ستاره‌های نوترونی و تپ‌اخترها
هسته‌ی یه ستاره فشرده شده تو اندازه‌ی یه شهر، و صدها بار در ثانیه می‌چرخه. ببین این کار با چگالی و چرخش و مغناطیس چی می‌کنه، و چرا بعضی‌هاشون مثل ساعت تیک‌تاک می‌زنن.
چیزی که می‌مونه
ستاره‌ی نوترونی (Neutron Star)
ماده‌ی معمولی بیشترش خالیه: یه هسته‌ی خیلی ریز با الکترون‌هایی که خیلی دورتر دورش می‌چرخن. تو فروریختن هسته‌ی یه ستاره‌ی پرجرم، گرانش این فضای خالی رو می‌کوبه بیرون. الکترون‌ها فشرده می‌شن تو پروتون‌ها و این دوتا می‌شن نوترون. چیزی که می‌مونه اصلاً گویی از اتم نیست؛ بیشتر شبیه یه هسته‌ی اتمی غول‌پیکره با قطر حدود ۲۰ کیلومتر، و خودش رو سرپا نگه می‌داره چون نوترون‌هایی که این‌قدر فشرده کنار هم چیده شدن زیر بار فشرده‌تر شدن نمی‌رن.
این زیر بار نرفتن هم حدی داره، درست مثل کوتوله‌ی سفید. بالاتر از حدود دو تا دو و نیم برابر جرم خورشید، نوترون‌ها می‌بازن و هیچ چیز شناخته‌شده‌ای جلوی فروریختن رو نمی‌گیره. اون حالت می‌شه درس بعدی.
یه ستاره‌ی نوترونی = حدود ۱٫۴ برابر جرم خورشید
تو گویی به قطر حدود ۲۰ کیلومتر
حالا کل زمین رو با همین چگالی فشرده کن.
زمین چقدر می‌شه؟یه گوی به قطر حدود ۲۵۰ متر: پنج دقیقه‌ای دورش رو راه میرییه حبه قند از این ماده چند صد میلیون تُن وزن داره. این چیزی نیست که بشه با خودت بیاری خونه. فقط تا وقتی گرانش خود ستاره داره لهش می‌کنه یکپارچه می‌مونه؛ بیرون بیاریش همون لحظه از هم می‌پاشه.
خودت رو امتحان کن
رامین فکر می‌کنه اگه می‌شد رو یه ستاره‌ی نوترونی وایسی چی می‌شد. با چیزی که درباره‌ی گرانش و جرم می‌دونی، کدوم جواب بهتره؟
- گرانشش له‌ات می‌کرد؛ جرم یه ستاره‌ی کامل فقط ۱۰ کیلومتر باهاته
- تقریباً مثل وایسادن رو ماه می‌شد، چون ستاره‌ی نوترونی جسم کوچیکیه
- معلق می‌موندی، چون ستاره‌ی نوترونی جو نداره
- هیچی، چون گرانش برای کار کردن جسم بزرگ لازم داره
جواب رو ببین
گرانشش له‌ات می‌کرد؛ جرم یه ستاره‌ی کامل فقط ۱۰ کیلومتر باهاته
درسته. گرانش با جرم و با نزدیکی زیاد می‌شه. جرم یه ستاره‌ی کامل تو فاصله‌ی ۱۰ کیلومتری، هر دوش رو به حد نهایی می‌رسونه. هیچی نمی‌تونه اونجا وایسه؛ تو به شکل لایه‌ای نازک‌تر از یه ورق کاغذ روی سطحش پخش می‌شدی.
اسکیت‌بازی که دست‌هاش رو جمع می‌کنه
اسکیت‌بازی که داره می‌چرخه دست‌هاش رو جمع می‌کنه تو سینه‌ش و بدون اینکه به جایی فشار بیاره تندتر می‌چرخه. جرم رو که به محور چرخش نزدیک‌تر کنی، چرخش تند می‌شه. هسته‌ی ستاره هم همین کار رو می‌کنه، فقط تو مقیاسی که مسخره به نظر میاد: هسته‌ای به اندازه‌ی زمین که ماهی یه دور تنبلانه می‌چرخید، فرو می‌ریزه به ۲۰ کیلومتر و چند بار در ثانیه درمیاد. جایی که این تشبیه جواب نمی‌ده: اسکیت‌باز تو چند ثانیه با اصطکاک آروم می‌شه، ولی ستاره‌ی نوترونی تو فضای خالی میلیون‌ها سال می‌چرخه و خیلی‌خیلی آروم سرعت کم می‌کنه.
باریکه
تپ‌اختر (Pulsar): چرخش شبیه فانوس دریایی
فروریختن علاوه بر چرخش، میدان مغناطیسی ستاره رو هم فشرده می‌کنه و چیزی حدود هزار میلیارد برابر میدان زمین به جا می‌ذاره. ذره‌های باردار از قطب‌های مغناطیسی به شکل دو تا باریکه‌ی نازک موج رادیویی به بیرون هدایت می‌شن. قطب‌های مغناطیسی معمولاً نسبت به محور چرخش کجن، پس باریکه‌ها مثل چراغ فانوس دریایی دور خودشون می‌چرخن. اگه یکی‌شون اتفاقی از روی زمین رد بشه، ما هر دور یه تپش می‌گیریم. به این می‌گن تپ‌اختر (pulsar).
ستاره داره یکنواخت می‌تابه و هیچ‌جاش چشمک نمی‌زنه. اون چشمک زدن فقط برای کسی وجود داره که باریکه از روش رد می‌شه. یعنی بیشتر تپ‌اخترهای کهکشان برای ما نامرئی‌ان: باریکه‌شون اصلاً این‌ور رو نشون نمی‌ره.
خودت رو امتحان کن
تپ‌اختر یه ستاره‌ی نوترونیه که نورش واقعاً چند بار در ثانیه روشن و خاموش می‌شه.
جواب رو ببین
نادرست
غلطه. ستاره یکنواخت می‌تابه؛ این باریکه‌ست که حرکت می‌کنه، چون ستاره می‌چرخه و قطب‌های مغناطیسیش کجن. هر بار که باریکه از روی تو رد می‌شه یه تپش می‌بینی، دقیقاً مثل فانوس دریایی که برای یه کشتی چشمک می‌زنه در حالی که چراغش یه لحظه هم خاموش نمی‌شه.
از فروریختن یه هسته تا یه تیک روی نوار
- هسته فرو می‌ریزه
یه هسته‌ی آهنی تقریباً به اندازه‌ی زمین تو کمتر از یه ثانیه فرو می‌ریزه به حدود ۲۰ کیلومتر و تبدیل می‌شه به نوترون.
- چرخش و مغناطیس چند برابر می‌شن
هر دوشون تو یه حجم عظیم پخش بودن و حالا تو یه حجم ریز جمع شدن. یه چرخش کُند می‌شه چند دور در ثانیه؛ یه میدان مغناطیسی معمولی ستاره‌ای می‌شه چیزی که هیچ آزمایشگاهی بهش نزدیک نمی‌شه.
- دو تا باریکه از قطب‌های مغناطیسی بیرون می‌زنن
ذره‌های باردار در امتداد میدان بیرون می‌ریزن و تابش می‌کنن، بیشتر به شکل موج رادیویی، تو دو تا مخروط باریک.
- باریکه‌ها آسمون رو جارو می‌کنن
چون محور مغناطیسی نسبت به محور چرخش کجه، این مخروط‌ها با چرخش ستاره روی آسمون دایره می‌کشن.
- تلسکوپ رادیویی یه رشته تپش می‌بینه
اگه یکی از مخروط‌ها از روی زمین رد بشه، تلسکوپ هر دور یه تپش تیز ثبت می‌کنه: یکنواخت، با فاصله‌های برابر، و با دقتی که از ساعت مچی خیلی خیلی جلوتره.
خودت رو امتحان کن
فروریختن با هر ویژگی هسته چی‌کار می‌کنه؟
- چگالی
- قطر
- سرعت چرخش
- قدرت میدان مغناطیسی
- زمان یه دور کامل
- گرانش سطح
جواب رو ببین
خیلی زیاد می‌شه: چگالی, سرعت چرخش, قدرت میدان مغناطیسی, گرانش سطح
خیلی کم می‌شه: قطر, زمان یه دور کامل
دو جور ستاره‌ی مرده، کنار هم
کوتوله‌ی سفید
هسته‌ی ستاره‌ای شبیه خورشید. تقریباً به اندازه‌ی زمین، با جرمی تا حدود ۱٫۴ برابر خورشید. الکترون‌هایی سرپا نگهش داشتن که زیر بار فشرده‌تر شدن نمی‌رن. یه حبه قند ازش حدود یه تُنه. فقط سرد می‌شه، تو طول میلیاردها سال.
ستاره‌ی نوترونی
هسته‌ی ستاره‌ای با جرم بیشتر از حدود ۸ خورشید. تقریباً به اندازه‌ی یه شهر، معمولاً با جرم ۱٫۴ تا ۲ برابر خورشید. نوترون‌هایی سرپا نگهش داشتن که زیر بار فشرده‌تر شدن نمی‌رن. یه حبه قند ازش صدها میلیون تُنه. معمولاً چند بار در ثانیه می‌چرخه، با میدان مغناطیسی‌ای فراتر از هر چی روی زمین هست.
خودت رو امتحان کن
- جسم A هر ۰٫۰۸۹ ثانیه یه تپش رادیویی می‌فرسته. این تپش‌ها هفته‌به‌هفته با همون فاصله ادامه دارن، با دقتی در حد کسر خیلی کوچیکی از ثانیه.
- جسم B تو حدود ۵ روز پرنور و کم‌نور می‌شه، و زمانش از یه چرخه تا چرخه‌ی بعدی چند ساعت این‌ور و اون‌ور می‌ره.
کدوم یه ستاره‌ی نوترونی چرخانه، و از کجا لو می‌ره؟
- B، چون ۵ روز دوره‌ی واقع‌بینانه‌تری برای یه ستاره‌ست
- A، چون تپشی به این منظمی فقط می‌تونه از چرخش یه چیز سفت و کوچیک بیاد
- هر دوتاش، چون هر چی تکرار بشه یعنی داره می‌چرخه
- هیچ‌کدوم؛ سیگنال تکرارشونده همیشه ایراد دستگاهه
جواب رو ببین
A، چون تپشی به این منظمی فقط می‌تونه از چرخش یه چیز سفت و کوچیک بیاد
درسته. چرخش قابل‌اعتمادترین ساعتیه که طبیعت داره. ستاره‌ی بادکرده‌ای که باد می‌کنه و جمع می‌شه بدقولی می‌کنه، چون یه گوی شل گازه. یه تیکه‌ی ۲۰ کیلومتری نوترون فشرده این‌ور و اون‌ور نمی‌ره.
خودت رو امتحان کن
مریم می‌خونه که اخترشناس‌ها حدود سه هزار تپ‌اختر می‌شناسن، ولی انتظار دارن تو کهکشان صدها هزار ستاره‌ی نوترونی باشه. بهترین توضیح برای این فاصله چیه؟
- بیشتر ستاره‌های نوترونی اون‌قدر دورن که گرانششون به ما نمی‌رسه
- بیشتر ستاره‌های نوترونی خیلی وقته از چرخش وایسادن
- فقط جوون‌ترین ستاره‌های نوترونی وجود دارن؛ بقیه تبخیر شدن
- ما فقط اون‌هایی رو می‌بینیم که باریکه‌شون اتفاقی از روی زمین رد می‌شه
جواب رو ببین
ما فقط اون‌هایی رو می‌بینیم که باریکه‌شون اتفاقی از روی زمین رد می‌شه
درسته. باریکه‌ها مخروط‌های باریکن، و مخروطی که هر جای دیگه‌ی آسمون رو نشونه رفته باشه تپ‌اختریه که هیچ‌کس روی زمین نمی‌تونه بگیردش. چیزی که می‌شماریم تعداد موجودها نیست، تعداد اون‌هاییه که رو به ما نشونه رفتن.
مرور درس
- ستاره‌ی نوترونی هسته‌ی فروریخته‌ی یه ستاره‌ست، با جرم حدود ۱٫۴ تا ۲ برابر خورشید تو گویی به قطر حدود ۲۰ کیلومتر؛ بیشتر شبیه یه هسته‌ی اتمی غول‌پیکره تا ماده‌ی معمولی.
- فروریختن چرخش و مغناطیس رو فشرده می‌کنه: هسته‌ای که ماهی یه دور می‌چرخید، چند دور در ثانیه درمیاد، با میدانی حدود هزار میلیارد برابر زمین.
- تپ‌اختر ستاره‌ی نوترونیه که باریکه‌های مغناطیسی کجش از روی ما رد می‌شن. ستاره یکنواخت می‌تابه؛ فقط باریکه حرکت می‌کنه.
- ما فقط تپ‌اخترهایی رو می‌بینیم که رو به ما نشونه رفتن، پس کهکشان خیلی بیشتر از چیزی که می‌شمریم ستاره‌ی نوترونی داره.
- زمان‌بندیشون اون‌قدر دقیقه که یه تپ‌اختر تو مدار یه ستاره‌ی دیگه، ده‌ها سال قبل از گرفتن مستقیم امواج گرانشی، انرژی از دست رفته به شکل این موج‌ها رو اندازه گرفت.