جزئیات ابرنواختر معروف ذات‌الکرسی با تلسکوپ جدید ناسا روشن شد

ستاره‌شناسان با رصد ذات‌الکرسی برای نخستین بار قطبش مغناطیسی پرتو ایکس حاصل از بقایای انفجار ابرنواختری یک ستاره‌ی دوردست را اندازه‌گیری و نقشه‌برداری کردند.

نتایج بررسی بقایای ستاره‌ای موسوم به «ذات‌الکرسی آ» (Cassiopeia A) می‌تواند بینش تازه‌ای درباره‌ی ماهیت بقایای ابرنواخترهای جوان و میدان‌های مغناطیسی آن‌ها که باعث شتاب‌دهی ذرات تا سرعت‌های نزدیک به سرعت نور می‌شوند، فراهم کند.

این یافته‌ها در حقیقت روش تازه‌ای را برای بازسازی مرگ انفجاری ستارگان پرجرم هنگام تبدیل به ابرنواختر نشان می‌دهد. فرآیندی که جهان را با عناصر سنگین‌تر برای تشکیل نسل بعدی ستارگان، بمباران می‌کند.

برای این پژوهش Cas A که در فاصله‌ی ۱۱ هزار سال نوری از ما در صورت فلکی ذات‌الکرسی قرار دارد، توسط «کاوشگر تصویربرداری قطبش‌سنجی پرتو ایکس» (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) ناسا مطالعه شد. با توجه به اینکه امواج شوک ایجاد شده توسط رویداد انفجار ابرنواختری آن، سریع‌ترین امواج در کهکشان راه شیری است، این نخستین جرمی بود که رصدخانه‌ی فضایی «ایکس‌پی» (IXPE) پس از پرتاب بررسی کرد.

این امواج شوک زمانی ایجاد شدند که سوخت ستاره برای همجوشی هسته‌ای پایان یافت و توان مقابله با گرانش را از دست داد. بدین ترتیب رُمبید (در خودش فروریخت) و باعث انفجاری عظیم و فرستادن امواج شوک به بیرون شد. نور ناشی از این انفجار ابرنواختری بیش از ۳۰۰ سال پیش به زمین رسید.

در شرایط شدید اطراف ابرنواختری مانند Cas A،میدان‌های مغناطیسی ذرات باردار مانند الکترون‌ها و پروتون‌ها را تا سرعت‌های نزدیک به سرعت نور شتاب می‌دهند اما با وجود سرعت بسیار زیاد، این ذرات در مسیرهای منحنی اطراف ابرنواختر به دام افتاده‌اند.

طی حرکت با سرعت‌های نسبیتی در مسیرهای منحنی، شکل شدیدی از نور به نام تابش سنکروترون تولید می‌کنند. این تابش در طیفی از طول موج‌های الکترومغناطیسی از جمله امواج رادیویی کم‌انرژی و پرتوهای ایکس پرانرژی، از بقایای ابرنواختر به بیرون منتشر می‌شود.

امواج منتشر شده بدون در نظر گرفتن طول موج، توسط میدان‌های مغناطیسی قطبیده می‌شوند و بدین ترتیب درون آن‌ها اطلاعاتی درباره‌ی میدان مغناطیسی ابرنواختر نهفته است. اکنون به لطف ایکس‌پی اخترشناسان می‌توانند این قطبش را اندازه‌گیری و رازهای Cas A را آشکار کنند.

«پت اسلین» (Pat Slane) سرپرست مطالعات ابرنواختری ایکس‌پی از مرکز اخترفیزیک هاروارد اسمیتسونیان در این زمینه گفت: «بدون ایکس‌پی اطلاعات مهمی درباره‌ی اجرامی مانند Cas A را از دست داده بودیم اما اکنون یک جنبه‌ی اساسی از بقایای انفجار ستاره‌ای را درک می‌کنیم.»

مطالعه‌ی قطبش نور Cas A به اخترشناسان امکان می‌دهد تا فرآیندهای کوچک‌مقیاس روی داده در بقایای ابرنواختر را مهندسی معکوس کنند و به جزئیات تازه‌ای درباره‌ی Cas A و میدان مغناطیسی آن دست یابند.

قطبش پرتو ایکس در ابرنواختر ذات‌الکرسی آ
Credit: NASA/CXC/SAO; IXPE: NASA/MSFC

بازسازی صحنه‌ی انفجاری مرگ یک ستاره

زاویه‌ی قطبش نور بقایای یک ابرنواختر، جهت میدان مغناطیسی آن را نشان می‌دهد. مقادیر اندک قطبش (پولاریزاسیون) گویای آن است که میدان‌های مغناطیسی نزدیک به امواج شوک پیشرو یا جبهه‌ی شوک قرار گرفته‌اند. چون میدان‌های مغناطیسی نزدیک یک شوک درهم و آشفته‌اند، در جهات مختلف جهت‌گیری و قطبش کمتری ایجاد می‌کنند.

«ژاکو وینک» (Jacco Vink) اخترفیزیکدان دانشگاه آمستردام درباره‌ی این تشخیص گفت: «این نتایج IXPE چیزی نبود که انتظار داشتیم، اما به‌عنوان پژوهشگر، عاشق غافلگیر شدن هستیم. این واقعیت که درصد کمتری از طیف پرتو ایکس قطبیده شده است، یک ویژگی بسیار جالب و قبلا کشف نشده از Cas A است.»

بنابراین قطبش اندک نشان می‌دهد که پرتوهای ایکس از Cas A در مناطق آشفته با ترکیبی از جهات مختلف میدان مغناطیسی تولید می‌شوند.

«ریکاردو فرازولی» (Riccardo Ferrazzoli) دیگر نویسنده‌ی این مطالعه و پژوهشگر مؤسسه‌ی ملی اخترفیزیک ایتالیا هم گفت: «این مطالعه شامل همه‌ی چیزهای جدیدی است که IXPE برای اخترفیزیک به ارمغان می‌آورد. ما نه تنها برای نخستین بار اطلاعاتی درباره‌ی خواص قطبش پرتو ایکس این منابع به‌دست آوردیم، بلکه می‌دانیم که این ویژگی‌ها چگونه در مناطق مختلف ابرنواختر تغییر می‌کنند.»

او تأکید کرد: «به‌عنوان نخستین هدف کمپین رصدی ایکس‌پی، Cas A یک آزمایشگاه اخترفیزیکی مطلوب برای آزمودن تمام تکنیک‌ها و ابزارهای تحلیلی توسعه یافته است.»

پیش از این مشاهدات تابش سنکروترون موج رادیویی Cas A با تلسکوپ‌های رادیویی نشان داده بود که این پرتو تقریبا در کل مناطق باقیمانده‌ی ابرنواختری تولید می‌شود. اما فقط مقدار کمی از این امواج رادیویی، یعنی حدود ۵ درصد قطبیده هستند. طبق این داده‌های امواج رادیویی، به‌نظر می‌رسد که میدان مغناطیسی Cas A به‌صورت شعاعی مانند پره‌های یک چرخ دوچرخه از مرکز به لبه‌ی بیرونی آن توزیع شده‌اند.

اما مشاهدات مربوط به تابش سنکروترون پرتو ایکس با انرژی بالاتر که توسط رصدخانه‌ی پرتو ایکس «چاندرا» (Chandra) ناسا انجام شده است، داستان متفاوتی را بیان می کند. به‌نظر می‌رسد که این انتشار انرژی بالاتر از مناطق نازک در امتداد امواج شوک، یعنی نزدیک لبه‌ی بیرونی دایره‌ای Cas A، که پیش‌بینی می‌شود میدان‌های مغناطیسی با شوک‌ها هم‌سو می‌شوند، سرچشمه می‌گیرد.

طرحی گرافیکی از رصدخانه‌ی IXPE در مدار زمین
Credit: NASA/MSFC

پیش از IXPE، دانشمندان پیش‌بینی می‌کردند که قطبش پرتو ایکس در ۹۰ درجه‌ای (عمود بر )  میدان‌های مغناطیسی که تابش امواج رادیویی را قطبی می‌کنند، ایجاد می‌شوند. اما طبق داده‌های ایکس‌پی، میدان‌های مغناطیسی که این پرتو پرانرژی را قطبیده می‌کنند، به‌صورت شعاعی قرار گرفته‌اند و نزدیک به شوک قرار دارند. همچنین به‌نظر می‌رسد که پرتوهای ایکس Cas A قطبش کمتری نسبت به امواج رادیویی دارند.

اکنون این رصدخانه برای مطالعه‌ی بقایای دیگر ابرنواخترها استفاده خواهد شد. اخترشناسان انتظار دارند که هر رصد اطلاعات تازه‌ای درباره‌ی این انفجارهای شدید کیهانی و محیط‌هایی که ایجاد می‌کنند، در اختیار آن‌ها قرار دهد.

«دیمیتری پروخوروف» (Dmitry Prokhorov) یکی از نویسندگان این تحقیق از دانشگاه آمستردام در این زمینه گفت: «این نتایج یک دید منحصربه‌فرد از محیط لازم برای شتاب دادن الکترون‌ها تا انرژی‌های فوق‌العاده بالا ارائه می‌دهد. ما تازه در آغاز این کند و کاو هستیم، اما داده‌های IXPE تا کنون سرنخ‌های خوبی برای ما فراهم کرده است.»

عکس کاور: بقایای ابرنواختر ذات‌الکرسی آ از نگاه تلسکوپ پرتو ایکس چاندرا
Credit: NASA/CXC/SAO; IXPE: NASA/MSFC

منبع: Space