شواهدی از وجود ستاره‌ی نوترونی در قلب ابرنواختر معروف قرن گذشته به دست آمد

امیر نیک‌رو

۶ اسفند ۱۳۹۹ | ۱۵:۰۰ ۶ اسفند ۱۳۹۹ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۵ دقیقه

طرحی گرافیکی از ستاره‌ی نوترونی در مرکز یک ابرنواختر

۳۴ سال پس از انفجار ابرنواختری معروف SN 1987A در قرن میلادی گذشته، اکنون دانشمندان شواهدی قابل قبول از ستاره‌ی نوترونی باقی‌مانده در قلب آن به‌دست آورده‌اند.

یکی از رویدادهای معروف نجومی معاصر، انفجار ابرنواختری بود که ۳۴ سال پیش در چنین روزی دیده شد و توجه جهان را به خود معطوف کرد. اما اکنون چه بر سر این ابرنواختر آمده است؟ اگرچه بقایای انفجار محیط داخلی را از دید دانشمندان پنهان کرده است، اما دو تلسکوپ پرتوی ایکس ناسا، سرنخ‌های تازه‌ای را کشف کرده‌اند.

انفجار ابرنواختری معروف قرن بیستم

از زمانی که منجمان انفجار درخشان یک ستاره را در ۲۴ فوریه‌ی ۱۹۸۷ (۵ اسفند ۱۳۶۵) رؤیت کردند، محققان در حال جست‌وجوی هسته‌ی ستاره‌ای متراکمی هستند که باید از آن باقی می‌ماند. اکنون احتمالا گروهی از ستاره‌شناسان با استفاده از داده‌های مأموریت‌های فضایی ناسا و تلسکوپ‌های زمینی این ستاره را یافته باشند.

ابرنواختر SN 1987A به‌عنوان نخستین ابرنواختر قابل مشاهده با چشم غیرمسلح در بازه‌ای ۴۰۰ ساله، هیجان زیادی را در میان دانشمندان برانگیخت و خیلی زود به یکی از اجرام تحت مطالعه در آسمان تبدیل شد. این ابرنواختر در ابر بزرگ ماژلانی واقع شده است. کهکشان کوچکی که قمر کهکشانی راه شیری محسوب می‌شود و تنها حدود ۱۷۰ هزار سال نوری از زمین فاصله دارد.

در حالی که منجمان بقایای انفجار ابرنواختری پراکنده شده به اطراف را رصد می‌کردند، به دنبال آنچه باید از انفجار ستاره باقی مانده باشد هم بودند؛ یک ستاره‌ی نوترونی. اکنون داده‌های رصدخانه‌ی پرتور ایکس چاندرا و داده‌های منتشر نشده‌ی قبلی از آرایه‌ی طیف‌سنجی هسته‌ای ناسا در ترکیب با داده‌های آرایه‌ی بزرگ میلی‌متری آتاکاما که سال گذشته ارائه شد، شواهدی جذاب را مبنی بر وجود ستاره‌ی نوترونی در مرکز SN 1987A نشان می‌دهد.

«امانوئل گرکو» (Emanuele Greco) سرپرست این مطالعه از دانشگاه پالرمو ایتالیا گفت: «به مدت ۳۴ سال ستاره‌شناسان بقایای انفجار ابرنواختری را در جست‌وجوی ستاره‌ی نوترونی کاوش می‌کردند. نشانه‌های بسیاری وجود داشته که معلوم شده نتیجه‌ای ندارد اما اکنون فکر می‌کنیم که تازه‌ترین بررسی ما می‌تواند متفاوت باشد.»

محیط پرانرژی ابرنواختر SN 1987A که توسط تلسکوپ نوستار ثبت شده است.
Credit: NASA/CXC

تپ‌اخترها

هنگامی که یک ستاره منفجر می‌شود، پیش از آن‌که لایه‌های بیرونی در فضا منفجر شوند، لایه‌های زیرین درون خود فرومی‌ریزند. بدین ترتیب فشرده شدن هسته، آن را به جرمی بسیار چگال تبدیل می‌کند؛ جرمی که برابر با خورشید اما در ابعادی فقط چند کیلومتری است. با توجه به اینکه این اجرام تنها از نوترون‌های متراکم ساخته شده‌اند، به آن‌ها ستاره‌ی نوترونی گفته می‌شود. این ستارگان آزمایشگاه‌های فیزیک شرایط شدید هستند که امکان ساخت آن‌ها روی زمین فراهم نیست.

ستارگان نوترونی به سرعت در حال چرخش و بسیار مغناطیسی، «تپ‌اختر» (Pulsar) نامیده می‌شوند و پرتو تابشی مانند فانوس دریایی تولید می‌کنند و منجمان هنگام چرخش پرتو در آسمان، آن را به صورت پالس تشخیص می‌دهند. علاوه بر این زیرمجموعه‌ای از تپ‌اخترها وجود دارند که از سطح خود باد تولید می‌کنند. این بادها گاهی تقریبا با سرعت نور حرکت می‌کنند و باعث تولید ساختارهای پیجیده‌ای از ذرات باردار و میدان‌های مغناطیسی می‌شوند که «سحابی باد تپ‌اختر» (Pulsar Wind Nebulae) نام دارند.

شناسایی پرتو X کم‌انرژی

این تیم پژوهشی با استفاده از تلسکوپ‌های «چاندرا» (Chandra) و «نوستار» (NuSTAR) پرتوهای ایکس نسبتا کم‌انرژی را از بقایای SN 1987A یافت که به مواد اطراف برخورد می‌کرد. همچنین با استفاده از توانایی نوستار شواهدی از وجود ذرات پرانرژی تشخیص داده شد. دو توضیح احتمالی برای این انتشار پرتوی ایکس پرانرژی وجود دارد. یا سحابی باد تپ اختری عامل آن است و یا ذرات بر اثر موج انفجار ابرنواختری شتاب می‌گیرند و پرانرژی می‌شوند. در حالت دوم نیازی به حضور یک ابرنواختر نیست و در فواصل بسیار بیشتری از مرکز انفجار روی می‌دهد.

تازه‌ترین مطالعه‌ی پرتو ایکس، از «سحابی باد تپ‌اختر» که به معنای وجود ستاره‌ی نوترونی است، پشتیبانی می‌کند. زیرا روشنایی پرتو ایکس با انرژی بالاتر بین سال‌های ۲۰۱۲ و ۲۰۱۴ تقریبا یکسان باقی مانده و از سویی میزان انتشار امواج رادیویی در «آرایه‌ی فشرده‌ی تلسکوپ استرالیا» (Australia Telescope Compact Array) افزایش یافته است. موضوعی که برخلاف انتظار برای سناریوی دوم یعنی «موج انفجار» است.

نویسندگان این مقاله که در نشریه‌ی Astrophysical Journal منتشر شده، همچنین تخمین می‌زنند که رسیدن الکترون‌ها به سرعت بالای دیده شده در داده‌های تلسکوپ نوستار، بر اثر موج انفجار، تقریبا ۴۰۰ سال طول می‌کشد که ۱۰ برابر بیشتر از سن بقایای انفجار ابرنواختری است.

داده‌های پرتو X تلسکوپ چاندرا از ابرنواختر SN 1987A در سمت چپ و طرحی گرافیکی از ستاره‌ی نوترونی در مرکز آن در سمت راست

داده‌های پرتو X تلسکوپ چاندرا از ابرنواختر SN 1987A در سمت چپ و طرحی گرافیکی از ستاره‌ی نوترونی در مرکز یک ابرنواختر در سمت راست
Credit: NASA/CXC

«مارکو میکلی» (Marco Miceli) از دانشگاه پالرمو خاطرنشان کرد: «ستاره‌شناسان اندیشیده بودند که آیا زمان کافی برای تشکیل تپ‌اختر یا حتی یک سیاهچاله در مرکز SN 1987A نگذشته است؟ این موضوع برای چند دهه یک راز بود و اکنون ما از به‌دست آوردن این نتایج تازه بسیار شگفت‌زده‌ایم.»

علاوه بر این داده‌های چاندرا و نوستار از نتیجه‌ی سال ۲۰۲۰ مجموعه‌ی آلما که شواهد احتمالی مربوط به وجود ساختار سحابی باد تپ‌اختر را در طول موج میلی‌متری ارائه می‌دهد، پشتیبانی می‌کنند. اگرچه این مشاهده‌ی آلما توضیحات بالقوه‌ی دیگری هم دارد، اما شناسایی آن به‌عنوان یک سحابی باد تپ‌اختر می‌تواند با داده‌های پرتو ایکس اثبات شود. شواهدی که بیش از پیش نشان می‌دهد یک ستاره‌ی نوترونی در پس این انفجار ابرنواختری جای گرفته است. اگر این واقعا یک تپ‌اختر در مرکز SN 1987A باشد، جوان‌ترین نمونه خواهد بود که تا کنون پیدا شده است.

مشاهدات آینده

«سالواتوره اورلاندو» (Salvatore Orlando) دیگر همکار این پژوهش از رصدخانه‌ی نجوم پالرمو ایتالیا گفت: «توانایی رصد یک تپ‌اختر از لحظه‌ی متولد شدن بی‌سابقه است. چنین چیزی ممکن است یک بار در طول زندگی فراهم شود که بتوان تکامل یک تپ‌اختر را از نوزادی مطالعه کرد.»

مرکز SN 1987A توسط گاز و گرد و غبار احاطه شده است و دانشمندان برای درک اینکه چگونه این ماده پرتو X را در انرژی‌های مختلف جذب می‌کند، از شبیه‌سازی‌های پیشرفته استفاده کردند تا دقت داده‌های پرتو ایکس افزایش یابد و امکان تخمین طیف مناطق مرکزی SN 1987A بدون اثر مواد پیرامونی فراهم باشد.

با این وجود برای تقویت احتمال سحابی باد تپ‌اختر، داده‌های بیشتری هم لازم است. افزایش رصدهای امواج رادیویی، همراه با افزایش مشاهدات پرتوهای ایکس انرژی بالا در آینده، ممکن است خلاف این استدلال را نشان دهد اما از سوی دیگر اگر ستاره‌شناسان کاهش پرتوهای X با انرژی زیاد را مشاهده کنند، وجود سحابی باد تپ‌اختر تأیید خواهد شد.

هم‌اکنون بقایای ستاره‌ای اطراف تپ‌اختر نقش مهمی در جذب پرتوهای X کم‌انرژی دارد و تشخیص آن‌ها در زمان فعلی را ناممکن می‌کند. اما شبیه‌سازی‌ها پیش‌بینی کرده است که این مواد طی چند سال آینده پراکنده می‌شوند که قدرت جذب آن‌ها را کاهش می‌دهد. بنابراین انتظار می رود که پرتوهای تپ‌اختر در حدود ۱۰ سال آینده مشاهده شود و وجود ستاره‌ی نوترونی را آشکار سازد.