از هسته اتم فقط نوترون‌هایش باقی می‌ماند. نوترون‌ها آن‌قدر به‌هم نزدیک می‌شوند تا این‌که چگالی آن‌ها با چگالی هسته اتم برابر ‌شود. در این حالت، نوترون‌ها کوچک‌ترین فضای ممکن را اشغال می‌کنند، اما همچنان سنگین هستند، چون جِرم دارند. اگر جرم هسته ستاره کمتر از ۳ برابر جرم خورشید باشد، شدت فشار نوترون‌ها می‌تواند نیروی جاذبه ستاره را خنثی و از درهم‌شکستن ستاره جلوگیری کند. چنین ستاره‌ای را ستاره نوترونی می‌نامند. اما اگر جرم ستاره بیش از ۳ برابر جرم خورشید باشد، حتی فشار نوترون‌ها نیز نمی‌تواند ستاره را در برابر نیروی جاذبه قوی آن پایدار نگاه دارد. لذا ستاره درهم‌می‌شکند و به یک سیاه‌چاله ستاره‌ای تبدیل می‌شود.

تصویر ۱. این احتمالا عکس ستاره نوترونی است که تلسکوپ فضایی هابل آن را در سال ۱۹۹۷ ثبت کرده است. این ستاره تنها، بسیار داغ است و طبق محاسبات، قطر آن حداکثر ۲۸ کیلومتر است. جز ستاره نوترونی هیچ جرم آسمانی دیگری نمی‌توانست چنین داغ، کوچک و تار باشد.

مطلب مرتبط: صدای تپ‌اختر یا ستاره تپنده

اثر نیروی جاذبه هسته ستاره نوترونی و نیروی فشار نوترون‌ها

فشار نوترون‌ها نیرویی در خلاف جهت نیروی جاذبه هسته ستاره ایجاد می‌کند. نیروی جاذبه، ذرات نوترون را به سمت مرکز یا هسته ستاره می‌فشارد. اما نیروی فشار نوترون‌ها در جهت عکس یعنی به سمت بیرون است. اگر نیروی جاذبه غلبه کند، ستاره نوترونی درهم‌می‌شکند. و اگر نیروی فشار نوترون‌ها غلبه کند، ستاره نوترونی از هم می‌پاشد و در فضا پراکنده می‌شود. اما اگر این دو نیرو تعادل داشته باشند، اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند و ستاره نوترونی در ضمن فشردگی، پابرجا می‌ماند.

پس، ستاره‌ای را که توسط فشار تبهگنی نوترون‌هایش پابرجا مانده است یک ستاره نوترونی می‌نامند. اگر میدان مغناطیسی ستاره نوترونی با محور چرخشش هم‌راستا باشد، به آن تپ‌اختر (Pulsar) می‌گویند.

ستاره‌هایی که جرم اولیه آنها بیش از ۸ برابر جرم خورشید باشد، ممکن است نهایتا روزی به ستاره نوترونی تبدیل شوند. جرم نهایی یک ستاره نوترونی ۱.۱ تا ۳ برابر جرم خورشید است. ستاره نوترونی بسیار کوچک و بسیار متراکم است زیرا از نوترون‌های بسیار نزدیک به هم تشکیل شده است. وقتی ستاره نوترونی چرخش بسیار سریع به‌دور خود را آغاز کند به تپ‌اختر یا پالسار تبدیل می‌شود.

حجم، جرم و وزن ستاره نوترونی

ستاره‌های نوترونی اجرام آسمانی بسیار فشرده‌ای هستند؛ قطر آن‌ها تنها حدود ۱۰ تا ۲۰ کیلومتر است (گویی ستاره‌ای بزرگتر از خورشید را در فضایی به‌اندازه یک شهر کوچک فشرده‌اند). چگالی ستاره‌های نوترونی ۱۰^۱۷ کیلوگرم بر متر مکعب است (مقایسه شود با چگالی زمین که حدود ۱۰^۳ * ۵ کیلوگرم بر متر مکعب است). لذا اگر تکه‌ای به‌کوچکی یک حبه قند را از ستاره نوترونی جدا کنید، وزن آن بیش از یک تریلیون کیلوگرم خواهدبود! نیروی جاذبه سطح ستاره نوترونی حدود ۱۰^۱۱ برابر قوی‌تری از نیروی جاذبه سطح زمین است. به همین علت، اگر بر فراز ستاره نوترونی شیء‌ای را از آسمان رها کنید، با سرعت حدود ۱۵۰,۰۰۰ کیلومتر در ثانیه (نصف سرعت نور) روی ستاره نوترونی فرود می‌آید.

مطلب مرتبط: پلاسما چیست و با گاز چه تفاوتی دارد

علت چرخش سریع ستاره‌ نوترونی چیست

همه ستاره‌ها و از جمله خورشید، حرکت وضعی دارند، یعنی دور خودشان می‌چرخند. اما سرعت چرخش ستاره‌های نوترونی بسیار بیشتر است. ستاره‌های نوترونی که در اثر درهم‌شکستن و فشرده شدن هسته‌ ستاره پدید آمده‌اند، بسیار سریع دور خود می‌چرخند تا تکانه زاویه‌ای خود (angular momentum) را حفظ کنند. ضمنا شارش مغناطیسی‌شان تداوم دارد و میدان مغناطیسی آنها بسیار قدرتمند است.

اگر سرعت چرخش هسته ستاره نوترونی کم شود، سرعت چرخش خود ستاره نوترونی به‌شدت افزایش می‌یابد، زیرا باز هم درهم‌می‌شکند و به ستاره نوترونی بسیار کوچکتری تبدیل می‌شود. هم‌زمان با درهم‌شکستن هسته ستاره، خطوط میدان مغناطیسی ستاره به‌هم نزدیک‌تر می‌شوند. این پدیده، به قوی‌تر شدن میدان مغناطیسی ستاره نوترونی منجر می‌شود. در این حالت، شدت میدان مغناطیسی ستاره نوترونی حدود ۱۰^۱۲ برابر میدان مغناطیسی زمین خواهدبود.

ستاره‌های نوترونی در آغاز شکل‌گیری‌شان حدودا ۶۰ بار در ثانیه دور خود می‌چرخند. اگر یک ستاره نوترونی بخشی از یک منظومه دوتایی (متشکل از دو ستاره) باشد، سرعت حرکت وضعی آن در اثر برافزایش مواد، به بیش از ۶۰۰ بار در ثانیه افزایش می‌یابد. اگر ستاره‌ نوترونی در اثر فرآیندهای تابشی، انرژی خود را از دست دهد، شاید نرخ چرخش آن به یک بار در هر ۸ ثانیه کاهش یابد. اما همچنان علائم یا اصطلاحا پالس‌های رادیویی از خود منتشر می‌کند. همچنین وزش بادهای ستاره‌ای در منظومه‌های پرتو ایکس می‌تواند نرخ چرخش ستاره‌های نوترونی را به بیست دقیقه یک‌بار کاهش دهد.

طبق مشاهدات، سرعت چرخش ستاره نوترونی به دور خود، به‌مرور زمان کمتر می‌شود، زیرا ستاره به‌تدریج پیرتر می‌شود و انرژی چرخشی آن در اثر میدان مغناطیسی به محیط اطراف نشت می‌کند. تپ‌اختر خرچنگ نمونه‌ای از این‌گونه ستاره‌هاست که سرعت چرخش با روزانه ۳۸ نانوثانیه کاهش می‌یابد و انرژی آن توسط سحابی خرچنگ جذب می‌شود.

مطلب مرتبط: کهکشان چیست و چگونه تشکیل‌ می‌شود؟

نحوه سنجش سرعت چرخش

اخترشناسان برای سنجش سرعت چرخش ستاره‌‌های نوترونی، تابش الکترومغناطیسی آن‌ها از قطب‌های میدان مغناطیسی‌شان را اندازه می‌گیرند. قطب‌های مغناطیسی ستاره نوترونی معمولا با محور چرخش آن هم‌راستا نیست. لذا وقتی ستاره نوترونی می‌چرخد، شعاع نور آن مثل نور فانوس دریایی در فضای اطرافش کشیده می‌شود. اگر زمین در مسیر نورتابی ستاره نوترونی باشد، می‌توان ستاره نوترونی را از زمین دید که در این‌صورت به آن تپ‌اختر می‌گویند. در غیر این‌صورت، فقط بازمانده ابرنواختر از زمین دیده می‌شود. به‌همین علت، ما در هر بازمانده ابرنواختری نمی‌توانیم یک تپ‌اختر مشاهده کنیم. ستاره‌های نوترونی الزاما تنها نیستند و آن‌هایی که منظومه دوتایی تشکیل داده‌اند، معمولا نور خود را به‌شکل پرتو ایکس منتشر می‌کنند.

مطلب مرتبط: سحابی چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟

سخن پایانی

ایده پیدایش ستاره‌های نوترونی در اثر انفجار ابرنواختر، در ۱۹۳۳ یعنی یک سال پس از کشف ذره بنیادی نوترون مطرح شد. اما نهایتا در سال ۱۹۶۷ مشاهده پالس‌های رادیویی متناوب یک شیء آسمانی به کشف تپ‌اخترها (پالسارها) منجر شد. در حال حاضر بیش از ۱۳۰۰ ستاره نوترونی شناسایی شده است. برآورد می‌شود که قرص کهکشان راه شیری به‌تنهایی حدود ۱۰۰,۰۰۰ ستاره نوترونی داشته باشد.