9 دقیقه
کاوشگر قطبشسنجی پرتو ایکس ناسا (IXPE) ابزار جدیدی در اختیار اخترفیزیکدانان قرار داده تا محیط پرخشونت اطراف یک کوتوله سفید را به شیوهای نوین نگاشت کنند. با اندازهگیری قطبش پرتو ایکس، IXPE هندسه و فیزیک سامانه دوتایی EX Hydrae را بررسی کرد و نشان داد چگونه گازِ ربودهشده تحت تأثیر همزمان گرانش و میدان مغناطیسی رفتار میکند. این مشاهدات، بینشهای جدیدی درباره فرایندهای آکریشن مغناطیسی، ستونهای برخورد و پراکندگی پرتو ایکس فراهم میکنند و کاربرد مستقیمی در مدلسازی پلاسما در میدانهای قوی دارند.
How X-ray polarimetry opened a new window on accretion
EX Hydrae در فاصلهای حدود 200 سال نوری در صورت فلکی هیدرا قرار دارد و متعلق به گروهی از سامانههای دوتایی است که در آنها یک کوتوله سفید فشرده از ستارهٔ همدم گاز میدزدد. این گاز معمولاً در یک دیسک آکریشنی تجمع مییابد، اما تحت تأثیر میدان مغناطیسی کوتوله سفید نیز قرار میگیرد. در سامانههایی که به آنها «پلاریسهای میانی» (intermediate polars) میگویند، میدان مغناطیسی به اندازهای قوی است که بخشی از جریان ورودی را به سوی قطبهای مغناطیسی ستاره هدایت میکند و در عین حال به شکلگیری یک دیسک نیز اجازه میدهد.
وقتی گاز به صورت مارپیچی به داخل سقوط کرده و روی سطح کوتوله سفید فرود میآید، تا دهها میلیون درجه فارنهایت گرم میشود و تشعشعات قوی پرتو ایکس تولید میکند. این پرتوهای ایکس شامل نشانههای قطبشی هستند که وابسته به شکل و جهتگیری نواحی آنتش و پراکندگیاند. قطبشسنجی IXPE — تکنیکی که جهتگیری امواج نور پرتو ایکس را اندازهگیری میکند — به دانشمندان امکان میدهد تا هندسهٔ جریان آکریشن را در مقیاسهایی خیلی کوچکتر از آنچه هیچ ابزار تصویربرداری مستقیمی میتواند تفکیک کند، استنتاج کنند. این روش، با ترکیب اطلاعات قطبش، طیفسنجی و زمانسنجی، یک محور مشاهدهای مستقل و قدرتمند برای مطالعه آکریشن مغناطیسی فراهم میسازد.
از منظر فیزیکی، دادههای قطبش کمک میکنند تا تفکیک بین اجزای تابش مستقیم، تابش حاصل از شوک و تابش بازتابی یا پراکندهشده انجام شود؛ مثلاً تشخیص اینکه چه بخشهایی از پرتوهای ایکس مستقیماً از ستون آکریشنی ساطع شده و چه بخشهایی پس از پراکندگی روی سطح کوتوله سفید یا در محیط پیرامون تغییر جهت دادهاند. این نوع تفکیک برای اصلاح مدلهای انتقال تشعشع، رفتار پلاسما در میادین قوی و برآورد پارامترهایی مانند ضریب جذب، مقیاس طولی ستون و زوایای میدان مغناطیسی حیاتی است.
Key findings from a week-long IXPE observation
IXPE در سال 2024 نزدیک به یک هفته به رصد EX Hydrae پرداخت. اندازهگیریهای قطبش بهدستآمده که در مجله Astrophysical Journal توسط تیمی به رهبری مؤسسه تکنولوژی ماساچوست (MIT) و با مشارکت محققانی از مؤسسات مختلف گزارش شد، به پژوهشگران امکان داد تا اندازه و ساختار ستون آکریشنی بالای کوتوله سفید را محدود سازند. تحلیلهای پیچیده شامل محاسبه مؤلفههای استوکز (Stokes parameters)، مدلسازی انتقال تابش و شبیهسازیهای پرتو-پلاسما به تفسیر دادهها کمک کردند.
با استفاده از اطلاعات قطبش، تیم تحقیقاتی برآورد کرد که ستون تابشکنندهٔ ایکس که طی فرایند آکریشن شکل میگیرد، حدوداً 2,000 مایل از سطح کوتوله سفید بالا میآید — مقیاسی که در فاصلهٔ 200 سال نوری عملاً با هیچ ابزار تصویربرداری مستقیم قابل مشاهده نیست. این طول ستون نشاندهنده تعادل بین فشار دینامیکی جریان ورودی، فروپاشی در شوک جلویی و اتلاف انرژی از طریق تابشِ حرارتی (thermal bremsstrahlung) و فرایندهای خنککنندهٔ پلاسمایی است. دادهها همچنین نشان میدهند که بخشی از پرتوهای ایکس مشاهدهشده در اثر بازتاب و پراکندگی از سطح کوتوله سفید حاصل شدهاند؛ جزئیاتی که برای پالایش مدلهای انتقال تشعشع و رفتار پلاسما در میدانهای گرانشی و مغناطیسی قوی اهمیت دارد.
از منظر روششناسی، سنجشهای IXPE تعداد فروض لازم برای استنتاج ارتفاع ستون، ساختار شاک (shock)، و نقاطی که انرژی در جریان آکریشن تخلیه میشود را کاهش میدهد. این بهبودِ دادهای باعث افزایش قطعیت در تعیین نرخ آکریشن، شدت و توپولوژی میدان مغناطیسی و مشخصههای زوایای انتشار میشود. بنابراین نتایج فقط به EX Hydrae محدود نمیماند، بلکه فهم ما را از سایر دوتاییهای پرانرژی که در آنها آکریشن مغناطیسی نقش تعیینکنندهای در شکلگیری تابش دارد، ارتقا میبخشد. این امر در نهایت به توسعه مدلهای فیزیکی قابل تعمیم به سامانههایی مانند ستارههای نوترونی آکریشندار و دیسکهای اطراف سیاهچالههای اَبَرجرم کمک میکند.
تصویر هنری از فضاپیمای IXPE در مدار که پدیدههای پرانرژی را نورسالها دور از زمین مطالعه میکند.
Scientific context and broader implications
کوتولههای سفید هستههای چگالی هستند که پس از سوختسوزی هستهای ستارههایی مانند خورشید به جا میمانند. آنها تقریباً جرم خورشید را در حجمی به اندازهٔ زمین جای میدهند و گرانش سطحی بسیار شدیدی ایجاد میکنند. وقتی یک کوتوله سفید ماده را از یک همدم میگیرد، تعامل میان گرانش، میدانهای مغناطیسی و پلاسما با دمای بسیار بالا بعضی از پرانرژیترین ـ و از نظر فیزیکی پیچیدهترین ـ فرایندها را در اخترفیزیک ستارهای پدید میآورد.
قطبشسنجی یک محور مشاهدهای مستقل به تحلیلگران میدهد: در حالی که طیفسنجی (spectroscopy) اطلاعاتی دربارهٔ دما، ترکیب و حرکت فراهم میآورد و زمانسنجی (timing) تغییرات و فرکانسها را نشان میدهد، قطبش به هندسه و فیزیک پراکندگی میپردازد. با ترکیب این تشخیصیها، دانشمندان میتوانند شدت و پیکربندی میدان مغناطیسی، نرخ آکریشن و محل تشکیل شاک را دقیقتر محدود کنند. این دقت بالاتر مدلهای نظری را در زمینههای متنوعی تقویت میکند؛ از آکریشن روی ستارههای نوترونی گرفته تا دیسکهای اطراف سیاهچالههای اَبَرجرم که فیزیک مشابهی در مقیاسهای متفاوت رخ میدهد.
مأموریت IXPE که نتیجهٔ همکاری ناسا و آژانس فضایی ایتالیا (ASI) با تیمهای علمی در بیش از ده کشور است، دستاوردهای رصدی در حوزه اخترشناسی پرتو ایکس را گسترش میدهد. رهبری مأموریت در مرکز پرواز فضایی مارشال ناسا (Marshall Space Flight Center) و شرکای عملیاتی مانند BAE Systems و آزمایشگاه فیزیک جوّی و فضایی دانشگاه کلرادو (Laboratory for Atmospheric and Space Physics) امکان رصد مستمرِ اجسامِ افراطی مانند EX Hydrae را فراهم میسازند. چنین همکاریهای بینالمللی و بینمرکزی باعث میشوند که دادههای قطبش با کیفیت بالا جمعآوری و تحلیلی چندوجهی امکانپذیر شود.
از دیدگاه تئوری، نتایج IXPE میتوانند پارامترهای کلیدی در مدلهای انتقال تابش و شبیهسازیهای هیدرودینامیکی مغناطیسی (MHD) را بهبود دهند. این شامل اصلاحات در هندسهٔ ستون، نرخهای خنکشدن پلاسمایی، نقش بازتاب از سطح جامد کوتوله و اثرات زاویهای بر درجهٔ قطبش و زاویهٔ قطبش است. در نهایت، به قالببندی بهترِ پیشبینیهای مربوط به طیفهای X-آلی و منحنیهای نوریِ فاز-وابسته کمک میکند، که برای مقایسه با دادههای چندباندی (نوری، فرابنفش و پرانرژیتر) اهمیت دارد.
Future prospects for X-ray polarimetry
با اثبات این توانایی توسط IXPE که قطبش میتواند ویژگیهایی مانند ارتفاع ستون آکریشنی را اندازهگیری کند، مشاهدات آینده قادر خواهند بود نمونهٔ وسیعتری از پلاریسهای میانی و سایر آکریتورهای مغناطیسی را هدف قرار دهند. پایشهای مکرر میتوانند نشان دهند هندسهٔ ستون چگونه با تغییر نرخ آکریشن تحول میکند یا توپولوژی مغناطیسی در طول زمان چگونه تغییر مییابد. علاوه بر این، ترکیب دادههای IXPE با مشاهدات نوری، فرابنفش و رصدهای پرتو ایکس در انرژیهای بالاتر (مثلاً با تلسکوپهایی که برد انرژی متفاوتی دارند) نقشههای کاملتری از گوشههای پرانرژی سامانههای دوتایی ایجاد خواهد کرد.
در برنامههای آتی، امکان مقایسه سیستمهای مختلف در طبقهبندیهای گوناگون آکریشن (مانند آکریشن از طریق جریان مستقیم در مقابل آکریشن دیسکی) وجود دارد تا نقش میدان مغناطیسی در تعیین طیف و درجهٔ قطبش بهتر مشخص شود. همینطور، تحلیل همگرا از دادههای پُلیباندی میتواند به تفکیک مؤلفههای تابشِ حرارتی، غیرحرارتی و بازتابی کمک کند که برای درک کامل فرایندهای انتقال انرژی و تسهیم فازی پلاسما حیاتی است.
Expert Insight
«قطبشسنجی به ما یک اهرم هندسی برای فرایندهایی میدهد که قبلاً تنها بهصورت غیرمستقیم استنتاج میشدند،» دکتر لنا اورتگا، اخترفیزیکدانی که در تیم IXPE حضور نداشت، میگوید. «اندازهگیری ارتفاع ستونی در حدود 2,000 مایل پیرامون یک بازماندهٔ ستارهای که صدها سال نوری دور است، نمونهٔ بارزی از این است که چگونه تکنیکهای نوین به ما اجازه میدهند فیزیک آکریشن را با جزئیات آزمون و تصحیح کنیم.»
با ادامهٔ رصدهای IXPE در آسمان، دادههای قطبشی آن مدلها را در سراسر اخترفیزیک تغذیه خواهند کرد و توانایی ما را برای تفسیر تابشهای پرانرژی از اجسام چگال در سراسر جهان بهبود میبخشند. در کنار پیشرفتهای فنی در آشکارسازها و تحلیل آماری قطبش، چشمانداز این است که در آینده نهچنداندور، پایش قطبشسنجی پرتو ایکس به بخشی استاندارد از جعبهابزار رصدی برای مطالعهٔ آکریشن مغناطیسی و پلاسما در میدانهای قوی تبدیل شود.
در جمعبندی، مشاهدات IXPE از EX Hydrae نه تنها یک مورد مطالعاتی جذاب در اخترفیزیک پرانرژی ارائه میدهند، بلکه نشان میدهند که چگونه قطبشسنجی پرتو ایکس میتواند محدودیتهای قبلی در رؤیت هندسهٔ میکروسکوپی جریانها و ستونهای آکریشنی را پشت سر بگذارد. این دستاوردها راه را برای بررسی دقیقتر پدیدههایی هموار میکند که مقیاس فیزیکیشان در سطحی قرار دارد که فقط با تجمیع اطلاعات از روشهای چندگانه میتوان به آنها دست یافت؛ ترکیبی از طیفسنجی، زمانسنجی، و اکنون قطبشسنجی پرتو ایکس.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر