11 دقیقه
با استفاده از آرایه CHARA در دانشگاه ایالتی جورجیا، ستارهشناسان برای نخستینبار تصویربرداری با وضوح بسیار بالا از نووها را ظرف چند روز پس از فورانهای آنها ثبت کردند؛ تصویربرداریای که پیچیدگیهای غیرمنتظرهای در شیوه اخراج ماده، شکلگیری شوکها و تولید تابشهای پرانرژی را آشکار ساخته است. این مشاهدات با ترکیب تکنیکهای اینترفرومتری و طیفسنجی سریع، چشماندازی جدید از فیزیک نووها و ارتباط آن با پرتوهای گاما فراهم میآورد.
چرا این تصاویر نووا دیدگاه ما را تغییر میدهند
نوواها انفجارهایی روی سطح کوتولههای سفید هستند که زمانی رخ میدهند که این ستارگان فشرده، ماده غنی از هیدروژن را از همراه دوتایی خود میدزدند. با انباشته شدن سوخت به اندازه کافی، واکنشهای هستهای فرار آغاز میشوند و لایههای سطحی را انفجاری از فضا جدا میکنند؛ رویدادی که در سراسر کهکشان قابل رؤیت است. تا پیش از این، لحظات نخستین پس از اشتعال تا حد زیادی نامرئی میماند و باقیمانده در حال گسترش برای بیشتر تلسکوپها شبیه یک نقطه نورانی حلنشده بهنظر میرسید. ورود اینترفرومتری در آرایه CHARA توانست این وضعیت را تغییر دهد و تصاویر با رزولوشن زاویهای بسیار بالا ارائه دهد.
با ترکیب همدوس نور جمعآوریشده از چندین تلسکوپ پراکنده در رصدخانهٔ Mount Wilson، تیم CHARA به رزولوشن زاویهای رسید که امکان جداسازی فضایی مواد اخراجشده را تنها چند روز پس از فوران فراهم کرد. این تصاویر نشان میدهند که نووها انفجارهای سادهٔ تک-پوستهای نیستند. در عوض، آنها میتوانند جریانهای گازی مجزا و چندگانهای را راهاندازی کنند — گاهی در جهتهای عمود بر هم — و در مواردی، اخراج پوشش بیرونی را برای هفتهها به تأخیر بیندازند. این الگوهای پیچیده مستقیماً بر زمانبندی و مکان شکلگیری موجهای شوک تاثیر میگذارند و بدینترتیب زمان انتشار فوتونهای پرانرژی مانند پرتوهای گاما را مشخص میکنند. از منظر اخترفیزیک شوک و شتاب ذرات، این جزئیات هندسی و زمانی اهمیت بالایی دارند.
دانشمندان آرایه CHARA دانشگاه جورجیا، تصاویر نوو V1674 Herculis را ثبت کردند — یکی از سریعترین انفجارهای ستارهای ثبتشده. تصاویر نوو V1674 Herculis که 2.2 روز (سمت چپ) و 3.2 روز (وسط) پس از انفجار بهدست آمدهاند، شکلگیری دو جریان گازی متمایز و عمود بر هم را نشان میدهند که با پیکانهای سبز مشخص شدهاند. پنل سمت راست یک تصویر هنری از انفجار را نشان میدهد. اعتبار تصویر: The CHARA Array
دو نووا، دو روایت متفاوت
مطالعه بینالمللی منتشرشده در Nature Astronomy بر روی دو نووا از سال 2021 تمرکز کرد که رفتارهای بسیار متفاوتی از خود نشان دادند. نوو V1674 Herculis یکی از سریعترین فورانها را ایجاد کرد؛ درخشیدن و محو شدن آن ظرف چند روز رخ داد. تصاویر CHARA که 2.2 و 3.2 روز پس از انفجار ثبت شدند، دو جریان جداگانه و عمود بر هم از گاز را آشکار ساختند. این جریانهای متعامد با هم برخورد کرده و جبهههای شوکی ایجاد کردند، تقریباً همزمان با زمانی که رصدخانه فضایی پرتو گامای فرمی (Fermi) پرتوهای گاما در حوزهِ گیگاالکترونولت (GeV) را از این سامانه تشخیص داد. این پیوند زمانی و مکانی مستقیم، شواهد قوی فراهم میکند که جریانهای در حال تعامل — نه یک پوستهٔ کروی منفرد — منبع تولید پرتوهای گاما در دستکم برخی نوواها هستند.
در مقابل، نوو V1405 Cassiopeiae فرایند تکاملی کندتری داشت. برای بیش از 50 روز پس از آزادسازی اولیهٔ انرژی، پوشش خارجی آن سالم باقی ماند و تنها در یک رویداد ناگهانی بعدها اخراج شد. هنگامی که این اخراج به تأخیر افتاده سرانجام رخ داد، شوکهای جدید شکل گرفتند و فرمی بار دیگر پرتوهای گاما را ثبت کرد. سناریوی انتشار با تأخیر نشان میدهد که برخی نوواها دچار اخراج جرمی چندمرحلهای میشوند و این امر پیامدهای مهمی برای چگونگی رشد شوکها و تبدیل انرژی به ذرات و فوتونهای پرانرژی دارد. اینگونه الگوهای چندمرحلهای میتواند نحوه تولید شتاب دهندههای ذرات در محیطهای اخترفیزیکی را دگرگون کند.
چطور اینترفرومتری و طیفسنجی دینامیکها را آشکار کردند
اینترفرومتری به اخترشناسان اجازه داد تا شکل و زمانبندی جریانها را با جزئیات زاویهای بیسابقه نقشهبرداری کنند. اما تصاویر بهتنهایی تنها بخشی از داستان را بازگو میکنند. تیم تحقیقاتی تصاویر کوتاهمدت اینترفرومتریک CHARA را با مشاهدات طیفسنجی از تاسیسات بزرگ از جمله رصدخانه Gemini ترکیب کرد. طیفها با نشان دادن خطوط انتقال و جذب جابهجاشدهی داپلر، اطلاعات سرعت و ترکیب شیمیایی را ارائه میدهند و بهنوعی «اثر انگشت» گازهای در حرکت هستند. هر زمان که ویژگیهای طیفی جدید ظاهر شدند، آنها با سازههای فضایی قابل رویت در تصاویر اینترفرومتری همتراز شدند؛ این تطابق یکبهیک تأیید میکند که اشکال مشاهدهشده متناظر با جریانها و برخوردهای فیزیکی جداگانه هستند.
آرایه CHARA در رصدخانه Mount Wilson در رشتهکوههای San Gabriel در جنوب کالیفرنیا واقع شده است. شش تلسکوپ آرایه CHARA روی سه بازو قرار گرفتهاند. نور هر تلسکوپ از طریق لولههای خلأ به آزمایشگاه مرکزی ترکیب پرتو منتقل میشود. اعتبار تصویر: Georgia State University/The CHARA Array
چرا زمانبندی اهمیت دارد
- تصویربرداری زودهنگام هندسهٔ لحظهٔ شکلگیری شوک را ثبت میکند؛ از دست دادن آن روزها موجب مبهم شدن رابطهٔ علت و معلول میشود.
- مقایسهٔ تصاویر لحظهای با منحنیهای نوری پرتوهای گاما نشان میدهد که آیا تابشهای پرانرژی همزمان با برخورد جریانها رخ میدهند یا خیر.
- اخراج با تأخیر محیط شوکی را تغییر میدهد: زمانی که یک پوشش کندتر پس از یک باد سریع اخراج شود، برخورد حاصل میتواند بهویژه در شتابدهی ذرات کارآمد باشد.
پیامدها برای فیزیک شوک و اخترفیزیک پرانرژی
این مشاهدات نوواها را از گذراهای نوری کنجکاو به آزمایشگاههایی برای مطالعهٔ شتاب شوکی و فیزیک ذرات در پلاسماهای اخترفیزیکی ارتقا میدهد. در 15 سال نخست فعالیت فِرمی-لات (Fermi-LAT)، بیش از 20 نووا پرتوهای گاما در حوزه GeV تولید کردند و نشان دادند که همین انفجارهای نسبتاً کوچک ستارهای قادر به تولید ذرات نسبیتی هستند. تصاویر CHARA زمینهٔ مکانی گمشده را پر میکنند: آنها نشان میدهند که چگونه هندسه و زمانبندی اخراج جرم، شرایط شوکی لازم برای شتاب ذرات تا انرژیهای تولیدکنندهٔ پرتو گاما را فراهم میسازند. این بینش برای مدلسازی مکانیزمهای تولید تابش پرانرژی — از جمله فرآیندهای شتابدهی دیفیوزیون و همدوسی میدانهای مغناطیسی — ضروری است.
درک شکلگیری شوک در نوواها به پر کردن فاصله میان سیستمهای اخترفیزیکی گوناگون که شوک تولید میکنند کمک میکند؛ از اَبَرنواها تا سیستمهای دوتایی با بادهای برخوردی. نوواها با فرکانس نسبتاً بالا و در بازههای زمانی قابل پیگیری برای بشر روی میدهند، که فرصتهای تکراری برای آزمون نظریههای فیزیک شوک تحت شرایط اولیهٔ مختلف فراهم میآورند. تنوع مشاهدهشده — جریانهای متعدد، جریانهای عمود و انتشار پوشش با تأخیر — نشان میدهد که الگوی واحدی برای نووا وجود ندارد. در عوض، مورفولوژی انفجار به پارامترهای دوتایی، سرعت چرخش، میدانهای مغناطیسی و احتمالاً ساختار لایهٔ تجمعیافتهٔ گاز وابسته است. چنین پیچیدگیهایی مدلهای سادهٔ کروی را ناکافی میسازد و نیاز به چارچوبهای چندبعدی و زمانی دارد.
«این یک جهش فوقالعاده به جلو است»، جان مونیِر، یکی از نویسندگان و کارشناس تصویربرداری اینترفرومتریک، گفت. «این واقعیت که اکنون میتوانیم ستارگان را هنگام انفجار تماشا کنیم و بلافاصله ساختار مادهٔ پرتابشده به فضا را ببینیم شگفتانگیز است. این پنجرهای نو به سوی برخی از دراماتیکترین رویدادها در جهان باز میکند.» جملهٔ نقلشده ضمن برجستهسازی اهمیت تکنیکی این دستاورد، نشاندهندهٔ تأثیر علمی بر درک ساختارهای سهبعدی در انفجارهای ستارهای است.
دایرهها گنبدهای شش تلسکوپ آرایه CHARA را در رصدخانه تاریخی Mount Wilson نشان میدهند. اعتبار تصویر: Georgia State University/The CHARA Array
چگونه این نتایج ممکن شد
موفقیت این مطالعه نیازمند هماهنگی سریع بود: کشف نوواها غیرقابلپیشبینی و با تحول سریع است، بنابراین اپراتورهای CHARA باید انعطافپذیری لازم برای تغییر برنامههای شبانه و نشانهگیری آرایه به سمت اهداف تازه گزارششده را داشته باشند. ترکیب اینترفرومتری با طیفسنجی پاسخ-سریع و پایش مداوم توسط تلسکوپهای فضایی مانند فرمی امکان پیوند ساختار فضایی با انتشارهای در حال تکامل در طول طیف الکترومغناطیسی را فراهم کرد. این رویکرد چندپیامرسان و چندطولی موج اکنون بهعنوان الگویی برای مطالعهٔ گذراهای سریع دیگر مطرح است و نشان میدهد که هماهنگی بین رصدخانههای زمینی و فضایی برای کشف فیزیک بنیادی ضروری است.
علاوه بر آشکارسازی فیزیک، این روشها نحوهٔ برنامهریزی پژوهشهای آیندهٔ نووا را نیز پالایش میکنند. هشدارهای زودهنگام از رصدخانههای تمام-آسمان میتوانند مشاهدات اینترفرومتریک را فعال کنند؛ پس از آن طیفنگارها سرعتها و ترکیب در حال تحول را دنبال میکنند. با افزایش نمونهٔ سیستمهای مشاهداتی تحت این رویکرد ترکیبی، الگوهایی ممکن است پدیدار شوند که هندسهٔ انفجار را به پارامترهای دوتایی یا تاریخچهٔ تجمع پیش از انفجار پیوند دهند. چنین بینشهایی برای تدوین مدلهای پیشبینیکنندهٔ تولید پرتو گاما و دیگر تابشهای غیرحرارتی حیاتی خواهند بود.
نکات تخصصی
دکتر مایا هرناندز، اخترفیزیکدان رصدی که در این مطالعه مشارکت نداشت، اظهار کرد: «دیدن مستقیم این جریانها سوالاتی را که میپرسیدیم تغییر میدهد. قبلاً نوواها را بهصورت پوستههای کروی مدل میکردیم زیرا ابزارهای ما قادر به تفکیک چیز دیگری نبودند. اکنون باید عدم تقارن، اخراجهای اپیزودیک و تعامل میان جریانهای متعدد را در مدلها وارد کنیم. این پیچیدگی در واقع نوواها را به ابزارهای تشخیصی قدرتمندتری برای مطالعهٔ شتاب شوک و فیزیک پلاسما تبدیل میکند.» این نظر نشاندهندهٔ تغییر پارادایم در جامعهٔ اخترفیزیک دربارهٔ نقش نوواها در آزمایش نظریههای شتاب ذرات است.
گام بعدی در پژوهش نوواها چیست
نویسندگان مطالعه تأکید میکنند که این آغاز یک دوران جدید است. کمپینهای هماهنگتر نمونهٔ نوواهای مشاهدهشده با اینترفرومتری را افزایش خواهند داد و امکان مطالعات آماری الگوهای اخراج و بازده شوکی را فراهم میکنند. ارتقاء آرایهها، اینترفرومترهای با پایههای طولانیتر و زمان پاسخدهی سریعتر ابزارها تصاویر را در زمانهای زودتر و برای دورههای طولانیتر واضحتر خواهند کرد. تاسیسات مکمل — آرایههای رادیویی که انتشار سنکروترون از الکترونهای نسبیتی را ردیابی میکنند، تلسکوپهای ایکس که گازهای داغ شوکخورده را بررسی میکنند، و رصدخانههای پرتو گاما که خروجیهای پرانرژی را پایش میکنند — همگی در کنار هم تصویری کاملتر از چگونگی تبدیل انرژی هستهای به انرژی جنبشی و تابش پرانرژی در نوواها خواهند ساخت.
همانطور که الیاس آیدی، نویسندهٔ اصلی و اخترشناس دانشگاه تکزاس تک گفت: «بهجای یک پدیدهٔ تکفلاش، اکنون میتوانیم رقصنمای یک انفجار ستارهای را تماشا کنیم. نوواها بسیار پُربارتر و جالبتر از آنچه تصور میکردیم ظاهر شدهاند.» این دیدگاه نشان میدهد که مطالعات آینده نهتنها به پالایش نظریهٔ نووا کمک میکنند بلکه ابزارهای نوینی برای بررسی شتاب ذرات و تعاملات میدانهای مغناطیسی فراهم خواهند آورد.
این یافتهها نه تنها جنبههایی از نظریهٔ نووا را دگرگون میکنند، بلکه ارزش تصویربرداری سریع و با وضوح بالا برای اخترشناسی گذرا را نیز برجسته میسازند. با پوشش مکانی و زمانی بهتر، دههٔ آینده وعدهٔ درک کاملتری از چگونگی تولید شوکهای قدرتمند توسط ستارگان نسبتاً ضعیف را میدهد و نشان میدهد که نوواها میتوانند بهعنوان آزمایشگاههایی برای فیزیکهای افراطی عمل کنند. در مجموع، نقش ترکیبی تکنیکهای اینترفرومتری، طیفسنجی و پایش پرتو گاما در شکل دادن به این بینشها غیرقابل انکار است؛ ترکیبی که میتواند الگوهای جدیدی را در تولید پرتوهای پرانرژی آشکار سازد و چارچوبی برای مطالعات تجربی و نظری آینده فراهم آورد.
منبع: scitechdaily
نظرات
توربو
واقعاً میشه همه نوواها رو اینطور دید؟ تا چه حد نمونهها نمایندهان؟ شک دارم، شاید گزینشی باشن...
کوینیار
منطقیش هست، هندسه و زمانبندی واقعا مهمه. اما مدلسازیِ چندبعدی کار سادهای نیست , نیاز به محاسبات سنگین داره
دیتاویو
وااای، تصویر گرفتن از نوواها تو چند روز اول؟ بینظیر! فکر نمیکردم اینقدر پیچیده باشن، جریانهای عمود رو حس نکردم تا حالا...
ارسال نظر