بلايين السنين من الآن ، عندما تكون الشمس في خضم الموت الأخير (أي بعد أن تبخرت الأرض بالفعل) ، سوف ينهار قلب الهيليوم على نفسه ، ويذبل في كرة مضغوطة بإحكام من الغاز المتوهج يسمى قزم أبيض .
ولكن بينما تنتشر شواهد القبور النجمية هذه بالفعل المناظر الطبيعية المجرية ، فإن تصميماتها الداخلية لا تزال لغزًا في الفيزياء - وهذا ليس مفاجئًا ، نظرًا لكونها غريبة.
في الآونة الأخيرة ، ابتكر زوج من الباحثين نموذجًا متطورًا "للنظر" في الداخل من قزم أبيض. وتخيل ماذا؟ يمكن لهذه الكرات الغريبة الكونية أن تضع الكمأ الأرضي في العار ، حيث يبدو أن لديها مراكز دسمة مليئة بالسوائل الكمومية الغريبة.
النجم الذي كان فخورًا ذات مرة
نجوم مثل شمسنا تحصل على طاقتها عن طريق دمج الهيدروجين في الهيليوم في أعماق قلبها. لا يمكن أن يستمر صنع الطاقة هذا إلى الأبد - في نهاية المطاف ، ينفد الهيدروجين المتاح وتتوقف الحفلة. ولكن قرب نهاية حياتها ، يمكن للنجوم أن تضيء المصابيح لفترة وجيزة من خلال حرق الهيليوم ، تاركة وراءها قلبًا خامدًا خاملًا من الكربون والأكسجين.
لكن النجوم الصغيرة مثل شمسنا ليس لديها ما يكفي من الجاذبية لدمج الكربون والأكسجين في أي عناصر أثقل مثل المغنيسيوم أو الحديد ، وبالتالي تموت ، وتحول نفسها إلى الداخل وتحرر أجواءها إلى شكل جميل (أو دموي ، اعتمادًا على وجهة نظر) سديم كوكبي.
يبقى هذا النواة من الكربون والأكسجين في الخلف ، جزء كبير من كتلة النجم مقفل داخل قلب لا يزيد حجمه عن الأرض. عندما اكتشف الفلكيون لأول مرة هذه الأجسام الغريبة - المعروفة الآن بالأقزام البيضاء - اعتقدوا أنها مستحيلة ، مع ارتفاع الكثافة المحسوبة فوق مليار مرة من الهواء الذي نتنفسه. كيف يمكن أن يكون لشيء ما مثل هذه الكثافة الشديدة ولا ينهار ببساطة تحت ثقله الرهيب؟
لكن الأقزام البيضاء ليست مستحيلة ، وقد حلت الأفكار النظرية في أوائل القرن العشرين لغز كيفية وجود الأقزام البيضاء. جاء الجواب في شكل ميكانيكا الكم ، وإدراك أن الطبيعة ، عند الكثافات العالية ، هي ، ببساطة ، غريبة للغاية. في حالة الأقزام البيضاء ، يمكن تعبئة عدد معين فقط من الإلكترونات في الداخل. نظرًا لأن هذه الإلكترونات الدوارة تتنافر ، فإنها تخلق معًا ضغطًا كافيًا للحفاظ على تضخم النجوم الميتة ، مع تحمل حتى قوى الجاذبية الساحقة تقريبًا.
وهكذا يمكن للجثث النجمية أن تعيش على تريليونات السنين.
مراكز مليئة بالقشدة
في حين أظهرت هذه الحسابات المبكرة كيف يمكن للأقزام البيضاء أن توجد في عالمنا ، عرف علماء الفيزياء الفلكية أن الأوصاف البسيطة لن تلتقط تمامًا ما يحدث في هذه النوى الغريبة. بعد كل شيء ، هذه حالة من المواد لا يمكن الوصول إليها تمامًا للمختبرات والتجارب هنا على الأرض - من يدري ما هي الألعاب الغريبة التي قد تصل إليها الطبيعة ، في أعماق هذه القلوب الميتة؟
يتساءل الفيزيائيون وعلماء الفلك على حد سواء عن التصميمات الداخلية للأقزام البيضاء لعقود حتى الآن ، وفي ورقة حديثة ظهرت في مجلة arXiv ما قبل الطباعة ، اقترح زوج من الفيزيائيين النظريين الروس نموذجًا جديدًا للنوى العميقة في الأقزام البيضاء ، بالتفصيل كيف يبني نموذجهم على عمل سابق وينحرف عنه ، وكيف يمكن للمراقبين معرفة ما إذا كان نموذجهم الجديد دقيقًا.
في هذا النموذج الجديد ، قام العلماء بمحاكاة قلب القزم الأبيض على أنه يتكون من نوع واحد فقط من النوى المشحونة الثقيلة (وهذا ليس دقيقًا تمامًا ، لأن الأقزام البيضاء هي مزيج من عدة عناصر مثل الكربون والأكسجين ، ولكنها نقطة انطلاق جيدة) ، مع غمر هذه الجسيمات في حساء سميك من الإلكترونات.
يفترض هذا الإعداد أن الأقزام البيضاء دافئة بما يكفي للحصول على تصميمات داخلية سائلة ، وهو افتراض معقول ، نظرًا لأنه عندما يولدون (أو بالأحرى ، عندما يتعرضون أخيرًا بعد وفاة النجوم المضيفة) ، لديهم درجات حرارة جيدة ما يزيد عن مليون درجة كلفن.
تتعرض الطبقات الخارجية من قزم أبيض إلى بيئة شديدة البرودة من فراغ نقي ، مما يسمح للهيدروجين بالاستقرار على السطح ، مما يمنحهم جوًا رقيقًا وخفيفًا. وفي الأوقات الصعبة ، يبرد الأقزام البيضاء ، مشكلاً في النهاية بلورة عملاقة ، ولكن هذا بعيد بما فيه الكفاية أنه في معظم الأحيان ، تمتلئ الأقزام البيضاء بسائل كمّي غريب من الكربون والأكسجين ، لذا فإن النموذج المستخدم في هذه الدراسة دقيقة نسبيًا لجزء كبير من عمر القزم الأبيض.
أسطح التوقيع
نظرًا لأن أحشاء القزم الأبيض تمثل واحدة من أكثر البيئات غير العادية في الكون ، فإن دراستها يمكن أن تكشف عن بعض الخصائص العميقة لميكانيكا الكم في الظروف القاسية. ولكن بما أن العلماء لا يمكنهم أبدًا أن يأملوا في القفز في قزم أبيض قريب لإحضاره للتشريح ، فكيف يمكننا أن نلقي نظرة تحت غطاء المحرك؟
أظهر باحثو النموذج الجديد كيف يمكن أن يكون الضوء المنبعث من الأقزام البيضاء حرارة مختلفة. لا تولد الأقزام البيضاء الحرارة بمفردها ؛ درجات الحرارة المكثفة هي نتيجة لضغوط الجاذبية الشديدة التي واجهوها عندما كانوا داخل النجوم. ولكن بمجرد أن ينفجر نجمهم المضيف ويتعرضون للفضاء ، يتوهجون بشكل مكثف - في أول بضعة آلاف من السنوات بعد الكشف عنهم الكبير ، يكونون ساخنين جدًا وينبعثون إشعاعًا بالأشعة السينية.
لكن يبردوا يفعلون ، ببطء شديد ، يتسربون حرارتهم كإشعاع في الفضاء. ونحن نراقب الأقزام البيضاء لفترة طويلة بما يكفي لنراها تهدأ على مدى سنوات وعقود. تعتمد سرعة تبريدها على مدى كفاءة هروب حُبسها العالقة إلى أسطحها - وهذا بدوره يعتمد على طبيعة أحشاءها بالضبط.
ميزة أخرى أظهرها الباحثون يمكن استخدامها للتحقيق داخل الأقزام البيضاء هي تمايلها البسيط. Akin إلى الطريقة التي يتم بها استخدام علم الزلازل لدراسة قلب الأرض ، فإن مكياج وشخصية القزم الأبيض يغير كيف ستعرض الاهتزازات نفسها على السطح.
أخيرًا ، يمكننا استخدام مجموعات من الأقزام البيضاء للحصول على تلميح حول تصميماتهم الداخلية ، لأن العلاقة بين كتلهم وأحجامهم تعتمد على العلاقات الكمية الميكانيكية الدقيقة التي تحكم تصميماتهم الداخلية.
على وجه الخصوص ، يشير البحث الجديد إلى أن معظم الأقزام البيضاء يجب أن يبردوا أسرع مما كنا نعتقد ، ويهتز أقل قليلاً مما توحي به النماذج القديمة وأن يكون أكبر قليلاً من المتوقع مما لم نأخذ في الاعتبار هذا النموذج الأكثر واقعية. الآن الأمر متروك لعلماء الفلك لإجراء قياسات دقيقة بما يكفي لمعرفة ما إذا كنا نفهم حقًا هذه البيئات الغريبة ، أو إذا كنا بحاجة إلى أخذ صدع آخر في ذلك.
- 8 طرق يمكنك من خلالها رؤية نظرية النسبية لأينشتاين في الحياة الحقيقية
- 11 حقائق رائعة عن مجرتنا درب التبانة
- أكبر 11 سؤالا بلا إجابة حول المادة المظلمة
بول م. سوتر فيزيائي فلكي في جامعة ولاية أوهايومضيف اسأل رائد فضاء و راديو الفضاء، ومؤلف كتاب مكانك في الكون.
