9 دقیقه
پس از حدود یک دهه کمتاب شدن، ستارهٔ نوترونی شناختهشده بهنام NGC 7793 P13 (که در ادامه بهاختصار P13 نامیده میشود) ناگهان دوباره شعلهور شد و در طیف اشعهٔ ایکس بیش از 100 برابر افزایش درخشندگی نشان داد. این بازگشت دراماتیک، فرصتی کمنظیر برای بررسی اَکِریشن فوقبحرانی (supercritical accretion) فراهم کرده است — فرایند تغذیهٔ بسیار شدید که برخی از پرنورترین منابع اشعهٔ X در جهان را تأمین میکند.
بیداری ناگهانی و چرایی اهمیت آن
P13 در کهکشان مارپیچی NGC 7793 قرار دارد و فاصلهاش از زمین حدود ده میلیون سال نوری برآورد شده است. این جرم در ردهٔ منابع پالسزن فوقنورانی اشعهٔ ایکس (Pulsating Ultraluminous X-ray Source — PULX) قرار میگیرد؛ نوعی نادر از اجرام که در آن یک ستارهٔ نوترونی — بازماندهای بسیار متراکم از فرایند ستارهای — با نرخهای بسیار بالای اَکِریشن ماده را میبلعد تا خروجی اشعهٔ X آن بتواند با نور کهکشانهای کوچک رقابت کند یا حتی از آن فراتر رود. رصدگران با بهکارگیری رصدخانههای حساس اشعهٔ X مانند XMM-Newton، Chandra، NuSTAR و NICER، تغییرات P13 را پیگیری کردند. دادههای آرشیوی بلندمدت از بازهٔ 2011 تا 2024 تغییرات چشمگیری را نشان میدهد: دورهای کمنور حوالی سال 2021 که به دنبال آن از سال 2022 آغاز یک بازتابش سریع مشاهده شد و تا اوج روشنایی در 2024 ادامه یافت — بیش از دو مرتبهٔ بزرگتر از حالت کمنور.
این تصویر ترکیبی، دادههایی از مشاهدات اشعهٔ X، نوری و خطوط Hα را بههم پیوسته است. NGC 7793 P13 دور از هستهٔ کهکشان NGC 7793 واقع شده است. اعتبار تصاویر: اشعهٔ X (NASA/CXC/Univ. of Strasbourg/M. Pakull et al.); نوری (ESO/VLT/Univ. of Strasbourg/M. Pakull et al.); Hα (NOAO/AURA/NSF/CTIO 1.5 m).
چرا این پدیده اهمیت دارد؟ اَکِریشن فوقبحرانی — که گاهی بهعنوان اَکِریشن فراتر از حد ادینگتون (super-Eddington accretion) نیز نامیده میشود — زمانی رخ میدهد که گاز ورودی انرژی را با نرخهایی فراتر از محدودیتهای کلاسیک ناشی از فشار تابشی تأمین میکند. در شرایطی که فشار تابشی تمایل به مهار جریان جرم دارد، مشاهدهٔ ادامهٔ سقوط ماده بهسوی یک جسم فشرده سؤالهایی بنیادی دربارهٔ فیزیک اَکِریشن، انتقال تابش و هندسهٔ جریان ایجاد میکند. افزایش صدبرابری تابش اشعهٔ X در P13 یک میدان آزمایشی تجربی برای آزمون این نظریهها فراهم میآورد و به ما اجازه میدهد فرایندهای میکروفیزیکی و ماکروفیزیکی را با دادههای واقعی مقایسه کنیم.
برای دانشمندان حوزهٔ اخترفیزیک، دادههای مربوط به منابع پرنور اشعهٔ X و بهخصوص PULXها اهمیت ویژهای دارند زیرا این منابع مرزهای نظریهٔ کلاسیک ادینگتون را به چالش میکشند و انگیزهٔ بهبود مدلهای تابش، انتقال شعاعی و تعامل میدانهای مغناطیسی در محیطهای اَکِریشن فشرده را فراهم میکنند. استفاده از واژگان کلیدی مانند «اکریشن فوقبحرانی»، «منابع فوقنورانی اشعهٔ X»، و «پالسهای اشعهٔ X» در تحلیلها کمک میکند تا نتایج پژوهشی در سیستمهای بازیابی علمی و موتورهای جستجو بهتر یافت شوند.
پیگیری تغییرپذیری بلندمدت و رفتار چرخشی
علاوه بر تغییر در روشنایی، P13 ویژگی مهم دیگری را نیز نمایان میسازد: دوران یا اسپین آن. هنگامی که ماده تحت تأثیر میدان مغناطیسی قوی ستارهٔ نوترونی به قطبهای مغناطیسی هدایت میشود، ستونهای اَکِریشن تشکیل میشوند که اشعهٔ X پالسی ساطع میکنند. مشاهدات نشان میدهد که دورهٔ چرخش P13 در حدود 0.4 ثانیه است و روند کلی اسپین-آپ (spin-up) — بهمعنای افزایش سرعت چرخش — را نشان میدهد؛ به عبارت دیگر، پالسزن رو به تسریع است. نقطهٔ کلیدی این است که گروه پژوهشی دریافت در فاز بازتابش مجدد نرخ شتاب اسپین (شیب اسپین-آپ) تقریباً دو برابر شده و این وضعیت تا سال 2024 ادامه یافته است. بهعبارت سادهتر، افزایش درخشندگی اشعهٔ X با افزایش گشتاور ناشی از مادهٔ اَکِرتشونده همزمان بوده است.
هنگامی که گاز بهوسیلهٔ گرانش شدید یک جسم فشرده مانند ستارهٔ نوترونی یا سیاهچاله جذب میشود، فرایندی که آن را اَکِریشن مینامند، انرژی در قالب تابش الکترومغناطیسی آزاد میگردد. پیشرفتهای حاصل در تلسکوپهای حساس طیف اشعهٔ X منابعی را آشکار کردهاند که با توان فوقالعادهای در اشعهٔ X میدرخشند.
ارتباط میان درخشندگی و تکانهٔ زاویهای یک معیار تشخیصی مهم است: این پیوند نشان میدهد که تغییرات در نرخ انتقال جرم از همدم دوتایی یا بازپیکربندی میدان مغناطیسی (مِگنتوسفِر) مستقیماً بر خروجی تابشی و گشتاور وارد بر ستاره اثر میگذارد. تحلیل دقیق پالسها نشان میدهد که ارتفاع ستون اَکِریشن در طول مدولاسیون جریان دهساله تغییر میکند — ستونها در حالت روشن بلندتر و در حالت کمنور کوتاهتر هستند — که این تغییرات در ارتفاع، الگوهای تابش (beaming) و انتقال تابش محلی را دگرگون میسازد و بر روشنایی مشاهدهشده و شکل موج پالسها تأثیر میگذارد.
در سطوح فنیتر، افزایش اسپین-آپ بهمعنای انتقال تکانهٔ زاویهای بیشتر از دیسک اَکِریشن به ستاره است. این انتقال میتواند اطلاعات مهمی دربارهٔ نرخ واقعی اَکِریشن جرم (mass accretion rate)، شعاع اتصال مغناطیسی (magnetic coupling radius) و نحوهٔ توزیع فشار تابشی ارائه دهد. مدلهای تئوری باید قادر باشند این پیوند میان نوردهی، ساختار ستون و انتقال گشتاور را بازتولید کنند تا بتوانند نرخهای اَکِریشن فراتر از حد ادینگتون را بهدرستی توصیف نمایند.
در فاز روشن، ستون اَکِریشن بلند است، در حالی که در فاز کمنور کوتاهتر میشود. اعتبار تصویر: Marina Yoshimoto (Ehime University).
افزون بر جنبههای مشاهدهای، بررسی حالتهای مختلف ستون اَکِریشن و جهتگیری پرتوافشانی میتواند به فهم بهتر مفاهیمی مانند پوشش آیزوتروپیک یا بینظمی در پرتوگیری (anisotropic beaming) کمک کند. این مفاهیم برای برآورد دقیق توان سطحی و نرخ جرم وارد شده به ستارهٔ نوترونی حیاتیاند، زیرا اگر تابش بهصورت متمرکز (beamed) باشد، روشنایی ظاهری میتواند بسیار بیشتر از توان حقیقی رهاشده باشد.
دلالتها برای اَکِریشن فوقبحرانی و منابع فوقنورانی
رفتار P13 این ایده را تقویت میکند که اَکِریشن فوقبحرانی میتواند در مقیاسهای زمانی چندساله بسیار پویا باشد. برای مدلهای منابع فوقنورانی اشعهٔ X (ULXs)، مشاهدات حاکی از آن است که تغییرات در هندسهٔ اَکِریشن — ارتفاع ستون، شعاع اتصال مغناطیسی و میزان متمرکزشدن تابش (radiation beaming) — میتوانند نوساناتی بهاندازهٔ درجات بزرگی (order-of-magnitude) در روشنایی مشاهدهشده ایجاد کنند. افزایش دوبرابر اسپین-آپ در دورهٔ بازتابش بهویژه آموزنده است: این پدیده گشتاور اَکِریشن را مستقیماً به همان اپیزودهایی پیوند میدهد که خروجیهای شدید اشعهٔ X را تولید میکنند و محدودیتهایی بر نرخهای اَکِریشن جرم و انتقال تکانهٔ زاویهای در رژیمهای فراتر از حد ادینگتون فراهم میآورد.
بهطور عملی، این نتایج ارزش رصد طولانیمدت هماهنگشده با ابزارهای مکمل را برجسته میسازند. حساسیت در اشعهٔ X نرم (XMM-Newton، Chandra) بههمراه پوشش در اشعهٔ X سخت (NuSTAR) و زمانسنجی با تکرار بالا (NICER) به پژوهشگران اجازه داد تا درخشندگی، تغییرات طیفی و زمانبندی پالس را در بازهای بیش از یک دهه نگاشت کنند — دقیقاً همان پایهٔ زمانی که برای آشکارسازی پیوند میان اسپین و شار ضروری است.
در سطح مدلسازی، ترکیب مشاهدات طیفنگاری و زمانسنجی میتواند پارامترهایی مانند نرخ اَکِریشن حقیقی، میدان مغناطیسی سطحی ستاره و هندسهٔ ستون را محدود کند. از سوی دیگر، شبیهسازیهای هیدرودینامیکی مغناطیسی (MHD) که تابش را نیز در نظر میگیرند، برای بازتولید صحنههایی که در P13 مشاهده میکنیم حیاتیاند. این شبیهسازیها میتوانند نشان دهند چگونه دیسک اَکِریشن، بادهای تابشی و میدان مغناطیسی با هم تعامل دارند تا الگوهای بنینگ، ستون و نرخ انتقال تکانه را شکل دهند.
دیدگاه کارشناسان
«P13 به ما یک آزمایشگاه طبیعی برای مطالعهٔ اَکِریشن فوقبحرانی میدهد،» دکتر لیلا آرمیتاژ، اخترفیزیکدانی که در زمینهٔ سامانههای دوتایی فشرده تخصص دارد، میگوید. «دیدن افزایش نرخ اسپین-آپ همزمان با روشنتر شدن منبع تأیید میکند که این سامانه چیزی بیش از فوتونها منتقل میکند — این سامانه تکانهٔ زاویهای نیز منتقل میکند. این همبستگی محکم سنگ بنای مدلهایی است که هدفشان توضیح پرنورترین منابع اشعهٔ X در کهکشانهای نزدیک است.»
نظرات کارشناسی اینچنینی نشان میدهد که تحلیل جامع رفتار P13 میتواند به توسعهٔ مدلهای فیزیکی منتهی شود که نه تنها روشناییهای ظاهری را توضیح میدهند، بلکه سازوکارها و پارامترهای فیزیکی واقعی را نیز بهطور کمی بازتولید میکنند. چنین پیشرفتی درک ما را از تکامل سامانههای دوتایی حاوی ستارهٔ نوترونی و نقش آنها در زیستشناسی کهکشانی بهبود میبخشد.
نتیجهگیری
بیداری دراماتیک NGC 7793 P13 و تغییر همبسته در نرخ اسپین-آپ شاهدهای نادری را بهصورت مستقیم فراهم آوردهاند که روشنایی اشعهٔ X، هندسهٔ اَکِریشن و انتقال تکانهٔ زاویهای را در یک ستارهٔ نوترونی در حال اَکِریشن فوقبحرانی به هم پیوند میدهند. ادامهٔ پایش و کار نظری هدفمند برای تبدیل این روندهای تجربی به تصویری فیزیکیِ مطمئن از چگونگی بقا، هدایت و تابش ماده در شدیدترین محیطهای اَکِریشنی شناختهشده ضروری خواهد بود.
در مجموع، مطالعهٔ P13 علاوه بر ارتقای دانش ما از منابع فوقنورانی اشعهٔ X و پالسزنهای فوقنورانی، چارچوبی فراهم میآورد تا پرسشهایی بنیادین پیرامون محدودیتهای ادینگتون، نقش میدانهای مغناطیسی نیرومند، و چگونگی همزمانی انتقال جرم و تکانه در شرایط فراوانی تابش مورد بررسی قرار گیرد. آنالیزهای آینده که دادههای چندباندی را با شبیهسازیهای پیشرفتهٔ MHD-تابشی تجمیع کنند، میتوانند گامهای بعدی را در روشنسازی مکانیزمهای فیزیکی پشت این پدیدهٔ استثنایی بردارند.
منبع: scitechdaily
نظرات
کوینپی
احساس میکنم کمی اغراق شده، هنوز نمیدونیم چقدر beaming سهم داره. اما دادهها ارزش دنبال شدن دارن.
نورپالس
تحلیل خوبیه، ترکیب XMM و NuSTAR و NICER واقعا لازمه. منتظر شبیهسازیهای MHD تابشی هستم.
ماکس_
یاد پروژهم افتادم، وقتی ستون اَکِریشن بلند شد کلی نویز جمع شد تو داده ها, کار سختیه ولی جذاب
دیتاپالس
منظرهش منطقیه، اسپین-آپ دو برابر یعنی جرم بیشتر و ستون بلندتر. ولی سوالام هنوز مونده...
آستروست
واو، اینقدر سریع برگشته؟ ۱۰۰ برابر! فکر نمیکردم باز همچین انفجاری ببینیم… قلبم تند زد :)
ارسال نظر