اخترشناسان برای نخستین بار موفق به اندازهگیری لایههای پلاسمایی درون یک موج ضربهای میانستارهای شدهاند که یک تپاختر را احاطه کرده است.
دانیل ریرودن، پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه فناوری سوینبرن، بر روی تپاخترها و امواج گرانشی تحقیق میکند.
با استفاده از قدرتمندترین تلسکوپ رادیویی نیمکره جنوبی، ما یک ستارهی چشمکزن را رصد کردیم و انبوهی از ساختارهای پلاسمایی مرموز را در همسایگی کیهانی خود کشف کردیم.
این ساختارهای پلاسما، تغییراتی در چگالی یا تلاطم هستند، مشابه گردبادهای میانستارهای که توسط رویدادهای پرانرژی در کهکشان به وجود آمدهاند.
نتایج این مطالعه که در نشریهی Nature Astronomy منتشر شده، اولین اندازهگیریهای لایههای پلاسمایی درون یک موج ضربهای اطراف یک تپاختر را نیز شرح میدهد.
اکنون دریافتهایم که محیط میانستارهای اطراف ما پر از این ساختارهاست. یافتههای ما همچنین پدیدهای نادر را آشکار کرده که نظریههای موجود دربارهی موجهای ضربهای تپاخترها را به چالش میکشد.
تپاختر چیست و چرا موج ضربهای ایجاد میکند؟
ما تمرکز خود را بر تپاختر سریع و نزدیک J0437-4715 گذاشتیم که تنها ۵۱۲ سال نوری از زمین فاصله دارد.
تپاختر، ستارهای نوترونی است؛ بقایای فوقالعاده چگال یک ستاره که پرتوهای رادیویی و “باد” ذرات پرانرژی تولید میکند.
این تپاختر و بادش با سرعتی مافوق صوت از دل محیط میانستارهای عبور میکنند — محیطی که شامل گاز، غبار و پلاسماست — و در نتیجه یک موج ضربهای پیشرونده یا کمانشوک ایجاد میکنند که از گاز داغی تشکیل شده و در نور سرخ میدرخشد.
پلاسمای میانستارهای آشفته است و امواج رادیویی تپاختر را اندکی از مسیر مستقیم منحرف میکند. این پراکندگی باعث ایجاد الگوهایی از لکههای روشن و تاریک میشود که در اثر حرکت زمین، تپاختر و پلاسما در فضا، بر روی تلسکوپهای ما جابجا میشوند.
از دیدگاه ما، این پدیده باعث چشمکزدن یا «اختلال» سیگنال تپاختر میشود — مشابه همان چیزی که تلاطم جو زمین باعث چشمک زدن ستارگان در شب میشود.
این چشمکزدن اطلاعاتی منحصر به فرد دربارهی ساختارهای کوچک و کمنور پلاسمایی فراهم میکند که با هیچ روش دیگری قابل آشکارسازی نیستند.
ستارهی رادیویی چشمکزن
برای چشم غیرمسلح، چشمکهای یک ستاره ممکن است تصادفی به نظر برسد.
اما در مورد تپاخترها، الگوهای پنهانی در این چشمکها وجود دارد.
با تکنیکهای مناسب، میتوان از الگوهای تداخل نوری، اشکال منظمی به نام قوسهای اختلالی (Scintillation Arcs) استخراج کرد. این قوسها محل و سرعت ساختارهای فشرده در پلاسما را مشخص میکنند.
مطالعه قوسهای اختلالی مانند انجام یک سیتیاسکن از محیط میانستارهای است؛ هر قوس یک لایهی نازک از پلاسما را آشکار میکند.
در حالت معمول، مطالعات اختلالی تنها یکی یا نهایتاً چند قوس آشکار میکنند و فقط چگالترین یا آشفتهترین ساختارها را نشان میدهند.
اما در این مطالعه، ما ۲۵ قوس اختلالی کشف کردیم — بیشترین تعداد ساختارهای پلاسمایی که تاکنون برای یک تپاختر مشاهده شده است.
این حساسیت بالا به دلیل نزدیکی تپاختر (نزدیکترین تپاختر میلیثانیهای به ما) و مساحت جمعآوری بزرگ تلسکوپ رادیویی MeerKAT در آفریقای جنوبی امکانپذیر شد.
شگفتیهای حباب محلی
از میان ۲۵ قوس کشفشده، ۲۱ قوس مربوط به ساختارهای موجود در محیط میانستارهای بودند.
این کشف تعجبآور بود، زیرا انتظار میرفت که در منطقهای نسبتاً آرام از کهکشان به نام حباب محلی (Local Bubble) باشیم.
حدود ۱۴ میلیون سال پیش، انفجارهای ستارهای در این بخش از کهکشان، مادههای میانستارهای را کنار زدند و حبابی داغ ایجاد کردند که هنوز هم در حال گسترش است و اکنون تا ۱۰۰۰ سال نوری گسترده شده.
اما کشف جدید نشان میدهد که این حباب به آن اندازه که تصور میشد خالی نیست؛ بلکه از ساختارهای پلاسمایی فشرده پر شده که فقط در صورتی میتوانند پایدار بمانند که دمای آن از میلیونها درجه، به حدود ۱۸٬۰۰۰ درجه فارنهایت (۱۰٬۰۰۰ درجه سانتیگراد) کاهش یافته باشد.
کشفیات شوکآور
تصاویر متحرک نشان میدهند که تپاختر توسط موج ضربهای خود احاطه شده که در نور سرخ میدرخشد.
درحالیکه تصور میشود بیشتر تپاخترها موجهای ضربهای تولید میکنند، تنها تعداد کمی از آنها تاکنون رصد شدهاند.
تا پیش از این مطالعه، هیچکدام با استفاده از تکنیک اختلالی مورد بررسی قرار نگرفته بود.
ما چهار قوس اختلالی باقیمانده را به ساختارهای پلاسمایی درون موج ضربهای تپاختر نسبت دادیم — برای اولین بار اخترشناسان توانستند به درون یکی از این موجهای ضربهای نگاه کنند.
این مشاهدات، نمایی سیتیاسکنگونه از لایههای مختلف پلاسمایی فراهم کرد. با ترکیب این دادهها با یک تصویر اپتیکی، ما یک مدل سهبعدی جدید از این شوک ساختیم که نشان میدهد به دلیل حرکت تپاختر، موج ضربهای اندکی از دید ما منحرف شده است.
همچنین سرعت لایههای پلاسما را اندازه گرفتیم و به طور غیرمنتظرهای متوجه شدیم که یکی از ساختارهای داخلی در خلاف جهت جریان کلی مادهی شوکخورده حرکت میکند — پدیدهای نادر که پیش از این فقط در شبیهسازیها دیده شده بود.
این کشف مدلهای نظری موجهای ضربهای تپاخترها را دگرگون خواهد کرد.
علمی که چشمک میزند
با ساخت رادیوتلسکوپهای جدید و حساستر در سراسر جهان، انتظار میرود اختلالات بیشتری از موجهای ضربهای تپاخترها و دیگر رویدادهای میانستارهای مشاهده شود.
این مشاهدات پرده از فرایندهای پرانرژی کیهان برمیدارند که این ساختارهای پلاسمایی نامرئی را ایجاد میکنند.
چشمک این تپاختر همسایه ساختارهای پلاسمایی غیرمنتظرهای را درون حباب محلی ما آشکار کرد و به ما امکان داد نقشهبرداری و اندازهگیری سرعت پلاسما درون یک موج ضربهای را انجام دهیم.
واقعاً شگفتانگیز است که یک ستارهی کوچک چشمکزن چه رازهایی را میتواند برملا کند.
