ارتباط امواج رادیویی قدرتمند با کهکشان‌های عظیم

کشف منشاء انفجارهای رادیویی سریع

از زمان کشف آن‌ها در سال ۲۰۰۷، انفجارهای رادیویی سریع — پالس‌های فوق‌العاده پرانرژی نور رادیویی — بارها آسمان را روشن کرده و منجمان را به دنبال کشف منشاء آن‌ها سوق داده‌اند. در حال حاضر، تعداد انفجارهای رادیویی سریع تأیید شده، یا FRBها، به صدها مورد رسیده است و دانشمندان شواهد فزاینده‌ای برای آنچه که این پدیده‌ها را تحریک می‌کند، جمع‌آوری کرده‌اند: ستاره‌های نوترونی با میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی که به آن‌ها مگنتار گفته می‌شود (ستاره‌های نوترونی نوعی ستاره مرده هستند).

یکی از شواهد کلیدی زمانی به دست آمد که یک مگنتار در کهکشان خودمان منفجر شد و چندین رصدخانه، از جمله پروژه STARE2 (پروژه رصد امواج رادیویی نجومی گذرا ۲) کالتک، این رویداد را به صورت زنده ثبت کردند. اکنون، محققان تحت رهبری کالتک در نشریه Nature گزارش داده‌اند که FRBها بیشتر در کدام نقاط جهان قابل مشاهده هستند — کهکشان‌های بزرگ که در حال تشکیل ستاره هستند، نه کهکشان‌های کم‌جرم. این یافته به نوبه خود منجر به ایده‌های جدیدی درباره چگونگی شکل‌گیری خود مگنتارها شده است. به‌طور خاص، این تحقیق نشان می‌دهد که این ستاره‌های مرده عجیب، که میدان‌های مغناطیسی آن‌ها ۱۰۰ تریلیون برابر قوی‌تر از زمین است، معمولاً زمانی شکل می‌گیرند که دو ستاره با هم ادغام شده و سپس در یک سوپرنوا منفجر می‌شوند. پیش از این، مشخص نبود که آیا مگنتارها به این روش، یعنی از انفجار دو ستاره ادغام شده، شکل می‌گیرند یا اینکه ممکن است از انفجار یک ستاره منفرد به وجود آیند.

کریتی شارما، نویسنده اصلی این مطالعه و دانشجوی تحصیلات تکمیلی که با ویکرام راوی، استاد یار نجوم در کالتک، همکاری می‌کند، می‌گوید: “قدرت عظیم خروجی مگنتارها آن‌ها را به یکی از جذاب‌ترین و شدیدترین اشیاء در جهان تبدیل می‌کند. اطلاعات بسیار کمی درباره آنچه که باعث شکل‌گیری مگنتارها در هنگام مرگ ستاره‌های بزرگ می‌شود، وجود دارد. کار ما به پاسخ به این سؤال کمک می‌کند.”

این پروژه با جست‌وجو برای FRBها با استفاده از آرایه عمیق سینوپتیک ۱۱۰ (DSA-110) آغاز شد، که پروژه‌ای از کالتک است که توسط بنیاد ملی علوم تأمین مالی شده و در رصدخانه رادیویی اوونز ولی در نزدیکی بیشاپ، کالیفرنیا مستقر است. تا به امروز، این آرایه رادیویی وسیع ۷۰ FRB را شناسایی و به کهکشان‌های خاص خود نسبت داده است (تنها ۲۳ FRB دیگر توسط تلسکوپ‌های دیگر شناسایی شده‌اند). در مطالعه کنونی، محققان ۳۰ مورد از این FRBهای شناسایی‌شده را تحلیل کردند. راوی می‌گوید: “DSA-110 تعداد FRBهای با کهکشان‌های میزبان شناخته‌شده را بیش از دو برابر کرده است. این همان چیزی است که ما برای آن آرایه را ساخته‌ایم.”

یافته‌های جدید درباره FRBها و کهکشان‌های ستاره‌زا

اگرچه FRBها (پالس‌های رادیویی سریع) معمولاً در کهکشان‌هایی که به‌طور فعال در حال تشکیل ستاره هستند، مشاهده می‌شوند، تیم تحقیقاتی با کمال تعجب دریافت که این پالس‌ها بیشتر در کهکشان‌های ستاره‌زا با جرم بالا نسبت به کهکشان‌های کم‌جرم پدید می‌آیند. این نکته به‌تنهایی جالب بود، زیرا ستاره‌شناسان قبلاً تصور می‌کردند که FRBها در تمام انواع کهکشان‌های فعال اتفاق می‌افتند. با این اطلاعات جدید، تیم شروع به بررسی این کرد که نتایج چه چیزی درباره FRBها فاش می‌کند.

کهکشان‌های بزرگ معمولاً غنی از فلزات هستند، زیرا فلزات در جهان ما – عناصری که توسط ستاره‌ها تولید می‌شوند – به‌تدریج در طول تاریخ کیهانی جمع می‌شوند. این واقعیت که FRBها بیشتر در کهکشان‌های غنی از فلزات مشاهده می‌شوند، به این معنی است که منبع FRBها، یعنی مگنتارها، نیز در این نوع کهکشان‌ها بیشتر وجود دارند. ستاره‌هایی که غنی از فلزات هستند – که در اصطلاح نجومی به معنای عناصری سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم است – معمولاً بزرگ‌تر از سایر ستاره‌ها رشد می‌کنند. رابی می‌گوید: “با گذشت زمان، به‌عنوان کهکشان‌ها رشد می‌کنند، نسل‌های متوالی ستاره‌ها کهکشان‌ها را با فلزات غنی می‌کنند، زیرا آنها تکامل می‌یابند و می‌میرند.”

علاوه بر این، ستاره‌های بزرگ که در سوپرنواها منفجر می‌شوند و می‌توانند به مگنتار تبدیل شوند، معمولاً به‌صورت جفتی یافت می‌شوند. در واقع، 84 درصد از ستاره‌های بزرگ دوتایی هستند. بنابراین، زمانی که یکی از ستاره‌های بزرگ در یک جفت به دلیل محتوای اضافی فلزات متورم می‌شود، مواد اضافی آن به ستاره شریکش منتقل می‌شود که این امر ادغام نهایی دو ستاره را تسهیل می‌کند. این ستاره‌های ادغام‌شده میدان مغناطیسی ترکیبی بیشتری نسبت به یک ستاره منفرد خواهند داشت. شارما توضیح می‌دهد: “یک ستاره با محتوای فلزی بیشتر متورم می‌شود، انتقال جرم را هدایت می‌کند و در نهایت منجر به ادغام می‌شود، و به این ترتیب ستاره‌ای حتی بزرگ‌تر با میدان مغناطیسی کل بیشتر از آنچه که ستاره منفرد داشته، شکل می‌گیرد.”

در خلاصه، از آنجا که FRBها به‌طور ترجیحی در کهکشان‌های ستاره‌زا و غنی از فلزات مشاهده می‌شوند، بنابراین مگنتارها (که تصور می‌شود FRBها را تحریک می‌کنند) احتمالاً نیز در محیط‌های غنی از فلزات که به ادغام دو ستاره کمک می‌کند، شکل می‌گیرند. بنابراین، نتایج نشان می‌دهد که مگنتارها در سراسر جهان از بقایای ادغام ستاره‌ها ناشی می‌شوند.

در آینده، تیم امیدوار است که با استفاده از DSA-110 و در نهایت DSA-2000، که یک آرایه رادیویی بزرگ‌تر است و قرار است در بیابان نوادا ساخته شود و در سال 2028 به پایان برسد، FRBهای بیشتری و مکان‌های منبع آنها را شناسایی کند. رابی می‌گوید: “این نتیجه یک نقطه عطف برای کل تیم DSA است. بسیاری از نویسندگان این مقاله در ساخت DSA-110 کمک کرده‌اند.” و او ادامه می‌دهد: “و این واقعیت که DSA-110 در شناسایی FRBها بسیار خوب عمل می‌کند، نویدبخش موفقیت DSA-2000 است.”