اخترشناسان “چشم سائورون” را در حال تابش به سوی زمین رصد کردند!

اخترشناسان با ثبت تصویری خیره‌کننده از یک فوران کیهانی قدرتمند که مستقیماً به سمت زمین نشانه رفته، به کشفی بزرگ دست یافتند. این فوران که شباهت عجیبی به “چشم سائورون” در مجموعه ارباب حلقه‌ها دارد، به دانشمندان اجازه داد تا به قلب یک بليزار مرموز نگاه و سرانجام معمای چگونگی پرتاب ذرات به انرژی‌های فوق‌العاده را حل کنند. این کشف که با استفاده از سال‌ها رصد دقیق و پیشرفته‌ترین ابزارهای نجومی صورت گرفته، دریچه جدیدی به سوی درک ما از جهان‌های دوردست و قوانین فیزیکی حاکم بر آن‌ها می‌گشاید.

نکات کلیدی

• نگاهی به هسته یک کهکشان: اخترشناسان تصویری دقیق از محل تولد یک فوران کیهانی قدرتمند ثبت کرده‌اند. این تصویر با رنگ‌های مصنوعی خود، شباهت خیره‌کننده‌ای به “چشم سائورون” در افسانه‌ها دارد.
• معمای نوترینو: PKS 1424+240 برجسته‌ترین منبع شناخته شده نوترینوی هم‌نوع خود است. اما فوران آن بسیار کُند به نظر می‌رسید که نتواند عامل نوترینوهای با انرژی بسیار بالای مشاهده‌شده باشد.
• مارپیچ‌های مغناطیسی که به ذرات انرژی می‌دهند: پس از ۱۵ سال رصدهای دقیق با آرایه خط پایه بسیار بلند (VLBA)، دانشمندان ساختار فوران را با جزئیات بی‌سابقه‌ای آشکار کردند. این تصویر، میدان‌های مغناطیسی حلقوی یا توروئیدی را نشان می‌دهد که مانند یک فنر پیچ‌خورده عمل کرده و ذرات را به انرژی‌های فوق‌العاده‌ای شتاب می‌دهند. این مکانیسم سرانجام هم نوترینوهای پرانرژی و هم پرتوهای گاما را که از این بليزار ساطع می‌شوند، توضیح می‌دهد.

معمایی کیهانی

بليزار PKS 1424+240 که میلیاردها سال نوری از زمین فاصله دارد، سال‌ها دانشمندان را گیج کرده بود. رصدخانه نوترینو آیس‌کیوب (IceCube Neutrino Observatory) آن را به عنوان درخشان‌ترین بليزار تولیدکننده نوترینو، شناسایی کرده بود، در حالی‌که این بليزار پرتوهای گامای بسیار پرانرژی را نیز منتشر می‌کرد که توسط تلسکوپ‌های چرنکوف زمینی شناسایی شده بودند. اما معمای آن در این بود که فوران رادیویی‌اش به‌طرز غیرعادی آهسته حرکت می‌کرد و این با این فرض که فقط فوران‌های با حرکت سریع می‌توانند چنین تابش‌های قدرتمندی را ایجاد کنند، در تضاد بود.

اکنون، پس از ۱۵ سال پایش دقیق با آرایه خط پایه بسیار بلند (VLBA)، اخترشناسان دقیق‌ترین تصویر ممکن از این فوران را به دست آورده‌اند.

کشف خیره‌کننده میدان مغناطیسی

یوری کووالف، نویسنده اصلی این مطالعه در موسسه ماکس پلانک برای اخترشناسی رادیویی (MPIfR)، می‌گوید:

وقتی تصویر را بازسازی کردیم، مطلقاً خیره‌کننده به نظر می‌رسید. ما هرگز چیزی شبیه به آن ندیده بودیم؛ یک میدان مغناطیسی توروئیدی تقریباً کامل با یک فوران که مستقیماً به سمت ما نشانه رفته بود.

از آنجایی که این فوران تقریباً دقیقاً به سمت زمین است، نور تولیدشده توسط آن به دلیل اثرات نسبیتی به شدت تقویت می‌شود. جک لیوینگستون، یکی از نویسندگان این مطالعه در MPIfR، توضیح می‌دهد:

این هم‌ترازی باعث افزایش درخشندگی به میزان ۳۰ برابر یا بیشتر می‌شود. در همین حال، فوران به دلیل اثرات پروجکشن آهسته به نظر می‌رسد، که یک خطای دید کلاسیک است.

نگاهی به قلب بليزار

این هندسه به دانشمندان فرصتی بسیار نادر داد تا مستقیماً به قلب فوران بليزار نگاه کنند. سیگنال‌های رادیویی قطبی‌شده به تیم کمک کردند تا ساختار میدان مغناطیسی فوران را ترسیم کرده و شکل احتمالی مارپیچ یا توروئیدی آن را آشکار کنند. این ساختار نقشی کلیدی در پرتاب و موازی کردن جریان پلاسما دارد و ممکن است برای شتاب‌دادن ذرات به انرژی‌های بسیار بالا ضروری باشد.

کووالف نتیجه می‌گیرد:

حل این معما تأیید می‌کند که هسته‌های فعال کهکشانی با سیاهچاله‌های ابرجرم، نه تنها شتاب‌دهنده‌های قدرتمند الکترون، بلکه شتاب‌دهنده‌های پروتون نیز هستند؛ که سرمنشأ نوترینوهای پرانرژی مشاهده‌شده محسوب می‌شوند.

برنامه موجاو (MOJAVE): ده‌ها سال پایش فوران‌ها

این کشف یک پیروزی برای برنامه MOJAVE است، تلاشی که برای ده‌ها سال برای پایش فوران‌های نسبیتی در کهکشان‌های فعال با استفاده از آرایه خط پایه بسیار بلند (VLBA) انجام شده است. دانشمندان از تکنیک تداخل‌سنجی خط پایه بسیار بلند (VLBI) استفاده می‌کنند که تلسکوپ‌های رادیویی را در سراسر جهان به هم متصل می‌کند تا یک تلسکوپ مجازی به اندازه زمین تشکیل دهد. این تکنیک بالاترین وضوح ممکن در نجوم را فراهم می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا جزئیات ریز فوران‌های کیهانی دوردست را بررسی کنند.

آنتون زنسوس، مدیر MPIfR و یکی از بنیانگذاران این برنامه، می‌گوید:

وقتی MOJAVE را آغاز کردیم، ایده اتصال مستقیم فوران‌های سیاهچاله دوردست به نوترینوهای کیهانی روزی مانند داستان‌های علمی-تخیلی به نظر می‌رسید. امروز، رصدهای ما در حال تبدیل آن به واقعیت هستند.

یک نقطه عطف در نجوم چند-پیام‌رسان

این نتیجه، ارتباط بین فوران‌های نسبیتی، نوترینوهای پرانرژی و نقش میدان‌های مغناطیسی در شکل‌دهی شتاب‌دهنده‌های کیهانی را تقویت می‌کند و یک نقطه عطف در نجوم چند-پیام‌رسان محسوب می‌شود.

اطلاعات پس‌زمینه

• بليزار (Blazar): نوعی از هسته کهکشانی فعال است که توسط یک سیاهچاله ابرجرم نیرو می‌گیرد و یک فوران پلاسما را با سرعتی نزدیک به سرعت نور پرتاب می‌کند. ویژگی خاص یک بليزار جهت‌گیری آن است: یکی از فوران‌هایش در زاویه‌ای حدود ۱۰ درجه به سمت زمین قرار دارد. این هم‌ترازی باعث می‌شود بليزارها در سراسر طیف الکترومغناطیسی بسیار درخشان به نظر برسند و به دانشمندان امکان می‌دهد فرآیندهای فیزیکی فوق‌العاده‌ای را بررسی کنند؛ از جمله شتاب‌دهی ذرات به انرژی‌هایی بسیار فراتر از آنچه در شتاب‌دهنده‌های ساخت دست بشر به دست می‌آید.
• آرایه خط پایه بسیار بلند (VLBA): این آرایه شامل ۱۰ آنتن است که در مکان‌هایی در سراسر ایالات متحده، هاوایی و سنت کروکس قرار دارند و در حالت تداخل‌سنجی خط پایه بسیار بلند (VLBI) کار می‌کند. فاصله بین آنتن‌ها تا حدود ۱۰ هزار کیلومتر متغیر است و وضوح زاویه‌ای در آسمان تا ۵۰ میکروثانیه قوسی را فراهم می‌کند.
• موجاو (MOJAVE): مخفف عبارت “پایش فوران‌ها در هسته‌های کهکشانی فعال با آزمایش‌های VLBA” است و یک برنامه بلندمدت برای پایش تغییرات درخشندگی و قطبش رادیویی در فوران‌های مرتبط با کهکشان‌های فعالی است که در آسمان شمالی قابل مشاهده‌اند. این رصدها با استفاده از آرایه VLBA انجام می‌شود، که ما را قادر می‌سازد تصاویر با قطبش کامل و وضوح زاویه‌ای بهتر از ۱ میلی‌ثانیه قوسی (معادل جدایی ظاهری چراغ‌های جلوی خودروی شما، از دید یک فضانورد در ماه) تهیه کنیم. ما از این داده‌ها برای درک بهتر تکامل پیچیده و ساختارهای میدان مغناطیسی فوران‌ها در مقیاس‌های سال نوری، نزدیک به جایی که در هسته فعال سرچشمه می‌گیرند، و نیز چگونگی همبستگی این فعالیت با انتشار پرتوهای پرانرژی الکترومغناطیسی و نوترینو استفاده می‌کنیم.
• موسس (MuSES): که مخفف “مطالعات چند-پیام‌رسان منابع پرانرژی” است، یک ابتکار پیشگامانه در اختر فیزیک محسوب می‌شود. این برنامه به مطالعه هسته‌های کهکشانی فعال (AGN) اختصاص دارد، که از قدرتمندترین شتاب‌دهنده‌های ذرات شناخته شده در کیهان هستند. این اجرام آسمانی، انرژی گرانشی ماده‌ای را که توسط سیاهچاله‌های ابرجرم انباشته می‌شود، مهار کرده و آن را به انرژی الکترومغناطیسی و جنبشی تبدیل می‌کنند، که نتیجه آن تولید الکترون‌ها و پروتون‌های بسیار نسبیتی است. شتاب‌دهی پروتون‌ها و ارتباط آن با تولید نوترینو به خوبی درک نشده و چالشی بزرگ برای محققان به شمار می‌رود. هدف موسس، پرداختن به این پرسش‌های اساسی با بهره‌گیری از پیشرفت‌های اخیر در نجوم چند-پیام‌رسان است.

منبع: Scitechdaily