ما حجم نجم نيوتروني؟

النجم النيوتروني هو النواة المنهارة لنجم ضخم انفجر على هيئة مستعر أعظم، وهو الانفجار الذي ينهي حياة بعض النجوم الكبيرة. يجمع النجم النيوتروني كتلة تفوق كتلة الشمس في كرة بعرض نحو 24–26 كيلومترًا. وهذا العرض هو القطر، أي المسافة المقيسة بخط مستقيم يمر بمركز الكرة.

الحجم

يعتقد العلماء أن للنجم النيوتروني قشرة صلبة من ذرات ثقيلة تقع تحت غلاف جوي رقيق من الهيدروجين أو الهيليوم. ولذلك يكون له سطح يمكن قياس أبعاده. وتأتي القياسات الدقيقة من NICER، وهو تلسكوب للأشعة السينية على متن محطة الفضاء الدولية.

يدرس NICER النجوم النابضة، وهي نجوم نيوترونية تدور بسرعة كبيرة. وباستخدام بياناته، توصل علماء الفلك إلى أن قطر النجم النابض PSR J0030+0451 يبلغ نحو 26 كيلومترًا، وأن كتلته نحو 1.4 ضعف كتلة الشمس. أما PSR J0740+6620، وكتلته نحو 2.1 ضعف كتلة الشمس، فقد بلغ قطره نحو 25 كيلومترًا في تحليل أحد الفرق، ونحو 27 كيلومترًا في تحليل فريق آخر. وفي عام 2024 قيس قطر نجم نابض ثالث هو PSR J0437−4715، فبلغ نحو 23 كيلومترًا.

تحيط بكل نتيجة من هذه النتائج درجة من عدم اليقين تبلغ بضعة كيلومترات. وبجمع نتائج أول نجمين نابضين مع ملاحظات أخرى، وجد فريق في عام 2021 أن نصف قطر نجم نيوتروني نموذجي، تبلغ كتلته 1.4 ضعف كتلة الشمس، يساوي 12.45 كيلومترًا بزيادة أو نقصان قدره 0.65. وهذا يعني أن قطره نحو 24–26 كيلومترًا.

مقارنات الحجم

تقارن ناسا عرض النجم النيوتروني بطول جزيرة مانهاتن في مدينة نيويورك.
الجري مرة واحدة حول خط استواء نجم نيوتروني قطره 24 كيلومترًا يعني قطع نحو 75 كيلومترًا، أي ما يعادل طول نحو 1.8 ماراثون.
فوبوس، وهو أكبر قمري المريخ، يبلغ طوله نحو 27 كيلومترًا، أي أكثر قليلًا من عرض نجم نيوتروني. ومع ذلك تبلغ كتلة النجم النيوتروني النموذجي نحو 260 تريليون ضعف كتلة فوبوس.
يبلغ قطر الشمس نحو 1.39 مليون كيلومتر، أي 58,000 ضعف عرض نجم نيوتروني قطره 24 كيلومترًا.
لو جرى تصغير نجم نيوتروني إلى حجم كرة السلة، لكانت الشمس بالمقياس نفسه كرة يبلغ قطرها نحو 14 كيلومترًا.

كيف يتكوّن النجم النيوتروني

في نهاية حياة نجم تفوق كتلته كتلة الشمس بأضعاف كثيرة، ينفد الوقود من نواته. تنهار النواة تحت ثقلها، وينفجر النجم على هيئة مستعر أعظم. وتخلّف أثقل هذه النجوم ثقوبًا سوداء، أما الأخف منها فتخلّف نجومًا نيوترونية.

يسحق الانهيار بروتونات النواة وإلكتروناتها معًا فتتحول إلى نيوترونات، وهي الجسيمات التي أعطت النجم اسمه. وإذا كانت كتلة النواة المنهارة بين نحو 1 و3 أضعاف كتلة الشمس، يمكن للنيوترونات أن توقف الانهيار.

ما في داخله

يعتقد العلماء أن النجم النيوتروني مكوَّن من طبقات. وتحت القشرة يفكك الضغط الذرات إلى بحر معظمه من النيوترونات. وفي الأعماق تتراص النيوترونات بكثافة قد تصل إلى ضعف كثافة الجسيمات في نواة الذرة. أما الشكل الذي تتخذه المادة في المركز تمامًا فلا يزال مجهولًا.

في المتوسط، يحتوي كل سنتيمتر مكعب من نجم نيوتروني نموذجي على ما بين 300 مليون و400 مليون طن متري. ويتيح قياس حجم النجوم النيوترونية وكتلتها معًا للفيزيائيين معرفة كيف تتصرف مادة بهذه الكثافة. فكتلة PSR J0740+6620 تزيد على كتلة PSR J0030+0451 بما يقارب 50%، لكن لهما الحجم نفسه عمليًا. وتتعارض هذه النتيجة مع بعض التصورات التي تكون فيها المادة في المركز أسهل انضغاطًا.

النجوم النابضة واكتشافها

اقترح فالتر بادي وفريتز زويكي في عام 1934 وجود النجوم النيوترونية. واكتشفت جوسلين بيل بورنيل أولى النجوم النابضة في عام 1967. ومعظم النجوم النيوترونية المعروفة تُرصد على هيئة نجوم نابضة. يرسل كل منها حزمًا تجتاح السماء أثناء دورانه، كما يفعل ضوء المنارة، فيبدو كأنه يضيء ويخبو.

قد تدور النجوم النابضة بسرعة كبيرة جدًا. فالنجم PSR J0740+6620 يدور 346 مرة في الثانية. ويسجّل NICER وقت وصول كل شعاع سيني من نجم نابض بهامش لا يتجاوز 100 نانوثانية، أي 100 جزء من مليار من الثانية. ويبيّن تغيّر السطوع مدى قوة انحناء الضوء بفعل النجم، ومن ذلك ومن كتلة النجم يستطيع العلماء حساب حجمه.