نظام نجمي نيوتروني يثبت صحة نظرية آينشتاين بدقة عالية
نظام نجمي نيوتروني مزدوج خفيف الكتلة يثبت صحة نظرية النسبية العامة بدقة 1% عبر رصد موجات جاذبية وانكماش مداري باستخدام تلسكوب فاست العملاق اكتشاف يعزز فهمنا للجاذبية ويقربنا من أسرار الكون في وورلد برس عربي
-لم تجد أدقّ اختبارات النسبية العامة حتى الآن ما يكسرها، وها هو نظام نجمي جديد يعيد الدرس نفسه. رصد فلكيون النظام PSR J1856-0039، وهو أخفّ نظام نجميٍّ نيوتروني مزدوج معروف من حيث الكتلة الكلية. حركته تتطابق مع تنبؤات آينشتاين بنسبة تقارب 1%، ونجماه سيندمجان بعد نحو 82 مليون سنة، وهو اندماج قد يُنتج موجات جاذبية.
نُشرت النتائج في 15 سبتمبر في مجلة «فيزيكال ريفيو ليترز» (Physical Review Letters). وتعتمد الدراسة على رصدٍ فلكي طويل لنظام واحد، لا على تجربة مخبرية. وقد أجرت «لايف ساينس» (Live Science) مقابلة مع JinLin Han، وهو من المشاركين في إعداد الدراسة وفلكي في المراصد الفلكية الوطنية التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم.
ما الذي رُصد بالضبط؟
يبعد النظام عن الأرض بين 4200 و6500 سنة ضوئية. التقطه تلسكوب «فاست» (FAST) عام 2020 أثناء مسحٍ لقرص مجرة درب التبانة. و«فاست» هو أكبر تلسكوب راديوي أحادي الطبق في العالم.
يتكوّن النظام من نجمين نيوترونيين. والنجم النيوتروني هو اللبّ المنهار لنجمٍ ضخم انفجر مستعراً أعظم. يحزم كلٌّ منهما كتلةً أكبر من كتلة الشمس في كرة قطرها نحو 20 كيلومتراً (قرابة 12 ميلاً). أحد النجمين نجمٌ نابض (Pulsar)، يدور بسرعة نحو 43 دورة في الثانية ويمسح أفق السماء بحزم من الموجات الراديوية. وانتظام دورانه يجعل نبضاته ساعةً دقيقة.
أما كتلته فنحو 1.3 كتلة شمسية، وكتلة رفيقه 1.19 كتلة شمسية. المجموع هو الأدنى بين أنظمة النجوم النيوترونية المزدوجة المعروفة. وتفيد المحاكاة بأن المستعرات العظمى لا تُنتج نجوماً نيوترونية أخفّ بكثير من رفيقه هذا.
يتبادل النجمان الدوران كل ساعتين و22 دقيقة، أي نحو 2.36 ساعة، وتفصل بينهما مسافة تعادل نحو ضعف المسافة بين الأرض والقمر. وهذا ثاني أقصر زمن مداري بين الأنظمة التي ناقشتها الدراسة. وفي هذا يقول Han إن الأنظمة المماثلة قليلة، وإن آثار النسبية تقوى كلما ضاق المدار:
«لا يوجد سوى 30 نظاماً من هذا النوع من النجوم النيوترونية المزدوجة، وتكون التأثيرات النسبية قوية جداً إذا كانت في مدارات مضغوطة».
وبحسب Han، فإن عدد الأنظمة المعروفة هو 30 فقط، رغم أن فريقه اكتشف نحو 900 نجم نابض. وقال: «اكتشفنا نحو 900 نجم نابض». ثم أضاف عن هذا النظام: «بعد بضع عمليات رصد متابعة، تبيّن أن هذا النظام استثنائي جداً». وهو يصف المدار الضيق بأنه «الميزة الأكثر جاذبية».
كيف تُختبر النسبية العامة بنجمين يتراقصان؟
راقب الفريق النظام بـ«فاست» 17 مرة بين 2020 و2025. ثم طابق أزمنة وصول النبضات مع نماذج مدارية تأخذ في الحسبان الآثار النسبية. وخرج بثلاثة آثار قابلة للقياس:
انكماش المدار: يتقلّص المدار بنحو 2.7 متر (قرابة 9 أقدام) كل عام. والسبب أن موجات الجاذبية تحمل الطاقة بعيداً عن الأزواج المتدوّرة، فيضيق مدارها.
مبادرة المدار (Precession): الشكل البيضاوي للمدار يدور بمعدل 17.6 درجة في السنة. وهذا الانجراف أسرع بنحو 150,000 مرة من الانجراف النسبي لمدار عطارد.
تغيّر توقيت ساعة النجم النابض: تنزاح نبضاته بما يصل إلى نحو نصف ميلّي ثانية.
والمنهج هنا ذو قيمة. فأي أثرين من الثلاثة يكفيان لحساب كتلتي النجمين، ويعمل الأثر الثالث فحصاً مستقلاً. وعن ذلك قال Han:
«بفضل هذا العدد الكبير من القياسات التي أجراها (فاست)، والتي يصعب أن تُضاهيها تلسكوبات أخرى في الدقة، حصلنا لا على المعاملات الأساسية للنجم النابض ومداره فحسب، بل على ثلاثة آثار نسبية أيضاً».
وأضاف: «من هذه القياسات حدّدنا كتلة النجم النابض وكتلة رفيقه». وتابع: «الكتلة الكلية هي الأدنى بين جميع أنظمة النجوم النيوترونية المزدوجة المعروفة».
والنتيجة أن الآثار الثلاثة تتّسق مع النسبية العامة بنسبة تقارب 1%. وقال Han: «وجدنا أن النسبية العامة ضرورية لتفسير البيانات، وأن الاتساق يبلغ نحو 1%». ثم أضاف: «للأسف، لم نتمكن من تجاوز هذا الوصف للجاذبية».
هل هو أدقّ اختبار؟ لا، وهذا مهم
من الإنصاف وضع الرقم في سياقه. فاختبار «النجم النابض المزدوج» (double pulsar) أدقّ من اختبار النظام الجديد. وهو نظام يتم مداره في 2.45 ساعة، وتطابق تحلّله المداري المقيس مع التنبؤ في حدود نحو 0.01%. لكنّ ذلك الاختبار استند إلى 16 عاماً من البيانات، في حين استند الاختبار الجديد إلى نحو خمس سنوات فقط.
أما نظام هالس-تايلور (Hulse-Taylor)، وهو أول زوج نجمي نيوتروني معروف واكتُشف عام 1974، فقد انكمش مداره بالمعدل الذي تنبأت به نظرية آينشتاين. وكان ذلك أول دليل على وجود موجات الجاذبية. وعن النظام الجديد قال Han:
«هذا هو ثاني أقصر نظام، ولا بد أن يُظهر آثاراً نسبية أقوى من (النجم النابض المزدوج) الشهير ومن نظام هالس-تايلور».
ماذا بعد؟ اندماجٌ مؤجَّل وأسئلةٌ مفتوحة
يُتوقع أن يندمج النجمان بعد نحو 82 مليون سنة. وقد تبلغ كتلة المخلّفات نحو 2.26 كتلة شمسية، وقد ينهار الجسم الناتج بدلاً من ذلك ثقباً أسود. وكان رصد «ليغو» (LIGO) و«فيرجو» (Virgo) عام 2017 لموجات جاذبية ناجمة عن اندماج من هذا النوع قد جعل مثل هذه الأحداث قابلة للرصد المباشر. أما هذا الزوج فسيبقى بعيداً عن ذلك زمناً طويلاً.
ويعوّل الفريق على المراقبة الطويلة، إذ يقول Han: «في المستقبل، سنواصل رصد هذا النجم النابض، ربما على مدى عقود، لاكتشاف سحب الإطار (Frame dragging) الناجم عن دوران النجم النيوتروني». وسحب الإطار ظاهرة يلتوي فيها الزمكان حول كتلة دوّارة فتتأرجح المدارات القريبة. وقياسه قد يكشف عزم القصور الذاتي للنجم النابض، وهو كمية تتحدد بطريقة توزّع الكتلة داخله. ويستخدم Han عبارة «قيد جديد» في وصف هذا الأفق.
وتبقى مادة لبّ النجم النيوتروني، تحت كثافات ساحقة، من أكبر الأسئلة المفتوحة في الفيزياء. وكل نظام جديد يُقاس بهذه الدقة يضيّق مساحة التخمين.
أخبار ذات صلة
مسبار الشمس يكتشف منشأ الانقلابات المغناطيسية العملاقة في الرياح الشمسية
تجارب نباتية في المدار: عالم النبات يستكشف الزراعة في الفضاء
سحابة المريخ الغامضة قد تتحدّى قوانين الفيزياء التقليدية
