تجزیه و تحلیل سیگنال عجیب یک ستاره مرده: نگاهی به منشاء و توضیح آن

این تپ اختر خرچنگ است و در درون پالس های رادیویی آن سیگنال عجیبی وجود دارد که سال ها ستاره شناسان را متحیر کرده است. این الگو که الگوی گورخر نامیده می شود، هنگام ترسیم به نظر می رسد فاصله ای عجیب از باندهای طول موج، شبیه نوارهای سیخ دار زیگزاگ یک گورخر است.

هیچ چیز دیگری در فضا تابش کاملاً مشابه آن را ندارد و ستاره شناسان از زمانی که این الگو برای اولین بار نزدیک به دو دهه پیش مشاهده شد به دنبال توضیحی در این زمینه بوده اند.

اکنون، یک اخترفیزیکدان نظری فکر می کند که ممکن است این معما را حل کرده باشد.

به گفته میخائیل مدودف از دانشگاه کانزاس، این یک الگوی تداخلی است که توسط پراش نور توسط چگالی‌های مختلف پلاسما در داخل مغناطیس‌کره تپ‌اختر ایجاد می‌شود.

مدودف توضیح می‌دهد: اگر صفحه‌ای داشته باشید و یک موج الکترومغناطیسی از کنار آن عبور کند، موج مستقیماً منتشر نمی‌شود.

در اپتیک هندسی، سایه‌هایی که توسط موانع ایجاد می‌شوند به‌طور نامحدود گسترش می‌یابند – اگر در سایه باشید، نوری وجود ندارد؛ در خارج از آن، نور را مشاهده می‌کنید. اما اپتیک موجی رفتار متفاوتی را معرفی می‌کند – امواج در اطراف موانع خم می‌شوند و با یکدیگر تداخل می‌کنند. این امر باعث ایجاد دنباله‌ای از حاشیه‌های روشن و کم‌نور به دلیل تداخل سازنده و مخرب می‌شود.

تپ اختر خرچنگ بقایای هولناک یک ابرنواختر در فاصله ۶۲۰۰ سال نوری از ما است که در سال ۴۳۲ حجری شمسی در آسمان زمین شکوفا شد. این مرگ تماشایی یک ستاره عظیم بود که مواد بیرونی خود را در یک عطسه شدید به بیرون پرتاب می کرد. هسته در مرکز ستاره – که دیگر توسط فشار بیرونی همجوشی پشتیبانی نمی‌شود – تحت تأثیر گرانش سقوط کرد و یک ستاره نوترونی تشکیل داد.

این اجرام فوق چگال بسیار کوچک هستند و سنگین‌ترین آن‌ها تا ۲.۳ برابر جرم خورشید در کره‌ای با عرض تنها ۲۰ کیلومتر (۱۲ مایل) جمع می‌شوند. تپ اختر نوعی ستاره نوترونی است که فواره های امواج رادیویی را از قطب های خود منفجر می کند. همانطور که ستاره با سرعتی باورنکردنی می چرخد، این فواره ها مانند پرتوهای فانوس دریایی هستند که به گونه ای از کنار زمین عبور می کنند که به نظر می رسد ستاره در حال تپش است.

Crab Pulsar دارای یک دوره چرخشی در حدود ۳۳ میلی ثانیه است، به این معنی که حدود ۳۰ بار در ثانیه ضربان دارد.

ستاره شناسان از زمان کشف این تپ اختر در دهه ۱۳۳۸ در وسط حباب زباله های در حال انبساط مطالعه کرده اند و آن را به اولین ستاره ای تبدیل کرده اند که با اطمینان به یک رویداد ابرنواختری مرتبط می شود. بیش از نیم قرن است که هنوز اسرار خود را دارد: الگوی اسرارآمیز گورخر تا سال ۱۳۸۵ کشف نشده بود، و پسر این یک معماست.

مدودف می‌گوید: ‘این کاملاً روشن است، تقریباً در تمام باندهای موج’. ‘این تنها جسمی است که ما می‌شناسیم که الگوی گورخر را تولید می‌کند و تنها در یک جزء تابشی منفرد از تپ اختر خرچنگ ظاهر می‌شود. پالس اصلی یک پالس با عرض باند وسیع است، نمونه‌ای از بیشتر تپ اخترها، با سایر اجزای باند وسیع مشترک برای ستاره‌های نوترونی. با این حال، اینترپالس با فرکانس بالا منحصر به فرد است، بین ۵ تا ۳۰ گیگاهرتز – فرکانس‌هایی مشابه فرکانس‌های مایکروویو.’

از آنجایی که ما برای مدت طولانی تپ اختر را با دقت رصد کرده ایم، داده های رصدی فراوانی در دسترس است. مدودف این داده ها را گرفت و با این فرض که الگوی گورخر نشان دهنده یک حاشیه پراش است، مدلی را بر اساس اپتیک موج برای محاسبه چگالی پلاسمای تپ اختر توسعه داد.

این مدل به دقت مشاهدات را تکرار کرد و توضیحی ماهرانه برای رفتار عجیب تپ اختر ارائه داد. مدودف دریافت که همانطور که امواج رادیویی از تپ اختر بیرون می‌آیند، برهم‌کنش‌های بین پلاسما و میدان مغناطیسی یک الگوی تداخل پراشی ایجاد می‌کند که شبیه نوارهای گورخری زیگزاگ است.

مدودف می‌گوید: اگر فقط یک ستاره نوترونی به عنوان سپر داشته باشیم، یک الگوی پراش معمولی حاشیه‌هایی با فاصله یکسان ایجاد می‌کند.

اما در اینجا، میدان مغناطیسی ستاره نوترونی، ذرات باردار تشکیل دهنده پلاسمای متراکم را تولید می کند که با فاصله از ستاره تغییر می کند. همانطور که یک موج رادیویی در پلاسما منتشر می شود، از مناطق رقیق می گذرد اما توسط پلاسمای متراکم منعکس می شود. فرکانس: فرکانس‌های پایین در شعاع‌های بزرگ منعکس می‌شوند و سایه بزرگ‌تری ایجاد می‌کنند، در حالی که فرکانس‌های بالا کوچک‌تر ایجاد می‌کنند. سایه‌ها، که منجر به ایجاد فاصله‌های مختلف حاشیه‌ها می‌شود.

این مدل می‌تواند ابزار جدیدی برای اندازه‌گیری چگالی پلاسما در مغناطیس‌کره‌های تپ‌اخترها و سایر محیط‌های شدید که در آن الگوهای پراش یافت می‌شوند، نشان دهد. اگرچه هیچ چیز در آسمان مانند کراب پالسار وجود ندارد، اما مکان ها و روش های دیگری نیز وجود دارد که می توان از این مدل استفاده کرد.

مدودف می‌گوید: خرچنگ پالسار تا حدودی منحصربه‌فرد است – از نظر استانداردهای نجومی نسبتاً جوان است، تنها حدود هزار سال قدمت دارد و بسیار پرانرژی است.

‘اما این تنها نیست؛ ما صدها تپ اختر را می شناسیم که بیش از دوازده تپ اختر نیز جوان هستند. تپ اخترهای دوتایی شناخته شده، که برای آزمایش نظریه نسبیت عام انیشتین استفاده شده اند، نیز می توانند با روش پیشنهادی کاوش شوند. این تحقیق در واقع می تواند گسترش یابد. درک و تکنیک های رصد ما برای تپ اخترها، به ویژه تپ اخترهای جوان و پرانرژی.’