ایده‌ای نو برای رازگشایی از الگوی عجیب سحابی خرچنگ

حل معمای الگوی “زبره” در تابش‌های رادیویی از سحابی خرچنگ

یک اخترفیزیکدان نظری از دانشگاه کانزاس ممکن است معمایی نزدیک به دو دهه را درباره منشأ الگوی غیرمعمول “زبره” که در پالس‌های رادیویی با فرکانس بالا از سحابی خرچنگ مشاهده می‌شود، حل کرده باشد. یافته‌های او به تازگی در نشریه Physical Review Letters (PRL) منتشر شده است.

سحابی خرچنگ دارای یک ستاره نوترونی در مرکز خود است که به یک پالسار با عرض ۱۲ مایل تبدیل شده و تابش الکترومغناطیسی را در سراسر کیهان منتشر می‌کند. میخائیل مدودف، نویسنده اصلی و استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه کانزاس، گفت: “این تابش که شبیه به پرتو یک فانوس دریایی است، به طور مکرر در حین چرخش ستاره از کنار زمین عبور می‌کند.” او ادامه داد: “ما این را به عنوان یک تابش پالسی مشاهده می‌کنیم، معمولاً با یک یا دو پالس در هر چرخش. پالساری که من درباره آن صحبت می‌کنم به نام پالسار خرچنگ شناخته می‌شود و در مرکز سحابی خرچنگ قرار دارد که ۶۰۰۰ سال نوری از ما فاصله دارد.”

سحابی خرچنگ باقی‌مانده‌ای از یک سوپرنوا است که در سال ۱۰۵۴ ظاهر شد. مدودف گفت: “سابقه‌های تاریخی، از جمله گزارش‌های چینی، توصیف می‌کنند که یک ستاره به طرز غیرمعمولی در آسمان درخشان شده است.” اما برخلاف هر پالسار دیگری که شناخته شده است، مدودف گفت که پالسار خرچنگ دارای الگوی زبره است — فاصله‌های غیرمعمول باند در طیف الکترومغناطیسی که متناسب با فرکانس‌های باند است و ویژگی‌های عجیب دیگری مانند قطبش بالا و پایداری. او افزود: “این پالسار در تقریباً تمام باندهای موج بسیار درخشان است. این تنها شیء شناخته شده‌ای است که الگوی زبره را تولید می‌کند و فقط در یک مؤلفه تابشی از پالسار خرچنگ ظاهر می‌شود. پالس اصلی یک پالس باند پهن است که معمولاً در بیشتر پالسارها دیده می‌شود، با مؤلفه‌های باند پهن دیگری که در ستاره‌های نوترونی رایج است. با این حال، بین‌پالس با فرکانس بالا منحصر به فرد است و بین ۵ تا ۳۰ گیگاهرتز متغیر است — فرکانس‌هایی مشابه با آنچه در یک مایکروویو وجود دارد.”

از زمان کشف این الگو در مقاله‌ای در سال ۲۰۰۷، مدودف گفت که این الگو برای محققان مبهم باقی مانده است. او گفت: “محققان مکانیزم‌های تابشی مختلفی را پیشنهاد کردند، اما هیچ‌کدام به طور قانع‌کننده‌ای الگوهای مشاهده شده را توضیح نداده‌اند.” با استفاده از داده‌های پالسار خرچنگ، مدودف روشی را با استفاده از اپتیک موجی برای اندازه‌گیری چگالی پلاسما در پالسار ایجاد کرد — “گاز” ذرات باردار (الکترون‌ها و پوزیترون‌ها) — با استفاده از الگوی حاشیه‌ای که در پالس‌های الکترومغناطیسی یافت می‌شود. او گفت: “اگر یک صفحه داشته باشید و یک موج الکترومغناطیسی از کنار آن عبور کند، موج به طور مستقیم عبور نمی‌کند.”

تأثیر پلاسما بر سیگنال‌های پالسارها

در اپتیک هندسی، سایه‌هایی که توسط موانع ایجاد می‌شوند، به طور نامحدود ادامه پیدا می‌کنند. اگر در سایه باشید، هیچ نوری وجود ندارد و اگر خارج از آن باشید، می‌توانید نور را ببینید. اما اپتیک موجی رفتار متفاوتی را معرفی می‌کند؛ امواج در اطراف موانع خم می‌شوند و با یکدیگر تداخل می‌کنند و الگوهایی از نواحی روشن و تاریک ایجاد می‌کنند که ناشی از تداخل سازنده و مخرب است.

این پدیده، الگوی نوارهایی معروف به دلیل تداخل سازنده مداوم را به وجود می‌آورد، اما زمانی که امواج رادیویی در اطراف یک ستاره نوترونی منتشر می‌شوند، ویژگی‌های متفاوتی دارند. یکی از محققان دانشگاه KU گفت: «یک الگوی پراش معمولی اگر فقط یک ستاره نوترونی به عنوان سپر داشته باشیم، نوارهای یکنواختی تولید می‌کند.» اما در اینجا، میدان مغناطیسی ستاره نوترونی ذرات بارداری را تولید می‌کند که یک پلاسما متراکم را تشکیل می‌دهد و این پلاسما با فاصله 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 بسته به فرکانس متفاوت است: فرکانس‌های پایین در شعاع‌های بزرگ‌تر بازتاب می‌شوند و سایه بزرگ‌تری ایجاد می‌کنند، در حالی که فرکانس‌های بالا سایه‌های کوچک‌تری ایجاد می‌کنند و در نتیجه فاصله نوارها متفاوت می‌شود.

به این ترتیب، مدودف دریافت که ماده پلاسما در پالس‌های الکترومغناطیسی که مسئول الگوی خاص پلنگی ستاره نوترونی هستند، باعث پراش می‌شود. او گفت: «این مدل اولین مدلی است که قادر به اندازه‌گیری این پارامترها است.» با تحلیل نوارها می‌توانیم چگالی و توزیع پلاسما در مغناطیس‌سفر را استنباط کنیم. این مسأله فوق‌العاده است زیرا این مشاهدات به ما اجازه می‌دهند اندازه‌گیری‌های نوارها را به توزیع چگالی پلاسما تبدیل کنیم و در واقع تصویری یا توموگرافی از مغناطیس‌سفر ستاره نوترونی ایجاد کنیم.

مدودف ادامه داد که نظریه‌اش می‌تواند با جمع‌آوری داده‌های بیشتر از پالسار خرچنگ آزمایش شود و با در نظر گرفتن اثرات گرانشی و قطبی قدرتمند و عجیب آن، دقیق‌تر شود. درک جدید از نحوه تغییر سیگنال پالسارها توسط ماده پلاسما، نحوه فهم اخترفیزیکدانان از سایر پالسارها را تغییر خواهد داد. او گفت: «پالسار خرچنگ به نوعی منحصر به فرد است؛ از نظر استانداردهای نجومی نسبتاً جوان است، تنها حدود هزار سال سن دارد و بسیار پرانرژی است.» اما او تنها نیست؛ ما از صدها پالسار آگاه هستیم که بیش از دوازده مورد از آن‌ها نیز جوان هستند. پالسارهای دوتایی شناخته شده که برای آزمایش نظریه نسبیت عام انیشتین استفاده شده‌اند، نیز می‌توانند با روش پیشنهادی مورد بررسی قرار گیرند. این تحقیق واقعاً می‌تواند درک و تکنیک‌های مشاهده ما را برای پالسارها، به ویژه پالسارهای جوان و پرانرژی، گسترش دهد.