تحول ستارگان- قسمت ۳

۳/۲ +

۳/۱

۵/۱

۳/۱ –

۳/۱

۷/۴

۳/۲ +

۳/۱

۱۸۰

۱-۳-۲ ماده ی کوارکی
با اینکه تا به حال کوارک آزاد مشاهده نشده است، طبق نظریه‌ی QCD کوارک ها در چگالی های بالا وقتی خیلی به هم نزدیک می‌شوند به طور ضعیف با هم برهمکنش می‌کنند و آزاد می‌باشند که به این رفتار آزادی مجانبی می‌گویند.
اگر شعاع یک هادرون معمولی مانند پروتون را که fm 1 است در نظر بگیریم پیش‌بینی می شود که در چگالی حدود هادرون‌ها یکدیگر را لمس می‌کنند و در چگالی‌های به اندازه‌ی کافی بالا مرزهای هادرونی شکسته می‌شود. در ستاره‌های نوترونی، هادرون‌های پروتون و نوترون وجود دارد. می‌دانیم که پروتون از دو کوارک بالا ( u ) و یک کوارک پایین ( d ) تشکیل شده است و نوترون نیز از یک کوارک u و دو کوارک d تشکیل شده است.
در واپاشی بتازای منفی یک کوارک پایین به یک کوارک بالا تبدیل می‌شود، همراه با انتشار یک بوزون و این بوزون متعاقباً به یک الکترون و آنتی نوترینو تبدیل می‌شود. واپاشی بتازای منفی در هسته‌هایی رخ می‌دهد که زیادی نوترون دارند و گرمای تولید شده از این واکنش به دو قسمت تقسیم می‌شود. قسمتی از آن تبدیل به انرژی جنبشی می‌شود و بقیه‌ی آن توسط ذره‌ی آنتی نوترینو حمل می‌شود. در ستاره‌های نوترونی نیز جایی که چگالی طوری باشد که کوارک‌ها بتوانند درجه‌ی آزادی سیستم را تشکیل بدهند و دیگر مقید نباشند، این برهم‌کنش ها اتفاق می‌افتد و کوارک‌های u و d که آزاد شده اند می‌توانند یک برهم‌کنش ضعیف به یکدیگر و سایر کوارک‌ها تبدیل شوند. این تبدیل طوری صورت می‌گیرد که انرژی فرمی کمتری حاصل شود، یعنی ذرات سبک می‌توانند در این تبدیل شرکت کنند. چون ذرات سبک‌تر در چگالی پایین تری نسبیتی می شوند، بنابراین راحت تر از ذرات سنگین نسبیتی می شوند. به همین دلیل کوارک های u ، d و s که از بقیه سبک ترند درون ماده‌ی کوارکی وجود دارند و مقداری الکترون که برای خنثایی بار در نظر گرفته می‌شود. انواع دیگر کوارک‌ها به دلیل جرم زیاد، نمی‌توانند در ماده‌ی کوارکی وجود داشته باشند. به عنوان مثال کوارک c برای تشکیل نیاز به چگالی حدود دارد که حدود ۱۰۰ برابر چگالی موجود در هسته ستاره‌ی کوارکی است. بنابراین ماده‌ی کوارکی یک گاز فرمی نسبیتی است (به علت چگالی بسیار بالا) که شامل سه کوارک ذکر شده می‌باشد. یعنی ما با ماده‌ای سروکار داریم که تنها از کوارک های u ، d و s و مقداری الکترون که برای خنثایی بار در نظر گرفته می شود تشکیل شده است. البته کسر الکترون‌ها آنقدر کوچک است که در محاسبات از آن ها صرف نظر می‌شود.
انتظار می‌رود که چنین سیستمی به دو صورت وجود داشته باشد:
الف) ماده‌ی کوارکی که به تنهایی پایدار نیست و توسط ماده‌ی هادرونی احاطه شده است. هسته‌ی ستاره‌ی نوترونی، جایی که چگالی بسیار بالا می‌باشد یکی از بهترین کاندیداهای ماده‌ی کوارکی در جهان است که توسط محققان زیادی بررسی شده است. به ستارگانی که در آن ها هسته‌ی کوارکی به وسیله‌ی ماده‌ی هادرونی پوشیده شده است، ستاره‌ی هیبریدی گفته می‌شود.
ب) ماده‌ی کوارکی که به تنهایی پایدار است. ستاره‌ی کوارکی نمونه‌ای از این مورد می‌باشند که یک سیستم مجزا بدون هیچ ماده‌ی هادرونی هستند.
۱-۳-۳ ستاره های کوارکی
اختر فیزیکدانان با مشاهدات فیزیکی خود، بر آن باورند که ستاره‌هایی چگال‌تر از ستاره‌های نوترونی وجود دارند، یعنی ستاره‌هایی ساخته شده از ماده‌ای چگال‌تر از ماده‌ی هسته‌ای. می‌دانیم هسته‌ی یک ستاره‌ی نوترونی از ماده‌ی هسته‌ای (nuclear matter) تشکیل شده است [۱۳]. ماده‌ی هسته‌ای متشکل از پروتون‌ها، نوترون ها، الکترون‌ها ( برای تضمین خنثایی بار الکتریکی) و دیگر ذرات مثل پایون ها، مزون ها و غیره است [۱۳]. مشخص شده است که ماده‌ی هسته‌ای شبه پایدار است و با تبدیل شدن به ماده‌ی کوارکی شگفتی (strange quark matter) مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند و به پایداری می‌رسد. این ماده‌ی کوارکی شگفتی پایدارترین حالت ماده است که تا کنون شناخته شده است. تبدیل ماده‌ی هسته‌ای به ماده‌ی کوارکی فقط در هسته‌ی ستاره‌‌های نوترونی رخ می‌دهد. به بیان دیگر می‌توان گفت تنها مکانی که چگالی به حد کافی برای تولید ماده‌ی‌کوارکی وجود دارد هسته‌ی ستاره‌های نوترونی است.
بنابراین یک طبقه‌ی جدید از ستارگان فشرده (compact stars) که از رمبش ستاره‌های نوترونی به وجود می‌آیند و پایدار‌تر از ستاره‌های نوترونی هستند وجود دارند [۱۴]. بهترین کاندید برای چنین تبدیلی ستاره‌های نوترونی با جرم ۵/۱ تا ۸/۱ جرم خورشید و با اسپین سریع می‌باشند. البته ستاره‌های نوترونی با این جرم و حالت اسپینی یک درصد ستاره‌های نوترونی شناخته شده را تشکیل می‌دهند، اما تحقیقات نشان می‌دهند که روزانه دوعدد از این تبدیلات در کهکشان راه شیری اتفاق می‌افتد و بنابراین تعداد زیادی ستاره‌های کوارکی در جهان وجود دارد. عاملی که باعث جلوگیری از رمبش ستاره‌های کوارکی می‌شود، فشار تبهگنی کوارک‌ها می‌باشد که با فشار گرانشی به تعادل می‌رسد.
رمبش ستاره‌های نوترونی ممکن است منجر به تولید ستاره‌های کوارکی و یا ستاره‌های هیبریدی شود. همچنین تحت شرایط خاصی، هسته‌ی رمبنده از انفجار ابرنواختر نوع II می‌تواند مستقیماً به ستاره‌ی کوارکی تبدیل شود.
۱-۳-۳-۱ ستاره‌ی کوارکی خالص
وجود ستاره‌های کوارکی متشکل از ماده‌ی کوارکی، برای اولین بار توسط ایتو (Itoh) حتی پیش از اینکه نظریه‌ی QCD به طور کامل ارائه شود مطرح شد[۹].
ستاره‌ی کوارکی از مرکز تا سطح خود از ماده‌ی کوارکی تشکیل شده است و تنها ممکن است یک لایه‌ی ماده‌ی هسته‌ای روی سطح آن وجود داشته باشد. این پوسته‌ی هسته‌ای به وسیله‌ی یک لایه از دوقطبی‌های الکتریکی ونیروی جانب به مرکز به هسته‌ی کوارکی چسبیده‌اند.
به تعبیر دیگر می‌توان گفت اگر بعد از انفجار ابرنواختری نوع II و درست چند دقیقه قبل از تولد ستاره‌ی نوترونی یعنی در مرحله‌ی proto-neutron چگالی و دما به اندازه‌ی کافی ( و T= 30 MeV) بالا باشد، قبل از اینکه الکترون و پروتون در فرایند نابودی بتا شرکت کنند، پروتون‌ها و نوترون‌ها تحت فشار و دمای بالا به اجزای تشکیل دهنده‌ی خود یعنی کوارک‌ها تجزیه می‌شوند و یک ستاره‌ی کوارکی خالص مستقیماً متولد می‌شود. به این رخداد Quark-Nove گویند. یک داده‌ی مشاهداتی از این نوع ستاره‌ها نشان می‌دهد که جرم آن‌ها بیش از وشعاعی در حدود می‌باشد [۱۵]. نمونه دیگری از مشاهده‌ی ستاره‌ی کوارکی RX 185635 –۳۷۵۴ و ۳C58 می‌باشد [۱۶].
۱-۳-۳-۲ ستاره های هیبرید با قلب کوارکی
پس از تولد ستاره‌ی نوترونی، اگر چگالی در هسته‌ی ستاره به اندازه‌ی کافی( ) بالا باشد، فشار روی باریون‌ها چنان زیاد می‌شود که به اجزای تشکیل دهنده‌ی خود یعنی کوارک ها تجزیه می‌شوند. در این حالت امکان دارد پوسته‌ای نازک از باریون‌ها اطراف قلب کوارکی را فرا گرفته باشد. به این ستاره‌ی فشرده، ستاره‌ی هیبرید با قلب کوارکی گویند. در حقیقت ستاره‌های هیبرید در اثر رمبش جزئی ستاره‌های نوترونی حاصل می‌شوند و تنها قسمتی از آن‌ها به ستاره‌ی کوارکی تبدیل شده است. محاسبات مربوط به جرم و شعاع این ستاره قبلاً انجام شده است [۱۷، ۱۸].
جرم و چگالی ستاره‌های کوارکی بین جرم و چگالی ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها قرار دارد. برای ستاره‌های کوارکی M می‌باشد که کاملاً با رابطه‌ی جرم-شعاع ستاره‌های نوترونی متفاوت می‌باشد. برخلاف ستاره‌های نوترونی که رابطه‌ی جرم-شعاع آن‌ها از شعاع‌های خیلی بزرگ شروع می‌شود، در مورد ستاره‌های کوارکی این رابطه از مبدأ شروع می‌شود. این ستاره‌ها جرم مینیمم ندارند. برای ستاره‌های کوارکی با ، شعاع حدود ۱۰ km است (این حالت مشابه ستاره‌های نوترونی است) [۱۹]. یک ستاره کوارکی دارای یک مرز مشخص است و با رفتن از مرکز ستاره به سطح آن، چگالی از حدود به صفر افت می کند [۲]. ستاره های کوارکی به طور موثر با انتشار نوترینو سرد می شوند.
۱-۴ میدان مغناطیسی ستارگان فشرده
یکی از مشخصه‌های بسیار مهم ستاره‌های فشرده (compact stars) میدان مغناطیسی آن‌ها می‌باشد.
میدان‌های مغناطیسی ستارگان فشرده می‌تواند منجر به رفتار‌های پیچیده شود. میدان‌های مغناطیسی در نتیجه‌ی پایداری شار مغناطیسی ستارگان به وجود می‌آید. ستاره‌های پرجرم که قابلیت تشکیل ستاره‌های فشرده دارند، دارای میدان مغناطیسی قابل توجهی هستند، که البته این میدان‌ها در مقایسه با میدان مغناطیسی اجرام فشرده ضعیف‌تر می‌باشند. هنگام تشکیل ستاره‌های فشرده، در نتیجه‌ی کاهش شعاع از مرتبه‌ی ، میدان مغناطیسی تا مرتبه‌ی G افزایش می یابد[۲۰]. همان‌طور که مشاهدات اخترفیریکی نشان می‌دهند، ستاره‌های فشرده از جمله ستاره‌های نوترونی، پالسارها، مگنتارها، و ستاره‌های کوارکی میدان‌های مغناطیسی قوی دارند که به طور نوعی میدان‌هایی در حدود تا می‌باشند [۲۱]. البته منشأ این میدان مغناطیسی هنوز برای اخترفیزیکدانان مسئله‌ی کاملاً حل شده‌ای نیست. بنابراین مطالعه‌ی اثرمیدان مغناطیسی قوی روی اجرام فشرده، از جمله ستاره‌ی کوارکی می‌تواند بسیار مورد توجه قرار گیرد. تا کنون، ستاره ی کوارکی پلاریزه در دمای صفر [۲۲] و در حضور میدان مغناطیسی قوی [۲۳] ، ستاره ی کوارکی در دمای معین [۲۴] ، ستاره‌ی کوارکی پلاریزه در دمای صفر و در حضور میدان مغناطسیس قوی با استفاده از مدل کیسه‌ای (B وابسته به چگالی ) [۲۵] و ستاره‌ی کوارکی پلاریزه در دمای معین و در حضور میدان مغناطسیس قوی با استفاده از مدل کیسه‌ای MIT ( B ثابت ) مورد بررسی قرار گرفته اند [۲۶].

دانلود کامل پایان نامه در سایت pifo.ir موجود است.