8 دقیقه
Discovery: a heartbeat hidden in a gamma-ray burst
یک تیم بین‌المللی از ستاره‌شناسان یک نوسان دورهای کوتاه و گذرا را در درون یک انفجار قدرتمند اشعه گاما که نور آن در سال 2023 به زمین رسید، شناسایی کرده‌اند. رویداد موسوم به GRB 230307A غیرعادی بود: یک انفجار اشعه گاما با مدتزمان طولانی که حدود 200 ثانیه به درازا کشید و از جمله درخشان‌ترین فوران‌های ثبت‌شده بود. تحلیل‌های دقیق به سرپرستی ران-چائو چن از دانشگاه نانجینگ اکنون نشان میدهد سیگنال دوره‌ایِ کوتاه ممکن است اولین نشانه قابل‌تشخیص تغذیه‌شده از چرخش یک مگنتار نوپا باشد — ستاره نوترونی‌ای که با سرعت بسیار بالا می‌چرخد و میدان مغناطیسی‌اش چندین مرتبه قوی‌تر از پالسارهای معمولی است.
Scientific background: gamma-ray bursts, kilonovae and magnetars
انفجارهای اشعه گاما (GRB) پرانرژی‌ترین انفجارهای الکترومغناطیسی در جهان‌اند. به‌طور سنتی دو منبع اصلی برای تولید این رویدادها شناخته می‌شود: GRBهای کوتاه (کمتر از دو ثانیه) که معمولاً با همادغام ستاره‌های نوترونی و پدید آمدن کایلونووا مرتبط دانسته می‌شوند، و GRBهای بلند (بیش از دو ثانیه) که اغلب در نتیجه فروپاشی هسته‌ای ستاره‌های پرجرم و تولد سیاه‌چاله‌ها رخ میدهند. با این حال، درصدی از فوران‌های طولانی این تقسیم‌بندی ساده را نقض می‌کنند. GRB 230307A و رویداد نامعمول قبلی GRB 211211A (در سال 2021) هر دو مدتزمان طولانی داشتند، اما ویژگی‌های پس‌تاب و طیفی‌شان شبیه به کایلونووا بود — تابش گذرای نوری/مِدرانفش که در نتیجه سنتز عناصر سنگین در همادغام ستاره‌های نوترونی تولید می‌شود.
وقتی دو ستاره نوترونی با هم برخورد و ادغام می‌کنند، بازمانده ممکن است یا یک سیاه‌چاله یا یک ستاره نوترونیِ سنگین‌تر باشد. حداکثر جرم پایدار برای یک ستاره نوترونی معمولاً در حدود 2.2 تا 2.4 جرم خورشیدی برآورد می‌شود؛ اگر جرم مجموع کمتر از این آستانه بماند، بازمانده ممکن است به‌صورت موقت یا به‌مدت طولانی به‌صورت یک ستاره نوترونی فوق‌پُرجرم زنده بماند. در برخی موارد چنین جسم گذرایی میتواند یک مگنتار باشد: ستاره‌ای نوترونی با میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی و دوره‌های چرخش در مقیاس میلیثانیه. مگنتارها به‌عنوان موتورهای مرکزیِ احتمالی مطرح‌اند که میتوانند انرژی به مواد پرتاب‌شده و جتِ GRB تزریق کنند و در نتیجه منحنی‌های نوری و طیف‌های تابشی را تغییر دهند؛ این موضوع اثرات قابل‌مشاهده‌ای در طول موج‌های مختلف ایجاد میکند.
Observations and data analysis
GRB 230307A در تاریخ 7 مارس 2023 آشکارسازی شد. طول کلی و درخشندگی این رویداد ابتدا آن را در دسته GRBهای طولانی قرار داد، با این حال پایش‌های نورسنجی و طیف‌سنجی پیگیر، نشانههای پس‌تابی شبیه به کایلونووا را نشان دادند که دلالت بر منشأ هم‌ادغامیِ ستاره‌های نوترونی داشت. چن و همکارانش دادههای گاما با رزولوشن زمانی بسیار بالا را دوباره بررسی کردند تا هرگونه نشانهٔ دورهای ظریف را بیابند. آن‌ها گزارش دادند یک مدولاسیون دورهای ضعیف اما از لحاظ آماری معنادار، به مدت تنها 160 میلیثانیه دیده شده که 24.4 ثانیه پس از تریگر اولیه ظاهر شده است. این شناسایی بر پایه ترکیبی از روش‌های تحلیل زمانی انجام شد: تبدیل فوریه برای آشکارسازی آشکارسازی فرکانسی، روش فاز-تعبیه (epoch-folding) برای تقویت سیگنال‌های دورهای و آزمونهای آماری مانند Z^2_n و محاسبه احتمال هشدار کاذب برای برآورد معناداری نتایج.
تصویر ذهنی از سیگنال مگنتار در GRB 230307A. (Yuja Tian and Yuting Wu, Nanjing Zhijiao Cloud Intelligent Technology Co., Ltd.)
دوره مشاهده‌شده با انتظارهای یک مگنتار میلیثانیهای سازگار است: جسمی که با سرعت بالا می‌چرخد و دوران آن از طریق میدان‌های مغناطیسی قوی روی جریان‌های خروجی تأثیر می‌گذارد. فیزیکدان بینگ ژانگ از دانشگاه هنگ‌کنگ، از هم‌نویسندگان مطالعه، در توضیح این تفسیر بیان کرد: چرخش سریع و میدان مغناطیسی شدید مگنتار تازه‌متولد میتواند عدم‌تقارن‌هایی در جت نسبیتی ایجاد کند که به‌طور گذرا شار اشعه گامای مشاهده‌شده را مدوله میکند. از آنجا که جت‌های GRB سریع تکامل می‌یابند و اغلب به تقارن می‌رسند، اثر دورهای ممکن است فقط در یک بازه زمانی کوتاه قابل مشاهده باشد — امری که با پنجره 160 میلیثانیهای ثبت‌شده در GRB 230307A سازگار است.
Key discoveries and implications
اگر این کشف تأیید شود، نمایانگر اولین اندازه‌گیری مستقیمِ یک سیگنال دورهای خواهد بود که به‌صورت قابل‌اتکا به حضور یک مگنتار میلیثانیهای درون جت GRB نسبت داده می‌شود. نتیجهٔ به‌دست‌آمده شواهد را تقویت میکند که برخی از هم‌ادغام‌های ستاره‌های نوترونی بازمانده‌های پُرمغناطیس و پایدارتر تولید می‌کنند، به‌جای اینکه فوراً به سیاه‌چاله تبدیل شوند. این نتیجه پیامدهای مهمی دارد:
- گسترده‌تر شدن درک ما از موتورهای مرکزی که برخی از GRBها و کایلونوواها را تغذیه می‌کنند و نشان میدهد دامنهٔ فیزیک موتور مرکزی متنوع‌تر از آن‌چه پیش‌تر تصور می‌شد است.
- ایجاد مسیرهای رصدی برای بررسی فیزیک تولد مگنتار و روند تقویت میدان مغناطیسی در هنگام همادغام که میتواند به مدل‌سازی‌های عددی جهت و معیاری جدید بدهد.
- اتصال مشخصه‌های الکترومغناطیسی به پتانسیل همسانِ امواج گرانشی، که استراتژی‌های چندپیغامه (multimessenger) را تقویت میکند و امکان هم‌زمانی مشاهدات را برای محدود کردن پارامترهای منبع فراهم می‌آورد.
شواهد همچنین نشان میدهد در این مورد فرایندهای مغناطیسی (Poynting-flux-dominated jet) بیشتر از جریان‌های باریونی محض در راه‌اندازی جت نقش داشته‌اند. یک جت با رانش مغناطیسی میتواند ساختارهای هم‌بسته‌ای حمل کند که با دوران شی مرکزی مرتبط‌اند و به این ترتیب ویژگی‌های دورهای کوتاه‌مدت در منحنی نور گاما قابل‌ظهور باشند. این امر به مدلهای نظری فرصت میدهد تا پارامترهایی مانند ضریب مغناطیسی‌شدن (sigma)، نرخ از دست دادن انرژی چرخشی (spin-down) و چگونگی تبدیل انرژی مغناطیسی به تابش تابش سنتی را بررسی کنند.
Related events and context
GRB 211211A که در سال 2021 آشکار شد، یک مثال دیگر از انفجار طولانی مرتبط با تابش کایلونووا است. با کنار هم قرار دادن این رویدادها معلوم می‌شود زیرمجموعه‌ای از GRBهای بلند وجود دارد که منشأشان همادغام اجسام فشرده است و قادر به تولید بازمانده‌های مگنتاری می‌باشند. بررسی‌های نظام‌مند برای یافتن پریودهای میلیثانیهای در آرشیو دادههای GRB و مجموعه دادههای آینده میتواند نمونههای بیشتری را آشکار کند و آمارِ فراوانیِ این پدیده را بهتر برآورد کند. چنین کارهای آرشیوی نیازمند پیاده‌سازی الگوریتمهای حساس و مقاوم در برابر نویز، و همچنین برآورد درست از احتمال هشدار کاذب و تصحیح برای آزمونهای متعدد است.
Future prospects and technology
آشکارسازی سیگنال‌های دورهای در مقیاس میلیثانیه در GRBها نیازمند ابزارهایی با وضوح زمانی بسیار بالا و حساسیت در باند اشعه گاما است. ادامهٔ فعالیت و هماهنگی میان رصدخانه‌های فضایی گاما، پیگیری سریع در طول موج‌های نوری/مادونقرمز برای شناسایی کایلونووا و کار هم‌زمان آشکارسازهای امواج گرانشی (مانند LIGO، Virgo و KAGRA) باعث افزایش نرخ شناسایی خواهد شد. ماموریت‌های برنامه‌ریزی‌شده با قابلیت‌های زمانی بهبودیافته میتوانند حجم آشکاری که برای چنین اثرات ضعیفی قابل‌ردیابی است را افزایش دهند و مطالعات جمعیتی روی مگنتارهای نوپا را ممکن سازند. به‌علاوه توسعه الگوریتمهای یادگیری ماشین برای تفکیک سیگنال‌های واقعی از نویز و طراحی‌ِ رصدهایی با زمان‌بندی بهینه برای بازه‌های زمانی بحرانی، از عوامل کلیدی در پیشبرد این حوزه خواهد بود.
Expert Insight
"پیدا کردن یک نشانهٔ دورهای کوتاه‌مدت در دل یک انفجار پیچیدهٔ اشعه گاما مانند دیدن چشمک فانوسی پشت یک طوفان است،" دکتر عایشه مالک، اخترفیزیکدانی که روی هم‌ادغام‌های اجرام فشرده مطالعه میکند، می‌گوید. "اگر این نتیجه با تحلیل‌های مستقل تأیید شود، به ما امکان میدهد به‌طور مستقیم چرخش و ساختار مغناطیسی یک مگنتار تازه‌متولد را بررسی کنیم — اطلاعاتی که به‌راحتی در دسترس نیست. این یافته به محدود کردن مدل‌ها برای تقویت میدان مغناطیسی در بازمانده‌های همادغام و پیوند میان GRBها و کایلونوواها کمک شایانی خواهد کرد." کارشناسان بر این باورند که تکرار چنین کشفیاتی به‌ویژه در مواردی که هم‌زمان با امواج گرانشی ثبت شوند، میتواند نقشی تعیین‌کننده در فهم سازوکارهای محرک داخلی و فرایندهای انتقال انرژی داشته باشد.
Conclusion
سیگنال دورهای 160 میلیثانیهای گزارش‌شده در GRB 230307A سرنخ قانع‌کننده‌ای ارائه میدهد که مگنتارها میتوانند در پی همادغام ستاره‌های نوترونی شکل گیرند و به‌طور موقت جت گاما را با دوران سریع و میدان‌های مغناطیسی افراطی خود هدایت کنند. تأیید و گسترش چنین آشکارسازی‌هایی در ترکیب با مشاهدات چندپیغامه و جستجوهای هدفمند در دادههای آرشیوی، درک ما از فیزیک ستاره‌های فشرده، شکلگیری جت و تنوع پیش‌نیازهای GRB را عمیق‌تر خواهد کرد. گام بعدی، پیگیری تحلیلی مستقل، هماهنگی بین‌المللی برای رصدهای هم‌زمان و اعمال روش‌های آماری پیشرفته است تا بسامد تولد مگنتارها در تراکنش‌های هم‌ادغامی بهتر تعیین شود و چارچوب‌های نظری با مشاهدات همگام شوند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر