أسرار الانفجارات الراديوية السريعة في الكون

ما هي الانفجارات الراديوية السريعة؟

أثارت الانفجارات الراديوية السريعة الغامضة، أو الومضات الساطعة التي يبلغ طولها أجزاء من الثانية من موجات الراديو القادمة من الفضاء، فضول علماء الفلك منذ أول اكتشاف لهذه الظاهرة في عام 2007. وتطلق هذه الإشارات الغامضة، المعروفة باسم FRBs، طاقة في أقل من غمضة عين تساوي الطاقة التي تبعثها الشمس في يوم واحد.

ولا يزال الباحثون يحاولون الكشف عن ماهية هذه النبضات السماوية وكيفية ومكان حدوثها. وقد مكّنت التلسكوبات المتخصصة علماء الفلك من تعقب الانفجارات الراديوية داخل مجرة درب التبانة وكذلك على بعد 8 مليارات سنة ضوئية.

دراسات جديدة حول مصادر الانفجارات الراديوية السريعة

والآن، تُقدم أربع دراسات جديدة إجابات حول مكان نشأة الانفجارات الراديوية السريعة، والتي يمكن أن تلقي الضوء على أسبابها - لكن مواقع اثنتين من الانفجارات الراديوية التي وُصفت مؤخراً مختلفة تماماً.

ويبدو أن إحدى الانفجارات الراديوية السريعة قد أتت من البيئة الفوضوية النشطة مغناطيسياً بالقرب من نوع من النجوم النيوترونية الكثيفة التي تُسمى النجم المغناطيسي. في حين أن الرشقة الراديوية السريعة الأخرى، التي رصدها العلماء وهي تنبض على مدار عدة أشهر، جاءت من ضواحي مجرة بعيدة ميتة متعطشة للنجوم.

واستخدم الباحثون جهازاً لاصطياد الانفجارات الراديوية السريعة يسمى CHIME، أو التلسكوب الراديوي الكندي لتجربة رسم خرائط كثافة الهيدروجين الراديوي، للكشف عن كلا الانفجارات. وقد مكّنت هذه الآلة من اكتشاف الآلاف من ال FRBs منذ عام 2020.

وتشير الأصول المتباينة للإشارات إلى أن النبضات قد تأتي بنكهات مختلفة وتنشأ بطرق مختلفة.

وقال ريان ماكينفن، المؤلف في الدراسات الأربع، في بيان: "هذه خطوة أقرب إلى كشف لغز كوني عميق". "إن الأجسام الكونية ذات الترددات المتطايرة موجودة في كل مكان، ومع ذلك لا تزال طبيعتها الحقيقية غير معروفة إلى حد كبير. وكل اكتشاف نقوم به حول أصولها يفتح نافذة جديدة على ديناميكيات الكون."

دراسة FRB 20221022A： اكتشافات جديدة

وكلما حدد العلماء المزيد من التفاصيل حول الأصول المتنوعة للرشقات الراديوية السريعة، كلما اقتربوا من فهم ما الذي ينتج النبضات في المقام الأول.

لفتت الومضة السريعة المميزة لانفجار راديوي سريع يسمى FRB 20221022A انتباه فريق دولي من الباحثين في عام 2022 عندما اكتشفها CHIME لأول مرة. يقع التلسكوب الراديوي، المكون من أربعة أجهزة استقبال كبيرة على شكل نصف أنبوب، بالقرب من بينتيكتون، كولومبيا البريطانية.

استمر الانفجار لمدة 2.5 مللي ثانية فقط وحمل نفس سطوع الانفجارات الراديوية السريعة الأخرى. لكنه كان ملحوظاً لأن الضوء المنبعث من الرشقة كان مستقطباً بشكل كبير، مما يعني أن الموجات الراديوية تتحرك إلى حد كبير على طول مسار محدد - في هذه الحالة، تتحرك بطريقة تشبه منحنى سلس على شكل حرف S.

وقد أشار نمط انبعاث الموجات الراديوية إلى أن الموقع الذي انبعثت منه الرشقة كان يدور وذكّر فريق البحث بالنجوم المغناطيسية، أو النجوم النيوترونية الدوارة شديدة المغنطة التي تطلق موجات راديوية. وقد افترض العلماء منذ فترة طويلة أن النجوم النيوترونية، وهي بقايا النواة فائقة الكثافة التي تُركت بعد انفجار النجوم الضخمة، هي مصدر الانفجارات الراديوية السريعة.

وعندما تعقب الفريق موجات الراديو، وجدوا أن مصدر الانفجارات الراديوية هو مجرة تبعد حوالي 200 مليون سنة ضوئية. شارك الفريق نتائج الدراسة في تقرير نُشر في 1 يناير في مجلة نيتشر.

لكن أراد علماء الفلك أن يأخذوا الأمور خطوة إلى الأمام من خلال تحديد الموقع الدقيق للإشارة الراديوية داخل المجرة. وتوفر النتائج، التي نُشرت في نفس العدد من مجلة نيتشر، دعماً إضافياً بأن نجماً نيوترونياً هو الذي أنشأ الانفجار الراديوي السريع.

في محاولة لشرح كيفية تشكل FRBs، لدى العلماء نظريتين متنافستين.

يقول ماكينفن، المؤلف الرئيسي للدراسة الذي تتبع أصل النجم النيوتروني 20221022A إلى مجرة، والمؤلف المشارك في الدراسة المصاحبة: "يمكن تقسيم نماذج أصل النجم النيوتروني الشائعة إلى معسكرين: أحدهما حيث تتشكل الإشارة داخل البيئة المغناطيسية للنجم، والآخر حيث تحدث في مكان أبعد بكثير، مدفوعة بصدمة تنطلق من النجم". وهو باحث دكتوراه في قسم الفيزياء في جامعة ماكجيل في مونتريال.

ولتحديد السيناريو الذي ينطبق على FRB 20221022A، بحث الفريق عن التلألؤ، أو التأثير المتلألئ الذي ينشأ عندما يترشح الضوء الصادر من جسم صغير ساطع، مثل النجم، عبر وسط المجرة بين النجوم أو الغاز. وقالت الدكتورة كنزي نيمو، المؤلفة الرئيسية للدراسة المصاحبة وزميلة كافلي لما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إنه كلما كان الجسم أصغر أو أبعد، كلما زاد وميضه.

وقالت نيمو: "لقد اكتشفنا أن هذا الجرم يظهر "تلألؤاً" مشابهاً لما تظهره النجوم وهي تتلألأ في سماء الليل. "إن رصد هذا التلألؤ يشير إلى أن المنطقة التي نشأ فيها هذا الوميض يجب أن تكون صغيرة للغاية."

{{MEDIA}}

ويشير نمط تلألؤ الانفجار إلى أنه نشأ بالقرب من مصدره، بدلاً من منطقة أكبر وأبعد تنتمي إلى موجة صدمية.

حدّد فريق نيمو الانفجار المسؤول عن الانفجار في الغلاف المغناطيسي، وهي منطقة نشطة مغناطيسياً تبعد حوالي 6,213 ميلاً (10,000 كيلومتر) عن نجم نيوتروني دوّار. وقال الباحثون إن هذه المسافة أقل من المسافة بين نيويورك وسنغافورة.

وقال كيوشي ماسوي، الأستاذ المشارك في الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، في بيان له إن تكبير هذه المنطقة الصغيرة حول نجم من على بعد 200 مليون سنة ضوئية "يشبه القدرة على قياس عرض لولب الحمض النووي، الذي يبلغ عرضه حوالي 2 نانومتر، على سطح القمر". كان ماسوي مؤلفًا مشاركًا في دراستي نيتشر.

وقالت نيمو: "لا بد أن يكون مصدر الـ FRB هو البيئة المغناطيسية الشديدة المحيطة بالنجم النيوتروني، وهي واحدة من أكثر البيئات تطرفاً في الكون".

وتعد هذه هي المرة الأولى التي يحدد فيها علماء الفلك إمكانية توليد الـ FRBs في المنطقة المجاورة مباشرة لنجم نيوتروني - وهو جرم سماوي يمتلك أقوى مجال مغناطيسي معروف. لا يزال الباحثون يحاولون معرفة كيفية الانفجار بعيداً عن المجال المغناطيسي للنجم، المليء بالبلازما الكثيفة، أو الغاز عالي الشحنة.

وقال ماسوي: "حول هذه النجوم النيوترونية عالية المغناطيسية والمعروفة أيضاً باسم النجوم المغناطيسية، لا يمكن للذرات أن تتواجد حول هذه النجوم النيوترونية عالية المغناطيسية، حيث تتمزق بفعل الحقول المغناطيسية". "الشيء المثير هنا هو أننا وجدنا أن الطاقة المخزنة في تلك المجالات المغناطيسية، بالقرب من المصدر، تلتف وتعيد تشكيلها بحيث يمكن أن تنطلق على شكل موجات راديوية يمكننا رؤيتها في منتصف الطريق عبر الكون."

وقالت نيمو إن قياس وتحليل الوميض في المستقبل يمكن أن يكون وسيلة يستخدمها علماء الفلك لفهم الوميض بشكل أفضل.

وقد عمل بينغ تشانغ، وهو أستاذ متميز في قسم الفيزياء والفلك في جامعة نيفادا في لاس فيغاس، على أبحاثٍ تُنمذج نقاط نشأة الانفجارات الراديوية السريعة لسنوات، وقد رأى العديد من القرائن الرصدية التي تشير إلى أن الغلاف المغناطيسي يمكن أن يكون السبب الجذري. لم يشارك تشانغ في أي من الدراسات الجديدة.

وقال تشانغ في رسالة بالبريد الإلكتروني: "ومع ذلك، فإن نتائج التلألؤ التي قدمتها نيمو وآخرون أعطت قيداً مباشراً على نطاق منطقة الانبعاث... مما يقدم دليلاً مقنعاً للغاية على أن انبعاثات الـ FRB تأتي من الغلاف المغناطيسي للنجم المغناطيسي".

وقالت ون-فاي فونغ، وهي عضو في تعاون CHIME لم تشارك في دراستي Nature، إنها تعتقد أن البحث يقدم "أقوى دليل رصد حتى الآن يثبت أن انبعاث الباعث المغناطيسي ينشأ بالقرب من سطح النجم النيوتروني."

وقالت فونغ، وهي أستاذة مساعدة في الفيزياء وعلم الفلك في كلية وينبرغ للفنون والعلوم بجامعة نورث وسترن في رسالة بالبريد الإلكتروني: "ومع ذلك فقد تعلمنا من أن الكون يحب أن يفاجئنا". وأضافت: "لقد وجدنا تنوعاً كبيراً في المجموعة، ويمكن أن يكون كل واحد منها ندفة ثلجية (فريدة) خاصة به."

علامات الحياة من مجرة قديمة

وهذا التعدد هو بالضبط ما اكتشفته فونغ ومعاونوها أثناء دراسة انفجار راديوي سريع آخر.

تفاجأ فريق من علماء الفلك من تعاون CHIME، بما في ذلك مؤلفو دراستي Nature، عندما اندلع انفجار راديوي جديد، أطلق عليه FRB 20240209A، في فبراير 2024 واستمر في إنتاج 21 نبضة إضافية حتى يوليو. وكان هذا الانفجار موضوع دراستين تكميليتين نُشرتا يوم الثلاثاء في مجلة الفيزياء الفلكية.

تم اكتشاف ست من هذه النبضات بواسطة تلسكوب مداد خارجي على بعد 41 ميلاً (66 كيلومتراً) من CHIME. والمقاريب الخارجية هي إصدارات أصغر من تلسكوب CHIME يمكن أن تساعد علماء الفلك على تحديد موقع واحد محدد بدقة حيث ينشأ البرق في سماء الليل.

وقام الفريق بتتبع الانفجار الراديوي السريع المتكرر إلى حافة مجرة عمرها 11.3 مليار سنة ضوئية تبعد 2 مليار سنة ضوئية عن الأرض. بعد ذلك، استخدم الباحثون التلسكوبات في مرصدي دبليو إم كيك وجيميني في هاواي للكشف عن المزيد من التفاصيل حول المجرة القديمة الميتة حيث لا تتشكل نجوم جديدة.

قال تارانيه افتخاري، المؤلف الرئيسي لإحدى الدراسات، وزميل أينشتاين في مركز الاستكشافات والأبحاث متعددة التخصصات في الفيزياء الفلكية التابع لجامعة نورث وسترن: "يبدو أنها المجرة المضيفة الأكثر ضخامة حتى الآن".
"إنها من بين أضخم المجرات الموجودة هناك."

لكن تتبع FRB 20240209A إلى مصدرها أظهر أن الانفجار نشأ من ضواحي المجرة حيث لا يكاد يوجد أي نجوم، على بعد حوالي 130 ألف سنة ضوئية من مركز المجرة.

{{MEDIA}}

قال فيشوانجي شاه، المؤلف الرئيسي للدراسة التكميلية وطالب الدكتوراه في الفيزياء في جامعة ماكجيل، في بيان: "من بين مجموعة الـ FRB، يقع هذا الانفجار الضوئي الأبعد عن مركز المجرة المضيفة". "هذا أمر مثير للدهشة والإثارة على حد سواء، حيث من المتوقع أن تنشأ ال FRBs داخل المجرات، وغالبًا في مناطق تكوين النجوم. ويثير موقع هذا ال FRB خارج المجرة المضيفة تساؤلات حول كيفية حدوث مثل هذه الأحداث النشطة في مناطق لا تتشكل فيها نجوم جديدة."

قبل هذا الاكتشاف، لم يتتبع العلماء سوى ظاهرة واحدة فقط من ظواهر ال FRB إلى حافة المجرة. تم وصف الانفجار الراديوي السريع في فبراير 2022، تم العثور على الانفجار الراديوي السريع داخل مجموعة من النجوم، تسمى العنقود الكروي، على أطراف مجرة ميسييه 81، الواقعة على بعد 12 مليون سنة ضوئية من الأرض.

وقالت فونغ، وهي أيضاً عضو في مركز CIERA، إنها تعتقد أن FRB 20240209A يمكن أن يكون توأماً لهذا الحدث، مما يجبر علماء الفلك على إعادة التفكير في مكان وكيفية تشكل الانفجارات الراديوية السريعة.

ووفقاً لمؤلفي الدراسة، فقد تم تتبع ما يقرب من 100 انفجار إلى المجرات، ومن المحتمل أن يكون معظمها ناتجاً عن النجوم المغناطيسية. تتشكل النجوم المغناطيسية عادةً عندما تنفجر النجوم العملاقة في سوبرنوفا "انهيار القلب"، أو عندما تؤدي الجاذبية إلى انهيار نجم على نفسه.

ولكن قد يكون FRB 20240209A قد جاء من مجموعة كثيفة من النجوم، حيث من الممكن أن تتشكل النجوم المغناطيسية بسبب اندماج نجمين نيوترونيين، أو نجم قزم أبيض ميت ينهار على نفسه، كما قال الباحثون.

وقد قدم الفريق بقيادة شاه مقترحاً لاستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي لمتابعة عمليات الرصد لمعرفة ما إذا كان هناك عنقود من النجوم بالقرب من مكان نشأة البرق المغناطيسي.

وقال افتخاري: "يخبرنا هذا الاكتشاف أنه ربما لا تأتي جميع ال FRBs من النجوم الشابة، وأنه ربما هناك طرق متعددة لإنتاج هذه الإشارات". "ربما هناك مجموعة سكانية فرعية من هذه الأحداث التي تأتي من أنظمة أقدم."

إن فهم أن الانفجارات الراديوية السريعة قد يكون لها أصول متنوعة هو مجرد غيض من فيض يمكن أن يساعد علماء الفلك على فهم المزيد حول ما يعتبرونه أحد أكثر الظواهر غموضاً في الكون.

وقال افتخاري: "من الواضح أنه لا يزال هناك الكثير من مساحة الاكتشافات المثيرة عندما يتعلق الأمر بالانبعاثات الراديوية السريعة، وأن بيئاتها يمكن أن تحمل المفتاح لكشف أسرارها".

وقال افتخاري إن التحسينات التي أُدخلت على تقنية الكشف عن الومضات الانفجارية المتتالية وإضافة تلسكوبات مدارية ستمكن من اكتشاف وتتبع المزيد من الومضات في المستقبل، الأمر الذي قد يكشف عن أنماط ويساعد في تحديد ما إذا كانت الومضات المتكررة تحدث في أنواع معينة من المجرات.

وقال تشانغ إن البحث الجديد يسلط المزيد من الضوء على أسباب حدوث الانفجارات الراديوية السريعة ومكان حدوثها.

وقال: "إن سؤال 'كيف' أكثر صعوبة ويحتاج إلى المزيد من العمل من المنظرين لمعالجته".