سبک‌ترین جفت ستاره‌های نوترونی شناخته شده، بار دیگر حق با اینشتین را ثابت می‌کند

ستاره شناسان سبک ترین جفت ستاره نوترونی شناخته شده را کشف کرده اند - دو بقایای ستاره ای فوق متراکم که هر 2 ساعت و 22 دقیقه به دور یکدیگر می چرخند و در حدود 82 میلیون سال آینده به سمت یک برخورد اجتناب ناپذیر می روند. با زمان‌بندی پالس‌های رادیویی از یکی از ستارگان، محققان سه اثر ظریف پیش‌بینی‌شده توسط نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین را شناسایی کردند و دریافتند که این نظریه حرکت این جفت را تا حدود 1 درصد توصیف می‌کند - این امر دوباره حق فیزیکدان بینا را ثابت می‌کند.

محققان یافته های خود را در 15 سپتامبر در مجله Physical Review Letters منتشر کردند.

ستارگان نوترونی هسته های فروپاشیده ستارگان عظیمی هستند که به صورت ابرنواختر منفجر شدند. جرم هر کدام بیشتر از خورشید در یک توپ به قطر تقریبا 12 مایل (20 کیلومتر) است. برخی که تپ اختر نامیده می شوند، به سرعت می چرخند و پرتوهای امواج رادیویی را مانند فانوس های دریایی کیهانی در آسمان جارو می کنند. چرخش آنها به قدری ثابت است که پالس های آنها مانند ساعت های فوق العاده دقیق عمل می کند.

تعداد بسیار کمی تپ اختر به دور ستاره نوترونی دیگری می چرخند. جین لین هان، یکی از نویسندگان این مطالعه، ستاره شناس رصدخانه ملی نجوم آکادمی علوم چین، از طریق ایمیل به Live Science گفت: «فقط 30 چنین سامانه ستاره ای دوگانه نوترونی وجود دارد، و اثرات نسبیتی اگر در مدارهای فشرده باشند، بسیار قوی است.

اولین چنین جفتی که در سال 1974 کشف شد و به عنوان دوتایی هالس-تیلور شناخته شد، اولین شواهدی را برای امواج گرانشی ارائه کرد - امواج در فضا-زمان پیش بینی شده توسط انیشتین. چنین امواجی انرژی را از یک جفت در حال گردش دور می‌کنند، بنابراین مدار آن باید به تدریج کوچک شود و مدار هالس-تیلور دقیقا با سرعتی که نظریه انیشتین پیش‌بینی کرده بود کوچک شد.

بعدا، "تپ اختر دوتایی" که هر 2.45 ساعت یک بار یک مدار را کامل می کند، با نرخ پیش بینی شده در حدود 0.01٪ مطابقت داشت. در نهایت، این انقباض این جفت‌ها را مجبور به ادغام می‌کند و امواج گرانشی را آزاد می‌کند، مانند امواجی که رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری و تداخل سنج ویرجو در سال 2017 دریافت کردند.

یک جفت تازه کشف شده

سیستم جدید با نام PSR J1856-0039 تقریبا در فاصله 4200 تا 6500 سال نوری از زمین قرار دارد. در سال 2020، در بررسی قرص کهکشان راه شیری توسط تلسکوپ رادیویی کروی با دیافراگم پانصد متری چین (FAST)، بزرگ‌ترین تلسکوپ رادیویی تک ظرفی جهان، مشخص شد.

هان درباره کار تیمش گفت: ما حدود 900 تپ اختر را کشف کرده ایم. پس از چند مشاهده، این یکی بسیار خارق‌العاده است.»

تپ اختر حدود 43 بار در ثانیه می چرخد ​​و این دو ستاره تقریبا دو برابر فاصله زمین و ماه از یکدیگر فاصله دارند. هان گفت، اما "جذاب ترین ویژگی" دوره مداری کوتاه حدود 2.36 ساعت است. این دومین کوتاه ترین است و باید اثرات نسبیتی قوی تری نسبت به تپ اختر دوگانه معروف و سیستم هالس-تیلور نشان دهد.

این تیم این جفت را با FAST 17 بار بین سال‌های 2020 تا 2025 مشاهده کردند که گاهی به اندازه‌ای طولانی بود که یک مدار کامل را پوشش دهد. محققان زمان رسیدن پالس‌های سیستم را اندازه‌گیری کردند و سپس این داده‌ها را با مدل‌های مداری که اثرات نسبیتی مانند تغییرات ظریف در زمان‌های رسیدن پالس در بخش‌های مختلف مدار ستاره‌ها را به حساب می‌آورد، تطبیق دادند.

هان گفت: «با اندازه‌گیری‌های بسیار زیاد توسط FAST، که تطبیق آن‌ها با تلسکوپ‌های دیگر دشوار است، ما نه تنها پارامترهای اصلی تپ‌اختر و مدار آن، بلکه سه اثر نسبیتی را نیز دریافت کردیم.

اول، با تابش امواج گرانشی ستارگان، مدار در حال کوچک شدن است و هر سال آنها را حدود 9 فوت (2.7 متر) نزدیک‌تر می‌کند. دوم، مدار بیضی شکل به آرامی می چرخد، 17.6 درجه در سال - حدود 150000 برابر سریعتر از رانش نسبیتی مدار عطارد. سوم، به دلیل اینکه هم گرانش و هم سرعت زمان کند، ساعت تپ اختر با سرعت متفاوتی در امتداد مدار بیضی شکل حرکت می کند و پالس های آن را تا حدود نیم میلی ثانیه جابجا می کند.

تصویری از دو ستاره نوترونی که امواج گرانشی (بنفش) را در حالی که در یک مدار دوتایی در حال فشرده شدن به سمت یکدیگر حرکت می کنند، تولید می کنند. سرعت این انقباض مداری آزمایشی طبیعی از نظریه یا نسبیت اینشتین ارائه می دهد. (اعتبار تصویر: ESA) هان توضیح داد: "از این اندازه گیری ها، جرم تپ اختر و جرم همراه را تعیین کردیم." جرم کل کمترین جرم در میان تمام سیستم‌های ستاره‌های نوترونی دوگانه شناخته شده است. این تپ اختر حدود 1.3 برابر خورشید وزن دارد و همدم آن فقط 1.19 جرم خورشیدی دارد که یکی از کم جرم ترین ستاره های نوترونی شناخته شده است.

شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که ابرنواخترها نمی‌توانند ستاره‌های نوترونی بسیار سبک‌تر از آن بسازند.

ستاره ها در حدود 82 میلیون سال ادغام خواهند شد. محققان تخمین می زنند که این ادغام احتمالا یک ستاره نوترونی سنگین تر با جرم حدود 2.26 خورشیدی را پشت سر می گذارد، اگرچه این باقیمانده می تواند در عوض به یک سیاهچاله سقوط کند.

یک برد دیگر برای انیشتین

هر دو اثر از سه اثر برای محاسبه جرم هر دو ستاره کافی است. سومی به عنوان یک بررسی مستقل عمل می کند، زیرا اگر نسبیت عام درست باشد، هر سه باید به توده های یکسانی اشاره کنند - و این کار را می کنند.

داستان های مرتبط

موج گرانشی رکوردشکنی نسبیت انیشتین را در سخت ترین آزمایش خود قرار می دهد - و دوباره حق با او را ثابت می کند

دانشمندان منطقه عجیب و غریبی را در اطراف سیاهچاله ها کشف کردند که بار دیگر حق انیشتین را ثابت می کند

آیا اینشتین در مورد چیزی اشتباه می کرد؟

هان گفت: "ما دریافتیم که نسبیت عام برای توضیح داده ها مورد نیاز است و سازگاری حدود 1٪ است." تست تپ‌سر دوگانه دقیق‌تر است، اما از داده‌های 16 ساله استفاده می‌کند، در حالی که برای جفت جدید حدود پنج سال است. هان با اشاره به امید فیزیکدانان برای یافتن شکاف هایی در نظریه انیشتین که ممکن است فیزیک جدید را آشکار کند، افزود: متأسفانه، ما نتوانستیم این توصیف از گرانش را شکست دهیم.

در مرحله بعد، این تیم امیدوار است که "کشش قاب" را تشخیص دهد، اثری که در آن یک جرم در حال چرخش فضا-زمان را به دور خود می‌پیچد و مدارهای مجاور را می‌چرخاند. هان گفت: «در آینده، احتمالا طی دهه‌ها، این تپ‌اختر را رصد خواهیم کرد تا کشش قاب ناشی از چرخش ستاره نوترونی را تشخیص دهیم.

اندازه‌گیری اثر، ممان اینرسی تپ‌اختر را نشان می‌دهد، که بستگی به نحوه پخش جرم آن در داخل دارد. هان گفت که این یک «محدودیت جدید» در مورد نحوه رفتار ماده در چگالی خرد شدن هسته‌های ستاره‌های نوترونی ایجاد می‌کند که یکی از بزرگترین سؤالات باز در فیزیک است.

با امتحان سیاهچاله ما ببینید چقدر در مورد سیاهچاله ها می دانید!