عثور IXPE التابع لناسا على حل لغز التمدد في مستعر أعظم عمره 2000 عام

ضوء من انفجار قديم، يعاد النظر فيه

في مكان ما في كوكبة القوس الجنوبي Circinus، وصلت إلى الأرض لأول مرة قبل نحو 2000 عام أشعة ضوء من انفجار نجمي. وقد سجّل الفلكيون الصينيون الحدث في عام 185 للميلاد، مما يجعله أقدم مستعر أعظم موثق في التاريخ. وقد دُرست بقايا ذلك الانفجار، والمصنفة RCW 86، بكل مرصد رئيسي للأشعة السينية منذ فجر علم الفلك الفضائي، لكنها كانت في كل مرة تربك التوقعات. والآن كشفت ملاحظة جديدة أجراها مستكشف ناسا لتصوير الاستقطاب بالأشعة السينية (IXPE) عن الآلية الفيزيائية الكامنة وراء أحد أكثر سلوكيات البقايا إثارة للحيرة.

ويحدد الاكتشاف، الذي أعلنته ناسا هذا الأسبوع، ما يسميه الباحثون "تأثير الصدمة المنعكسة" عند الحافة الخارجية لـRCW 86. وتظهر الظاهرة في بيانات IXPE بوصفها إشارة استقطاب مميزة عند الموقع الدقيق الذي يبدو أن التمدد السريع للخارج عنده قد توقف.

الفجوة التي جعلت RCW 86 غير مألوف

لفهم ما رصده IXPE، من المفيد فهم ما جعل RCW 86 شاذًا منذ البداية. فعندما تنهي نجمة ضخمة حياتها بانفجار مستعر أعظم، تقذف المادة إلى الخارج في موجة صدمية تتمدد داخل الوسط بين النجمي المحيط. وتعتمد سرعة هذا التمدد على كثافة المادة التي تصطدم بها الموجة الصدمية - فالمادة الأكثر كثافة تبطئها، بينما تسمح لها المادة الأقل كثافة بالتمدد بسرعة أكبر.

وكان مرصد تشاندرا للأشعة السينية قد حدد سابقًا سمة غير مألوفة حول RCW 86: إذ تحيط بالبقايا فجوة كبيرة من غاز منخفض الكثافة نسبيًا، ويُعتقد أنها نُحتت بواسطة الرياح النجمية للنجم السلف خلال آلاف السنين التي سبقت انفجاره. وقد سمحت تلك الفجوة للموجة الصدمية بالتمدد بسرعة أكبر بكثير مما كان سيحدث في الظروف الاعتيادية للوسط بين النجمي، وهو ما يفسر لماذا يبدو RCW 86 أكبر من المتوقع لبقايا عمرها 2000 عام، ولماذا يبدو شكله غير منتظم بدلًا من الشكل الكروي تقريبًا المعتاد لبقايا المستعرات العظمى الفتية.

ما الذي رصده IXPE عند الحافة

كان السؤال الذي بقي بعد ملاحظات تشاندرا هو ما الذي حدث عندما وصلت الموجة الصدمية المتمددة إلى حافة تلك الفجوة. وتوفر قدرة IXPE على قياس استقطاب الأشعة السينية - أي القدرة على قياس شدة الأشعة السينية، وكذلك اتجاه مجالها الكهربائي - أداة للإجابة عن هذا السؤال كانت بعيدة المنال في المهمات السابقة.

ينتج انبعاث الأشعة السينية المستقطبة من بقايا المستعرات العظمى عندما تدور الإلكترونات عالية الطاقة حول خطوط المجال المغناطيسي، وهي عملية تُعرف باسم الإشعاع السنكروتروني. ويشفر نمط الاستقطاب معلومات عن هندسة المجال المغناطيسي واتجاه الصدمة. وعندما تصطدم موجة صدمية بجدار من مادة أكثر كثافة - أي عند حافة الفجوة - تتغير الهندسة بطريقة مميزة يستطيع IXPE رصدها.

ويُظهر تحليل الفريق للملاحظات الجديدة من IXPE هذه الإشارة بالضبط عند الحافة الخارجية لـRCW 86: منطقة يتوافق فيها نمط الاستقطاب مع صدمة منعكسة - صدمة ارتدت عن جدار الفجوة وأصبحت تنتشر الآن إلى الداخل وإلى الخارج في الوقت نفسه. ويفسر هذا المكوّن المنعكس التوقف المرصود للتمدد إلى الخارج، ويملأ فجوة في الصورة الفيزيائية التي تركتها ملاحظات تشاندرا مفتوحة.

بناء صورة كاملة عبر المراصد

توضح الصورة المركبة التي نُشرت مع الاكتشاف قوة الجمع بين بيانات من عدة مراصد تعمل بأطوال موجية مختلفة وبقدرات رصد مختلفة. ويسهم IXPE بخريطة الأشعة السينية المستقطبة التي تكشف هندسة الصدمة. ويسهم كل من تشاندرا وXMM-Newton التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ببيانات أشعة سينية عالية الطاقة تُظهر توزيع أشد الغاز حرارة بفعل الصدمة. وتتتبع بيانات الأشعة السينية الأقل طاقة المادة النجمية المحيطة الأبرد. وتوفر صورة نجمية مرئية من NOIRLab التابع لمؤسسة NSF سياقًا مكانيًا مقابل السماء الخلفية.

يكشف كل جزء من البيانات جانبًا مختلفًا من النظام الفيزيائي نفسه، ويؤدي الجمع بينها إلى سرد فيزيائي أكمل مما يمكن أن يقدمه أي مرصد منفرد. وقد أصبح هذا النهج متعدد الأطوال الموجية ممارسة معيارية في الفيزياء الفلكية عالية الطاقة، كما أن قدرة IXPE الفريدة على قياس الاستقطاب أضافت باستمرار معلومات عن هندسة المجال المغناطيسي كانت ببساطة غير متاحة قبل إطلاق المهمة في عام 2021.

لماذا تهم بقايا المستعرات العظمى

إلى جانب الاهتمام الذاتي بحل لغز في الفيزياء الفلكية ظل قائمًا لعقود، فإن RCW 86 والبقايا المشابهة له مهمة لأن المستعرات العظمى هي الطريقة التي توزع بها المجرة العناصر الثقيلة المتشكلة في نوى النجوم. فكل ذرة كالسيوم في عظام الإنسان، وكل ذرة حديد في الدم، وكل ذرة أكسجين في الغلاف الجوي، قد تشكلت داخل نجم ثم وزعتها انفجارات من هذا النوع. إن فهم فيزياء موجات الصدمة في المستعرات العظمى - كيف تتمدد، وما الذي يحدث عند انتقالات الكثافة، وكيف تُسرّع الأشعة الكونية - يرتبط مباشرة بأسئلة حول التطور الكيميائي للمجرات وأصل المواد الخام للحياة.

ويُعد RCW 86 أيضًا حالة دراسة مضبوطة على نحو غير معتاد لأن السجل التاريخي يؤرخ انفجاره ضمن هامش لا يتجاوز بضعة عقود. فمعظم بقايا المستعرات العظمى تُعرَّف من دون تاريخ ثابت، مما يجعل التحليلات القائمة على العمر غير يقينية. ويوفر السجل الصيني من عام 185 للميلاد، الذي دوّنه فلكيو البلاط الصينيون، مرساة زمنية تتيح للباحثين اختبار النماذج مقابل خط زمني معروف بدلًا من استنتاجه من مظهر البقايا.

مهمة IXPE المستمرة

IXPE مهمة مشتركة بين ناسا ووكالة الفضاء الإيطالية (ASI)، مع مشاركة علمية من 12 دولة. وقد أُطلق في ديسمبر 2021 من مركز كينيدي للفضاء التابع لناسا على متن صاروخ SpaceX Falcon 9، ويُدار من مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا في هانتسفيل، ألاباما. وقد رصد المرصد الآن أكثر من 100 مصدر للأشعة السينية، بما في ذلك بقايا مستعرات عظمى، وأنظمة ثقوب سوداء، ونجوم نيوترونية، ومغناطورات. وقد حلت بياناته الاستقطابية أسئلة طويلة الأمد حول آليات تسريع الجسيمات في عدد من هذه الأنظمة، ويواصل اكتشاف RCW 86 سجلًا من النتائج التي تتطلب هذه القدرة القياسية تحديدًا لتحقيقها.

تعتمد هذه المقالة على تقرير من ناسا. اقرأ المقال الأصلي.