رازگشایی از تپ اخترِ خرچنگ: معمای امواج رادیویی که دانشمندان را گیج کرده بود!

رمزگشایی از معمای «زبره» در امواج رادیویی سحابی خرچنگ

یک دانشمند فیزیک نظری از دانشگاه کانزاس، شاید توانسته باشد معمایی دو دهه‌ای را درباره منشأ الگوی غیرمعمول «زبره» که در پالس‌های رادیویی با فرکانس بالا از سحابی خرچنگ مشاهده می‌شود، حل کند. یافته‌های او اخیراً در مجله Physical Review Letters (PRL) منتشر شده است.

سحابی خرچنگ در مرکز خود یک ستاره نوترونی دارد که به یک تپ‌اختر (پالسار) به پهنای 12 مایل تبدیل شده و امواج الکترومغناطیسی را به سراسر کیهان می‌فرستد. میخائیل مدودف، نویسنده اصلی و استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه کانزاس، توضیح می‌دهد: «این تابش، شبیه به پرتو یک فانوس دریایی است که به‌طور مرتب و منظم با چرخش ستاره از مقابل زمین عبور می‌کند.» او ادامه داد: «ما این تابش را به‌صورت پالس مشاهده می‌کنیم، معمولاً با یک یا دو پالس در هر بار چرخش. این تپ‌اختری که صحبتش را می‌کنم، به نام تپ‌اختر خرچنگ شناخته می‌شود و در قلب سحابی خرچنگ واقع شده که 6000 سال نوری از ما فاصله دارد.»

سحابی خرچنگ، بازمانده یک ابرنواختر است که در سال 1054 میلادی ظاهر شد. مدودف می‌گوید: «شواهد تاریخی، از جمله گزارش‌های چینی، ثبت کرده‌اند که ستاره‌ای به طرز غیرعادی در آسمان درخشیده است.» اما مدودف معتقد است برخلاف هر تپ‌اختر دیگری که تا به حال شناخته شده، تپ‌اختر خرچنگ یک الگوی زبره دارد؛ یعنی فواصل غیرمعمول در طیف امواج الکترومغناطیسی که با فرکانس‌ها هماهنگی دارند و مشخصه‌های عجیب دیگری مثل قطبش بالا و تداوم. او اضافه می‌کند: «این تپ‌اختر تقریباً در تمام باندهای موجی، بسیار درخشان است. تنها منبع شناخته شده‌ای است که الگوی زبره را تولید می‌کند و این الگو فقط در یکی از بخش‌های تابشی تپ‌اختر خرچنگ دیده می‌شود. پالس اصلی، یک پالس پهن‌باند است که معمولاً در بیشتر تپ‌اخترها مشاهده می‌شود، همراه با بخش‌های پهن‌باند دیگر که در ستاره‌های نوترونی معمول است. با این حال، پالس میانی با فرکانس بالا منحصربه‌فرد است و بین 5 تا 30 گیگاهرتز متغیر است؛ یعنی فرکانس‌هایی مشابه با آنچه در مایکروویو وجود دارد.»

مدودف اشاره می‌کند که از زمان کشف این الگو در مقاله‌ای در سال 2007، این الگو برای محققان همچنان نامفهوم باقی مانده است. او می‌گوید: «محققان مکانیزم‌های تابشی مختلفی را پیشنهاد کردند، اما هیچ‌کدام نتوانسته‌اند به‌طور قانع‌کننده‌ای الگوهای مشاهده شده را توضیح دهند.» مدودف با استفاده از داده‌های تپ‌اختر خرچنگ، روشی را بر اساس اپتیک موجی ایجاد کرد تا چگالی پلاسما را در اطراف تپ‌اختر اندازه‌گیری کند؛ یعنی «گاز» متشکل از ذرات باردار (الکترون‌ها و پوزیترون‌ها)، با استفاده از الگوی حاشیه‌ای که در پالس‌های الکترومغناطیسی یافت می‌شود. او توضیح می‌دهد: «اگر یک صفحه داشته باشید و یک موج الکترومغناطیسی از کنار آن عبور کند، موج به‌صورت مستقیم عبور نمی‌کند.»

تأثیر پلاسما بر سیگنال‌های تپ‌اخترها

در اپتیک هندسی، سایه‌هایی که توسط موانع ایجاد می‌شوند، تا بی‌نهایت ادامه دارند. اگر در سایه باشید، نوری وجود ندارد، و اگر از آن خارج شوید، می‌توانید نور را ببینید. اما اپتیک موجی رفتار متفاوتی را نشان می‌دهد؛ امواج در اطراف موانع خم می‌شوند و با یکدیگر تداخل می‌کنند، و الگوهایی از مناطق روشن و تاریک ایجاد می‌کنند که ناشی از تداخل سازنده و مخرب امواج است.

این پدیده، الگوی نوارهایی را ایجاد می‌کند که به‌دلیل تداخل سازنده امواج، پیوسته هستند، اما زمانی که امواج رادیویی در اطراف یک ستاره نوترونی حرکت می‌کنند، ویژگی‌های متفاوتی دارند. یکی از محققان دانشگاه KU می‌گوید: «اگر فقط یک ستاره نوترونی به‌عنوان مانع در نظر بگیریم، یک الگوی پراش معمولی، نوارهایی یکنواخت ایجاد می‌کند.» اما در اینجا، میدان مغناطیسی ستاره نوترونی ذرات بارداری ایجاد می‌کند که یک پلاسما متراکم را تشکیل می‌دهند، و این پلاسما با فاصله گرفتن از ستاره تغییر می‌کند. وقتی یک موج رادیویی از میان پلاسما عبور می‌کند، از نواحی رقیق عبور می‌کند، اما توسط پلاسما متراکم بازتاب می‌یابد. این بازتاب، بر اساس فرکانس متفاوت است: فرکانس‌های پایین‌تر در فواصل بزرگ‌تر منعکس می‌شوند و سایه بزرگ‌تری را به وجود می‌آورند، در حالی که فرکانس‌های بالاتر سایه‌های کوچک‌تری ایجاد می‌کنند و در نتیجه، فاصله بین نوارها تغییر می‌کند.

به این ترتیب، مدودف متوجه شد که ماده پلاسما در پالس‌های الکترومغناطیسی، که مسئول الگوی خاص و پلنگی ستاره نوترونی هستند، باعث پراش می‌شود. او می‌گوید: «این مدل، اولین مدلی است که قادر به محاسبه این پارامترها است.» ما می‌توانیم با تجزیه و تحلیل نوارها، چگالی و توزیع پلاسما را در مغناطیس‌کره (magnetosphere) درک کنیم. این موضوع بسیار مهم است زیرا این مشاهدات به ما این امکان را می‌دهند که اندازه‌گیری‌های نواری را به توزیع چگالی پلاسما ترجمه کنیم، و در واقع یک تصویر یا توموگرافی از مغناطیس‌کره ستاره نوترونی ایجاد کنیم.

مدودف همچنین اضافه کرد که نظریه او می‌تواند با جمع‌آوری داده‌های بیشتر از تپ‌اختر خرچنگ و با در نظر گرفتن اثرات گرانشی و قطبی شدید و عجیب آن، دقیق‌تر شود. درک جدید از نحوه تغییر سیگنال‌های تپ‌اخترها توسط ماده پلاسما، شیوه درک اخترفیزیکدانان از سایر تپ‌اخترها را متحول خواهد کرد. او می‌گوید: «تپ‌اختر خرچنگ از جهاتی منحصربه‌فرد است؛ از نظر استانداردهای نجومی نسبتاً جوان است، حدوداً هزار سال سن دارد و بسیار پرانرژی است.» اما او تنها نیست؛ ما صدها تپ‌اختر دیگر را می‌شناسیم که بیش از دوازده مورد از آن‌ها نیز جوان هستند. تپ‌اخترهای دوتایی شناخته شده که برای آزمون نظریه نسبیت عام اینشتین استفاده شده‌اند، نیز می‌توانند با روش پیشنهادی بررسی شوند. این تحقیق واقعاً می‌تواند دانش و تکنیک‌های مشاهده ما را برای تپ‌اخترها، به‌ویژه تپ‌اخترهای جوان و پرانرژی، گسترش دهد.