تلاش دانشمندان برای کشف هویت یک جرم عجیب در حومه راه شیری

یک جرم عجیب در حومه کهکشان راه شیری وجود دارد.

به نقل از ساینس الرت، در خوشه‌ای از ستاره‌هایی که از قسمت‌های بیرونی کهکشان عبور می‌کنند، ستاره‌شناسان یک جرم بسیار کوچک و بسیار متراکم را شناسایی کرده‌اند که در یک رقص مداری با یک تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای قفل شده است. آن‌ها می‌گویند که جرم مرموز تنها دو چیز می‌تواند باشد؛ یک ستاره نوترونی یا یک سیاه‌چاله.

هر کدام از این دو مورد، یک کشف هیجان‌انگیز به شمار می‌رود. اگر این یک ستاره نوترونی باشد، احتمالا سنگین‌ترین نمونه در نوع خود است که تا به حال دیده‌ایم. اگر سیاه‌چاله باشد، احتمالا سبک‌ترین نمونه در نوع خود است.

با جرم معادل بین ۲.۰۹ و ۲.۷۱ خورشید، این جرم در انتهای پایینی یک منطقه قرار دارد که بین ۲.۲ تا پنج جرم خورشیدی است و تاکنون تعداد بسیار کمی از ستاره‌های نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها در آن کشف شده‌اند.

«بن استپرز» (Ben Stappers) اخترفیزیکدان «دانشگاه منچستر» گفت: هر دو احتمال هیجان‌انگیز هستند. یک منظومه تپ‌اختر-سیاه‌چاله، یک هدف مهم برای آزمایش کردن نظریه‌های گرانش خواهد بود و یک ستاره نوترونی سنگین، اطلاعات جدیدی را در مورد فیزیک هسته‌ای ارائه خواهد کرد.

ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها ارتباط بسیار نزدیکی دارند. هر دوی آن‌ها اجرامی با چگالی بالا هستند که از فروپاشی گرانشی هسته یک ستاره پرجرم هنگام مرگ تشکیل می‌شوند. تفاوت آن‌ها در میزان جرم است. یک ستاره نوترونی می‌تواند تا حدود ۲.۳ برابر جرم خورشید باشد، اما ذرات درون یک ستاره نوترونی تا جایی که امکان دارد، فشرده شده‌اند و ستاره مشابه یک هسته اتمی بزرگ است. با وجود این، اگر جرم بیشتری اضافه شود، نمی‌توان از فروپاشی بیشتر آن جلوگیری کرد؛ بنابراین هسته‌های پرجرم‌تر، حداقل از نظر تئوری باید به طور کامل در سیاه‌چاله‌ها فرو بریزند. در هر حال، سیاه‌چاله‌های بسیار کمی با جرم پایین‌تر از پنج خورشید شناسایی شده‌اند.

یک گروه پژوهشی بین‌المللی به سرپرستی «ایوان بار» (Ewan Barr) و «آرونیما دوتا» (Arunima Dutta) اخترفیزیکدانان «مؤسسه نجوم رادیویی ماکس پلانک»، این جرم را با بررسی یک تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای عجیب به نام «PSR J ۰۵۱۴-۴۰۰۲ E» واقع در یک خوشه ستاره‌ای به نام «ان‌جی‌سی ۱۸۵۱» (NGC ۱۸۵۱) کشف کردند که حدود ۵۴ هزار سال نوری دورتر از مرکز کهکشان قرار دارد.

داده‌های رادیویی جمع‌آوری‌شده توسط آرایه «مرکات» (MEERKat) در آفریقای جنوبی، حضور یک همراه نامرئی را در یک مدار ۷.۴۴ روزه با تپ‌اختر نشان داد. پژوهشگران می‌خواستند بدانند آن جرم چیست.

تپ‌اختر‌های میلی‌ثانیه‌ای، ستاره‌های نوترونی هستند که بسیار سریع می‌چرخند. آن‌ها هنگام چرخش، امواج رادیویی را در فواصل زمانی دقیق ساطع می‌کنند. PSR J ۰۵۱۴-۴۰۰۲ E تقریبا ۱۷۰ بار در ثانیه می‌چرخد. از آنجا که زمان‌بندی آن بسیار دقیق است، ستاره‌شناسان می‌توانند به دنبال تغییرات کوچک در پالس‌ها بگردند و از آن اطلاعات برای بررسی کردن ویژگی‌های تپ‌اختر و محاسبه کردن فاصله آن استفاده کنند.

بار گفت: به این فکر کنید که بتوانید یک کرونومتر تقریبا عالی را در مدار یک ستاره در فاصله حدود ۴۰ هزار سال نوری قرار دهید و سپس بتوانید آن مدار‌ها را با دقت میکروثانیه زمان‌بندی کنید.

پژوهشگران با بررسی کردن داده‌های زمان‌بندی تپ‌اختر توانستند فاصله تا PSR J ۰۵۱۴-۴۰۰۲ E، جرم تپ‌اختر و جرم کل منظومه را محاسبه کنند. آن‌ها با کم کردن جرم تپ‌اختر، میزان جرم این پدیده مرموز را تعیین کردند.

این جرم آن قدر کم‌نور است که نمی‌تواند یک «ستاره رشته اصلی» باشد و بسیار پرجرم‌تر از آن است که در گروه کوتوله‌های سفید قرار بگیرد. این تنها دو احتمال را باقی می‌گذارد؛ ستاره نوترونی یا سیاه‌چاله.

در این مرحله غیرممکن است که بگوییم جرم مورد نظر کدام یک می‌تواند باشد، اما پژوهشگران معتقدند که این محصول ادغام پیشین دو ستاره نوترونی است. چندین سال پیش، برخورد مشابهی که با استفاده از امواج گرانشی شناسایی شد، یک جرم به اندازه ۲.۶ خورشید را شکل داد. این یافته جدید با جرم خورشیدی ۲.۷۶، شانس این را دارد که یک ستاره نوترونی بزرگ‌تر باشد.

اکنون که چنین جرمی پیدا شده است، پژوهشگران تصمیم گرفته‌اند هویت آن را آشکار کنند. دوتا گفت: کار ما با این منظومه هنوز پایان نیافته است. کشف ماهیت واقعی آن، یک نقطه عطف در درک ما از ستاره‌های نوترونی، سیاه‌چاله‌ها و هر جرم دیگری به شمار می‌رود که ممکن است در شکاف جرم سیاه‌چاله در کمین باشد.

این پژوهش در مجله «Science» به چاپ رسید.