كيف تطلق أزواج النجوم المتزامنة أشعة الليزر الراديوية الكونية

لعقود من الزمن، رصد علماء الفلك نبضات راديوية غامضة قادمة من أعماق الفضاء. ومن أكثرها إثارة للحيرة تلك الصادرة عن أنظمة نجمية ثنائية تومض كل بضع دقائق—أبطأ بكثير من الطقطقة السريعة للنجوم النابضة النموذجية. الآن، استخدم باحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا محاكاة حاسوبية فائقة لإظهار كيف تولد أزواج النجوم المتزامنة هذه الانفجارات الراديوية الكونية طويلة الدورة.

نبضة كونية أبطأ

معظم النجوم النابضة الراديوية هي نجوم نيوترونية تدور بسرعات مذهلة، وتكتسح حزمًا من الإشعاع عبر الأرض كل جزء من الثانية. لكن الأجسام في هذه الدراسة الجديدة تنبض على نطاق زمني أطول بكثير، وتصدر نبضات منتظمة كل بضع دقائق. هذه الحزم الشديدة ليست موجات راديوية عادية بل مازرات—المكافئ الراديوي لليزر—تُنتج في ظروف قصوى.

حتى الآن، اشتبه العلماء في أن هذه النبضات طويلة الدورة مرتبطة بأنظمة ثنائية تضم قزمًا أبيض وقزمًا أحمر من النوع M. يدور النجمان حول بعضهما البعض في رقصة جاذبية وثيقة، وكان يُعتقد أن تفاعلهما المتزامن يضخم الانبعاث الراديوي. ومع ذلك، ظلت العملية الفيزيائية الدقيقة وراء عمل المازر غير واضحة.

ليزر راديوي كوني موضح

المازرات هي مضخمات طبيعية لإشعاع الميكروويف أو الراديو. في الفضاء، توجد غالبًا في مناطق حيث تدور جسيمات نشطة على طول خطوط المجال المغناطيسي وتطلق دفعات متماسكة من الطاقة. تُعرف الآلية وراء هذه الانبعاثات باسم عدم استقرار المازر الإلكتروني السيكلوتروني، أو ECMI. عندما تتسارع الإلكترونات في مجال مغناطيسي، فإنها تصدر إشعاعًا بتردد مميز يتعلق بدورانها حول خطوط المجال. في ظل ظروف معينة، يتضخم هذا الانبعاث إلى حزمة قوية ومركزة.

في الأنظمة الثنائية التي تمت محاكاتها حديثًا، يكون المجال المغناطيسي للقزم الأبيض هو القوة المهيمنة. إنه يكتسح عبر القزم M بينما يدور النجمان، مما يدفع تيارات كهربائية هائلة عبر الفضاء بينهما. هذه التيارات تنشط الإلكترونات، وينتج عن ذلك ECMI النبضات الراديوية طويلة الدورة التي حيرت علماء الفلك. تظهر المحاكاة أن تزامن النجمين أمر بالغ الأهمية—كل مدار يحفز عدم الاستقرار ويخلق نبضة.

العلاقة بين القزم الأبيض والقزم M

الأقزام البيضاء هي بقايا كثيفة ومضغوطة لنجوم شبيهة بالشمس استنفدت وقودها النووي. الأقزام من النوع M، وتسمى أيضًا الأقزام الحمراء من النوع M، هي من بين أصغر وأبرد النجوم في التسلسل الرئيسي. عندما تقترن في ثنائي قريب، تتفاعل مجالاتها المغناطيسية بطرق دراماتيكية.

وفقًا للبحث الجديد، فإن خطوط المجال المغناطيسي للقزم الأبيض أقوى بكثير من تلك الخاصة برفيقه القزم M، وتلعب دورًا رئيسيًا في إنشاء الانبعاث الراديوي. بينما يتحرك القزم M عبر المجال المغناطيسي للقزم الأبيض، فإنه يعمل كموصل يتحرك عبر مولد مغناطيسي، منتجًا تيارًا هائلًا. يتدفق هذا التيار على طول خطوط المجال المغناطيسي ويغذي ECMI.

النتيجة هي حزمة راديوية متماسكة تكتسح الفضاء مثل المنارة. في كل مرة يكمل فيها الثنائي مدارًا، تشير الحزمة نحو الأرض، مما ينتج نبضة منتظمة. هذا يفسر لماذا تتكرر الانفجارات المرصودة كل بضع دقائق، مطابقة للفترة المدارية للزوج الثنائي.

محاكاة محرك المازر

الدراسة، التي نُشرت في مجلة The Astrophysical Journal Letters، قادها Yici Zhong، باحث مشارك في الفيزياء الفلكية النظرية بمنحة Sherman Fairchild، وElias R. Most، أستاذ مساعد في الفيزياء الفلكية النظرية وباحث William H. Hurt. كلاهما عضو في مجموعة الفيزياء الفلكية النظرية بما في ذلك النسبية وعلم الكونيات ومعهد Walter Burke للفيزياء النظرية في كالتيك.

بنى Zhong وMost محاكاة حاسوبية فائقة قدمت، لأول مرة، صورة واضحة وشاملة لكيفية قيام هذه الأزواج الثنائية بتشغيل المازرات التي تطلقها في الفضاء. تتبعت النماذج تدفق التيار بين النجوم والانبعاث الراديوي الناتج، مما أظهر أن ECMI هو بالفعل المسؤول عن الانفجارات طويلة الدورة التي رصدتها التلسكوبات.

هذه النتائج تمنح علماء الفلك إطارًا حسابيًا مباشرًا لفهم الانبعاث الراديوي من الأنظمة الثنائية التي تحتوي على قزم أبيض متفاعل. سابقًا، كان على الباحثين الاعتماد على استدلالات غير مباشرة ونماذج مبسطة. يمكن استخدام النهج الجديد للتنبؤ بسلوك أنظمة مماثلة وتفسير الملاحظات المستقبلية.

نمط مألوف: المشتري وآيو

من المثير للاهتمام أن النبضات الراديوية من الأقزام البيضاء والنجوم من النوع M تشبه إلى حد كبير الانبعاثات الراديوية الكوكبية المرصودة في نظام المشتري. لاحظ علماء الفلك تلك الانفجارات لأول مرة في عام 1955 وقضوا سنوات في محاولة شرح ما الذي يحركها. في عام 1969، حل علماء كالتيك Peter Goldreich وProfessor Lee A. DuBridge وDonald Lynden-Bell جزءًا من اللغز. اقترحوا أن تيارًا كهربائيًا قويًا يتدفق بين المشتري وأقرب أقماره الجاليلية، آيو، بينما يكتسح القمر عبر المجال المغناطيسي للمشتري.

وفقًا لنظريتهم، تولد الحركة المدارية لآيو تدفقًا كهربائيًا بمليون أمبير على شكل أنبوب يربط آيو بالغلاف المغناطيسي للمشتري. تم تأكيد هذا التنبؤ لاحقًا من خلال التصوير المباشر عبر الأقمار الصناعية. أظهرت أبحاث أخرى كيف يمكن لعمليات مماثلة أن تعمل في الأنظمة النجمية الثنائية، لكن المحاكاة الجديدة توفر الصورة الأكثر تفصيلاً حتى الآن لكيفية إنتاج الانبعاث.

ما تكشفه المحاكاة

تقدم المحاكاة عدة رؤى رئيسية حول توليد الانفجارات الراديوية طويلة الدورة:

• المجال المغناطيسي للقزم الأبيض هو المحرك الأساسي لانبعاث المازر، وليس المجال المغناطيسي للقزم M.
• يحدث عدم استقرار المازر الإلكتروني السيكلوتروني بشكل طبيعي في هذه الأنظمة الثنائية عندما يصل التيار المتدفق بين النجمين إلى عتبة حرجة.
• تحدد الفترة المدارية للثنائي معدل تكرار النبضات الراديوية، مما يفسر الفترات المرصودة التي تبلغ بضع دقائق.
• الانبعاث الراديوي اتجاهي للغاية، ولهذا لا نكتشف هذه الانفجارات إلا عندما تصادف الحزمة الأرض.

يُظهر هذا العمل أيضًا قوة الفيزياء الفلكية الحاسوبية. باستخدام المحاكاة الحاسوبية الفائقة، يمكن للباحثين استكشاف بيئات شديدة التطرف بحيث لا يمكن إعادة إنشائها في المختبر ودراسة الظواهر التي تتكشف على مدى أزمنة فلكية. يمكن تكييف نموذج فريق كالتيك مع تكوينات ثنائية أخرى، مما قد يكشف عن المزيد من مصادر المازرات الكونية.

آثار على الملاحظات المستقبلية

مع مسح المراصد الراديوية القادمة للسماء بحساسية أكبر، من المرجح أن تكتشف المزيد من هذه الأنظمة المثيرة للاهتمام. كانت العابرات الراديوية طويلة الدورة لغزًا رصديًا لسنوات، وربطها بـ ECMI في الأقزام البيضاء والنجوم من النوع M يقدم تفسيرًا متماسكًا يمكن اختباره بملاحظات مستقبلية.

توفر المحاكاة الجديدة أيضًا أداة تنبؤية. من خلال نمذجة الانبعاث الراديوي المتوقع من نظام ثنائي معروف، يمكن لعلماء الفلك مقارنة الملاحظات بالتنبؤات النظرية وتحديد الأنظمة التي من المرجح أن تنتج مازرات. يمكن أن يساعد هذا في تحديد أولويات الأهداف لملاحظات المتابعة ويؤدي إلى اكتشاف المزيد من أشعة الليزر الراديوية الكونية.

في السياق الأوسع، يلقي فهم كيفية توليد النجوم الثنائية للانبعاث الراديوي المتماسك الضوء على فيزياء البلازما الأساسية في البيئات القاسية. كما يربط الفيزياء الفلكية النجمية بعلوم الكواكب، حيث أن نفس العمليات التي تخلق انفجارات راديوية في الأنظمة النجمية تعمل في نظامنا الشمسي، بين المشتري وقمره آيو.

تقرب دراسة كالتيك العلماء خطوة كبيرة نحو كشف لغز هذه النبضات الراديوية النجمية المتزامنة. مع القدرة المكتشفة حديثًا على نمذجة آلية المازر بالتفصيل، لم تعد أشعة الليزر الراديوية في الكون غامضة—فهي ببساطة نتيجة أخرى لتحرك النجوم في خطوة متزامنة تحت تأثير مجالات مغناطيسية قوية.

هذا المقال مبني على تقرير من Universe Today. اقرأ المقال الأصلي.