علت درخشش سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی چیست؟

MacTavish · 7/1/20

بیگ بنگ: پژوهش دانشمندان نشان می‌دهد، تابشی که موجب درخشش ِ چگال‌ترین اجرام کیهان می‌شود، در اثر برهم‌کنش آشفته و پیوسته دوبارۀ میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی است. این نظریۀ جدید توضیح می‌دهد که سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی چگونه به این میزان از درخشش می‌رسند.

ستاره نوترونی درخشانی که در مرکز سحابی خرچنگ واقع شده، نقش دینامی را دارد که درخشش آبی رنگِ درونی و وهم‌آور این سحابی را پدید می‌آورد. رنگ آبی از الکترون‌هایی نشات می‌گیرد که تقریباً با سرعت نور به دور خطوط میدان مغناطیسی ِ ستارۀ نوترونی گردش می‌کنند. ستاره نوترونی (هسته‌ی ابَرچگال خردشدۀ ستاره منفجرشده) به مانند فانوس دریایی به انتشارِ پرتوهای تابشی دوقلو می‌پردازد که ۳۰ بار در ثانیه تپش می‌کند.

به گزارش بیگ بنگ، دانشمندان برای دهه‌ها دربارۀ منشاء تابش الکترومغناطیسی که از اجرام سماوی منتشر می‌شود، به گمانه پردازی‌های مختلفی پرداخته‌اند. این مناطق میزبان سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی هستند. ستاره‌های نوترونی را می‌توان اسرارآمیزترین اجرام در جهان قلمداد کرد. اخترفیزیکدان‌ها بر این باورند که این تابش پرانرژی که موجب درخشش فراوان ِ ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها می‌شود، به واسطه الکترون‌هایی ایجاد می‌شود که تقریباً با سرعت نور حرکت می‌کنند. اما فرایندی که این ذرات را شتابدار می‌کند، هنوز یک راز است.

بتازگی محققان دانشگاه کلمبیا توضیح جدیدی برای فیزیکِ دخیل در شتاب این ذراتِ پرانرژی ارائه کردند. در مقاله‌ای اخترفیزیکدان‌هایی بنام «لوکا کومیسو» و «لورنزو سیرونی» شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای زیادی انجام دادند تا ساز و کارهای دخیل در شتابدار شدن ِ این ذرات را محاسبه کنند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که انرژی‌دار شدن ذرات، نتیجۀ برهم‌کنش میان حرکت آشفته‌ و پیوستگی مجدد میدان‌های مغناطیسیِ خیلی قوی است. در اینجا، شبیه‌سازی نشان از نوسان‌های چگالی ذرات نیرومندی دارد که در محیط‌های پرتلاطم رخ می‌دهند؛ این محیط‌ها میزبانِ سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی هستند.

«لوکا کومیسو» دانشمند و محقق دوره فوق دکتری در کلمبیا و نویسنده نخست این مقاله گفت: «آشفتگی و پیوستگی مجدد مغناطیسی – فرایندی که در آن، خطوط میدان مغناطیسی درهم‌شکسته و دوباره به یکدیگر وصل می‌شوند، دست به یکی می‌کنند تا باعث شتابدار شدنِ ذرات شوند؛ این امر سرعت ِ ذرات را تا حدی بالا می‌برند که به‌سرعت نور نزدیک می‌شوند.»

مناطقِ آبی تیره به مناطقی با چگالی ذرات پایین اطلاق می‌شود، در حالیکه مناطق زرد چگالی بسیار بالایی دارند. ذرات به دلیل برهم‌کنش با نوسان‌های آشفته در این محیط ،شتاب بسیار قابل‌توجهی بدست می‌آورند.
وی افزود: «مناطق ِ میزبان سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی، دارای گازهای داغی از ذرات باردار می‌باشد و خطوط میدان مغناطیسی که در اثر حرکت آشفته گاز کشیده می‌شوند، در این پیوستگی دوبارۀ مغناطیسی ایفای نقش می‌کنند. به پاس میدان الکتریکی است که ذرات انرژی بسیار مضاعفی به وجود می آید؛ یعنی بسیار فراتر از آن چیزی که قدرتمندترین شتابدهنده‌ها در زمین انجام می‌دهند. از جمله این شتابدهنده‌های قدرتمند می‌توان به “برخورددهنده هادرونی بزرگ” در سِرن سوئیس اشاره کرد.»

دانشمندان به هنگام مطالعۀ گازهای متلاطم نمی‌توانند به‌طور دقیق حرکات آشفته و نامنظم را پیش‌بینی نمایند. سر در آوردن از ریاضیِ این آشفتگی سخت است. کومیسو و سیرونی برای فائق آمدن بر این چالش از منظرِ اخترفیزیک به طراحیِ شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای جامعی پرداختند که یکی از بزرگ‌ترین کارها در این حوزه است. هدف آنها حل ِ معادلاتی است که آشفتگی و تلاطم ذرات باردار در گاز را توصیف می‌کنند. “سیرونی”، استادیار اخترشناسی در دانشگاه کلمبیا گفت: «ما از دقیق‌ترین کار – روش ذره در سلول – برای محاسبۀ مسیر صدها میلیارد ذره باردار استفاده کردیم. در واقع این “میدان الکترومغناطیسی” است که به ذرات می‌گوید چگونه حرکت کنند.»

سیرونی در ادامه افزود: «نقطه حیاتیِ مطالعه، شناسایی نقش پیوستگیِ دوبارۀ مغناطیسی است که در محیط آشفته و متلاطم نقش بازی می‌کند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که پیوستگی مجدد، کلیدِ ساز و کاری است که ذراتی را برمی‌گزیند که سرانجام توسط میدان‌های مغناطیسی با افزایش قابل‌توجه شتاب مواجه خواهند گشت. همچنین ما در این شبیه‌سازی‌ها متوجه شدیم که ذرات قسمت عمده انرژی خود را با حرکت تصادفی و با سرعتی بسیار بالا به دست می‌آورند. اما میدان‌های قوی هم ذرات را وادار می‌کنند تا در مسیری خمیده به حرکت بپردازند و تابش الکترومغناطیسی منتشر می‌سازند. در واقع، این تابشی است که در اطراف ِ سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی منتشر شده و منجر به درخشندگی آن‌ها می‌شود؛ پدیده‌ای که می‌توانیم در زمینِ خودمان هم مشاهده کنیم.»

به گفتۀ محققان، هدف ِ نهایی پی‌بردن به این مسئله است که دقیقا چه اتفاقی در محیط‌های نامساعدِ پیرامونِ سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی روی می‌دهد. این مورد می‌تواند بینش ما را دربارۀ فیزیک بنیادی گسترش داده و درک ما را از چگونگی کارکرد جهان بهبود بخشد. محققان در تلاش هستند تا مشاهدات بیشتری در پشتیبانی از داده‌هایشان انجام دهند و پیش‌بینی‌ها را با طیفِ الکترومغناطیسیِ انتشار یافته از سحابی خرچنگ، مقایسه نمایند.

کومیسو در پایان گفت: «ما متوجهِ پیوستگی مهمی میان تلاطم و پیوستگی مجدد مغناطیسی برای شتابدار شدن ِ ذرات شدیم، اما هنوز کار زیادی باقی مانده است. پیشرفت در این حوزۀ تحقیقاتی به دست تعداد انگشت‌شماری از دانشمندان حاصل نیامده، بلکه تلاش جمعی گروهی از دانشمندان می‌باشد.» جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله The Astrophysical منتشر شده است.