كيف يمكن أن نكون قد حللنا لغز إصرارها المحير

تم اكتشاف الانفجارات الكونية المعروفة باسم انفجارات أشعة جاما (GRBs) لأول مرة عن طريق الخطأ من قبل الأقمار الصناعية العسكرية الأمريكية في أواخر الستينيات ، لتصبح أكثر الانفجارات سطوعًا في الكون.

عادةً ما تكون نتيجة الولادة الكارثية لثقب أسود في مجرة ​​بعيدة. إحدى الطرق التي يمكن أن يحدث بها ذلك هي من خلال انهيار نجم واحد ضخم.

يدرك علماء الفلك مثلي الذين أعمل في هذا المجال جيدًا مقاييس الطاقة الهائلة المتضمنة في GRBs. نحن نعلم أن بإمكانهم إطلاق قدر من الطاقة في أشعة جاما كما تفعل الشمس طوال حياتها. ولكن بين الحين والآخر ، يتم ملاحظة حدث لا يزال يعطينا وقفة.

في أكتوبر 2022 ، لاحظت كواشف أشعة غاما على الأقمار الصناعية المدارية فيرمي ومرصد نيل جيريلز سويفت انفجارًا يعرف باسم GRB 221009A (تاريخ الاكتشاف).

سرعان ما تحول هذا إلى سجل. أطلق عليه لقب “ألمع في كل العصور” ، أو “القارب” ، باعتباره اختصارًا مناسبًا بين علماء الفلك الذين يدرسون الحدث ويراقبونه. لم يبدأ القارب بضوء ساطع فحسب ، بل رفض أن يتلاشى مثل رشقات نارية أخرى.

ما زلنا لا نعرف تمامًا لماذا كان الانفجار شديد السطوع ، لكن دراستنا الجديدة ، التي نُشرت في Science Advances ، تقدم إجابة على إصرارها العنيد.

نشأ الانفجار من مسافة 2.4 مليار سنة ضوئية – قريبة نسبيًا من GRB. ولكن حتى عند حساب المسافة النسبية ، فإن طاقة الحدث والإشعاع الناتج عن تداعياته كانا خارج المخططات. من غير الطبيعي بالتأكيد أن يودع حدث بعيد كوني حوالي جيجاوات من الطاقة في الغلاف الجوي العلوي للأرض.

مراقبة نفاثات الغاز الكونية الضيقة

تطلق GRBs مثل القارب تيارًا من الغاز يتحرك بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء في الفضاء. كيف يتم إطلاق الطائرة بالضبط لا يزال يمثل لغزًا – ولكن على الأرجح ، تتضمن مجالات مغناطيسية بالقرب من مكان تشكل الثقب الأسود.

إنه الانبعاث المبكر من هذه الطائرة التي نراها على أنها انفجار. في وقت لاحق ، تتباطأ الطائرة وتنتج إشعاعًا إضافيًا ، وهجًا خافتًا للضوء – من موجات الراديو إلى (في حالات استثنائية) أشعة جاما.

نحن لا نلاحظ الطائرات مباشرة. بدلاً من ذلك ، مثل النجوم البعيدة ، نرى GRBs كنقاط في السماء. ومع ذلك ، لدينا سبب وجيه للاعتقاد بأن القنابل الغازية لا تنفجر في جميع الاتجاهات بالتساوي. بالنسبة لـ GRB 221009A ، سيكون هذا بالتأكيد غير معقول ، لأنه سيتضمن مضاعفة كمية الطاقة المكتشفة على الأرض في جميع الاتجاهات الأخرى – والتي تصل إلى طاقة أكثر بكثير من أي نجم متاح.

مؤشر آخر على أن GRBs تأتي من نفاثات موجهة إلينا تقريبًا يرجع إلى نظرية النسبية الخاصة. تعلمنا النسبية أن سرعة الضوء ثابتة ، بغض النظر عن السرعة التي يتحرك بها المصدر علينا. لكن هذا لا يزال يسمح لـ اتجاه من الضوء يتشوه. بفضل تأثير المرآة المرحة هذا ، سينتهي الضوء المنبعث في جميع الاتجاهات من سطح طائرة نفاثة سريعة الحركة بالتركيز بقوة على اتجاه حركتها.

ومع ذلك ، فإن حواف الطائرة المتجهة في اتجاهنا ستكون منحنية قليلاً جدًا ، مما يعني أن ضوءها يتركز بعيدًا عن اتجاهنا. فقط في وقت لاحق ، عندما تبطئ الطائرة ، تظهر الحواف بشكل طبيعي ويبدأ الشفق اللاحق في التلاشي بشكل أسرع.

ولكن هنا مرة أخرى ، كسر GRB 221009A القواعد. لم تظهر حوافها مطلقًا ، وانضمت إلى مجموعة مختارة من الانفجارات الساطعة جدًا التي ترفض أن تتلاشى بشكل طبيعي. بدلاً من البدء في التلاشي ببطء ثم الاختفاء بسرعة ، فإنه يتلاشى بشكل مطرد بمرور الوقت.

في عملنا ، نوضح كيف يمكن إخفاء مظهر الحواف النفاثة بطريقة تتطابق مع ملاحظات القارب. الفكرة الرئيسية هي كما يلي: نعم ، تم إطلاق طائرة ضيقة ، ولكن واجهت صعوبة في الهروب من النجم المنهار ، مما أدى إلى الكثير من الاختلاط بالغاز النجمي على طول جوانب الطائرة.

من المحاكاة إلى الملاحظة

لاختبار ما إذا كان هذا هو الحال بالفعل ، أخذنا نتيجة محاكاة حاسوبية توضح هذا المزج وقمنا بتطبيقه في نموذج يمكن مقارنته بالفعل ببيانات القارب مباشرة. وأظهر أن ما يمكن أن يكون عادة تحولًا سريعًا إلى إشارة باهتة بشدة ، أصبح الآن أمرًا ممتدًا.

استمر الإشعاع الصادر من الغاز المسخن بالصدمة للنجم المحتضر في الظهور في مجال رؤيتنا ، موضحًا سبب بقائه شديد السطوع. استمر هذا في الحدوث حتى النقطة التي فقدت أي توقيع نفاث مميز في الانبعاث الكلي.

بهذه الطريقة ، لا يؤكد GRB 221009A التوقعات من المحاكاة فحسب ، بل يوفر أيضًا دليلًا على الأحداث الساطعة المماثلة التي شوهدت في الماضي ، حيث كان على الأشخاص الاستمرار في مراجعة تقدير الطاقة صعودًا أثناء انتظار ظهور حافة طائرة.

حسبنا أن احتمالية رؤية انفجار بهذا السطوع يبلغ حوالي واحد في ألف عام ، لذلك نحن محظوظون لأننا اكتشفنا انفجارًا. لكن الأسئلة تبقى. ما الدور الذي تلعبه المجالات المغناطيسية ، على سبيل المثال؟

سيستكشف المنظرون وواضعو النماذج العددية هذه الأمور لسنوات ، ويبحثون في بيانات القارب بينما نبقى على اطلاع على وصول الحدث الكبير التالي