23.6: سر انفجارات أشعة جاما
- Page ID
- 197410
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- قدم تاريخًا موجزًا لكيفية اكتشاف انفجارات أشعة جاما والأدوات التي جعلت الاكتشاف ممكنًا
- اشرح لماذا يعتقد علماء الفلك أن انفجارات أشعة جاما تشع طاقتها بدلاً من أن تشع بشكل موحد في جميع الاتجاهات
- وصف كيفية إنتاج الإشعاع المنبعث من انفجار أشعة جاما وشوارعها
- اشرح كيف تختلف انفجارات أشعة جاما قصيرة المدى عن تلك الأطول، ووصف العملية التي تؤدي إلى انفجارات أشعة جاما قصيرة المدى
- اشرح لماذا قد تساعدنا انفجارات أشعة جاما على فهم الكون المبكر
الجميع يحب الغموض الجيد، وعلماء الفلك ليسوا استثناءً. تم اكتشاف اللغز الذي سنناقشه في هذا القسم لأول مرة في منتصف الستينيات، ليس من خلال البحث الفلكي، ولكن نتيجة البحث عن العلامات الدالة على انفجارات الأسلحة النووية. أطلقت وزارة الدفاع الأمريكية سلسلة من أقمار Vela للتأكد من عدم انتهاك أي دولة لمعاهدة تحظر تفجير الأسلحة النووية في الفضاء.
نظرًا لأن الانفجارات النووية تنتج أكثر أشكال الموجات الكهرومغناطيسية نشاطًا والتي تسمى أشعة جاما (انظر الإشعاع والأطياف)، فقد احتوت الأقمار الصناعية Vela على أجهزة كشف للبحث عن هذا النوع من الإشعاع. لم تكتشف الأقمار الصناعية أي أحداث مؤكدة من الأنشطة البشرية، لكنها - لمفاجأة الجميع - اكتشفت دفعات قصيرة من أشعة جاما القادمة من اتجاهات عشوائية في السماء. تم نشر أخبار الاكتشاف لأول مرة في عام 1973؛ ومع ذلك، ظل أصل الانفجارات لغزًا. لم يعرف أحد ما الذي أنتج الومضات القصيرة لأشعة جاما أو مدى بُعد المصادر.
من بضع طلقات نارية إلى الآلاف
مع إطلاق مرصد كومبتون لأشعة جاما من قبل وكالة ناسا في عام 1991، بدأ علماء الفلك في تحديد العديد من الانفجارات ومعرفة المزيد عنها (الشكل\(\PageIndex{1}\)). اكتشف القمر الصناعي التابع لناسا مرة واحدة يوميًا تقريبًا وميضًا من أشعة جاما في مكان ما في السماء استمر من جزء من الثانية إلى عدة مئات من الثواني. قبل قياسات كومبتون، كان علماء الفلك يتوقعون أن المكان الأكثر احتمالاً لظهور الانفجارات هو القرص الرئيسي لمجرتنا (على شكل فطيرة). ولكن إذا كان هذا هو الحال، لكان قد شوهد المزيد من الانفجارات في الطائرة المزدحمة في درب التبانة أكثر من فوقها أو تحتها. وبدلاً من ذلك، تم توزيع مصادر الانفجارات بشكل إستوائي؛ أي أنها يمكن أن تظهر في أي مكان في السماء دون تفضيل منطقة على أخرى. لم تأتي دفعة ثانية تقريبًا من نفس الموقع.
للحصول على فكرة بصرية جيدة عن الدرجة التي تأتي بها الانفجارات من جميع أنحاء السماء، شاهد هذا الفيديو المتحرك القصير لوكالة ناسا والذي يعرض موقع أول 500 طلقة عثر عليها القمر الصناعي Swift لاحقًا.
لعدة سنوات، ناقش علماء الفلك بنشاط ما إذا كانت مصادر الانفجار قريبة نسبيًا أو بعيدة جدًا - وهما احتمالان للانفجارات الموزعة بالتساوي. قد تشمل المواقع القريبة سحابة المذنبات التي تحيط بالنظام الشمسي أو هالة مجرتنا، وهي كبيرة وكروية، وتحيط بنا أيضًا في جميع الاتجاهات. من ناحية أخرى، إذا حدثت الانفجارات على مسافات كبيرة جدًا، فقد تأتي من المجرات البعيدة، والتي يتم توزيعها أيضًا بشكل موحد في جميع الاتجاهات.
تطلبت كل من الفرضيات المحلية والبعيدة جدًا حدوث شيء غريب. إذا كانت الانفجارات تأتي من الروافد الخارجية الباردة لنظامنا الشمسي أو من هالة مجرتنا، كان على علماء الفلك أن يفترضوا نوعًا جديدًا من العمليات الفيزيائية التي يمكن أن تنتج ومضات غير متوقعة من أشعة جاما عالية الطاقة في هذه المناطق الهادئة من الفضاء. وإذا جاءت الانفجارات من مجرات تبعد ملايين أو مليارات السنين الضوئية، فيجب أن تكون قوية للغاية بحيث يمكن ملاحظتها على مثل هذه المسافات الكبيرة؛ بل يجب أن تكون من بين أكبر الانفجارات في الكون.
الشفق الأول
كانت المشكلة في محاولة معرفة مصدر انفجارات أشعة جاما هي أن أجهزتنا للكشف عن أشعة جاما لم تتمكن من تحديد المكان الدقيق في السماء حيث كان يحدث الانفجار. لم تكن تلسكوبات أشعة جاما المبكرة ذات دقة كافية. كان هذا محبطًا لأن علماء الفلك شككوا في أنهم إذا تمكنوا من تحديد الموقع الدقيق لإحدى هذه الانفجارات السريعة، فسيكونون قادرين على تحديد نظير (مثل نجم أو مجرة) بأطوال موجية أخرى ومعرفة المزيد عن الانفجار، بما في ذلك من أين جاء. ومع ذلك، سيتطلب ذلك إما تحسينات كبيرة في تكنولوجيا كاشف أشعة جاما لتوفير دقة أفضل أو الكشف عن الانفجار في بعض الأطوال الموجية الأخرى. في النهاية، لعبت كلتا التقنيتين دورًا.
جاء هذا الاختراق مع إطلاق القمر الصناعي الإيطالي الهولندي BepposaX في عام 1996. تضمن BepposaX نوعًا جديدًا من تلسكوب أشعة جاما القادر على تحديد موقع المصدر بدقة أكبر بكثير من الأجهزة السابقة، حتى في غضون بضع دقائق من القوس في السماء. ومع ذلك، لم يكن الأمر بحد ذاته متطورًا بما يكفي لتحديد المصدر الدقيق لانفجار أشعة جاما. بعد كل شيء، يمكن أن يظل الصندوق الذي يستغرق بضع دقائق من القوس على الجانب يحتوي على العديد من النجوم أو الأجرام السماوية الأخرى.
ومع ذلك، كانت الدقة الزاوية لـ BepposaX جيدة بما يكفي لإخبار علماء الفلك أين يوجهون التلسكوبات الأخرى الأكثر دقة على أمل اكتشاف الانبعاث الكهرومغناطيسي طويل العمر من الانفجارات بأطوال موجية أخرى. يمكن أن يوفر اكتشاف الانفجار عند الضوء المرئي أو الأطوال الموجية الراديوية موقعًا دقيقًا لبضع ثوان من القوس ويسمح بتحديد الموقع لنجم أو مجرة فردية. حمل BepposaX تلسكوب الأشعة السينية الخاص به على متن المركبة الفضائية للبحث عن مثل هذا النظير، وكان علماء الفلك الذين يستخدمون الضوء المرئي والمرافق الراديوية على الأرض حريصين على البحث في تلك الأطوال الموجية أيضًا.
ساعدت ملاحظتان حاسمتان للانفجار من طراز Bepposax في عام 1997 على حل لغز انفجارات أشعة جاما. جاء الانفجار الأول في فبراير من اتجاه كوكبة أوريون. في غضون 8 ساعات، حدد علماء الفلك العاملون مع القمر الصناعي موقع الانفجار، وأعادوا توجيه المركبة الفضائية لتركيز كاشف الأشعة السينية الخاص بـ BepposaX على المصدر. ولإثارة حماسهم، اكتشفوا مصدر أشعة سينية يتلاشى ببطء بعد 8 ساعات من الحدث، وهو أول اكتشاف ناجح لضوء الشفق الناتج عن انفجار أشعة جاما. وقد وفر ذلك موقعًا أفضل للانفجار (بدقة تصل إلى حوالي 40 ثانية من القوس)، والذي تم توزيعه بعد ذلك على علماء الفلك في جميع أنحاء العالم لمحاولة اكتشافه بأطوال موجية أطول.
في تلك الليلة بالذات، عثر تلسكوب ويليام هيرشل الذي يبلغ طوله 4.2 مترًا في جزر الكناري على مصدر ضوء مرئي يتلاشى في نفس موضع الشفق بالأشعة السينية، مما يؤكد أنه يمكن اكتشاف مثل هذا الشفق في الضوء المرئي أيضًا. في النهاية، تلاشى الشفق، ولكن تُرك في موقع انفجار أشعة جاما الأصلي مصدرًا خافتًا وغامضًا حيث كانت نقطة تلاشي الضوء - مجرة بعيدة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). كان هذا أول دليل على أن انفجارات أشعة جاما كانت بالفعل أشياء نشطة للغاية من بعيد جدًا. ومع ذلك، ظل من الممكن أيضًا أن يكون مصدر الانفجار أقرب إلينا بكثير وصادف أنه يتماشى مع مجرة أبعد، لذلك لم تكن هذه الملاحظة وحدها دليلًا قاطعًا على الأصل خارج المجرة لانفجارات أشعة جاما.
في 8 مايو من نفس العام، جاء انفجار من اتجاه كوكبة Camelopardalis. في جهد دولي منسق، قام BepposaX مرة أخرى بتثبيت موقع دقيق بشكل معقول، وعلى الفور تقريبًا تمكن تلسكوب على قمة كيت في أريزونا من التقاط الشفق الضوئي المرئي. في غضون يومين، جمع أكبر تلسكوب في العالم (Keck in Hawaii) ضوءًا كافيًا لتسجيل طيف الانفجار. أظهر طيف الشفق المتفجر لأشعة جاما لشهر مايو ميزات امتصاص من جسم غامض يبعد 4 مليارات سنة ضوئية عن الشمس، مما يعني أن موقع الانفجار يجب أن يكون على الأقل بهذا البعد - وربما أبعد من ذلك. (كيف يمكن لعلماء الفلك الحصول على مسافة مثل هذا الجسم من تحول دوبلر في الطيف هو شيء سنناقشه في المجرات.) ما أظهره هذا الطيف هو دليل واضح على أن انفجار أشعة جاما قد حدث في مجرة بعيدة.
التواصل لالتقاط المزيد من الانفجارات
بعد أن أظهرت الملاحظات الأولية أنه يمكن العثور على المواقع الدقيقة وتوابع انفجارات أشعة جاما، أنشأ علماء الفلك نظامًا لالتقاط الانفجارات وتحديدها بدقة على أساس منتظم. ولكن للاستجابة بالسرعة المطلوبة للحصول على نتائج قابلة للاستخدام، أدرك علماء الفلك أنهم بحاجة إلى الاعتماد على الأنظمة الآلية بدلاً من وجود المراقبين البشريين في المكان المناسب في الوقت المناسب.
والآن، عندما يكتشف تلسكوب مداري عالي الطاقة انفجارًا، يتم نقل موقعه التقريبي على الفور إلى شبكة إحداثيات أشعة جاما الموجودة في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا، لتنبيه المراقبين على الأرض في غضون بضع ثوانٍ للبحث عن الشفق الضوئي المرئي.
تم تحقيق أول نجاح كبير مع هذا النظام من قبل فريق من علماء الفلك من جامعة ميشيغان ومختبر لورانس ليفرمور الوطني ومختبرات لوس ألاموس الوطنية، الذين صمموا جهازًا آليًا أطلقوا عليه اسم تجربة البحث البصري العابر الروبوتية (ROTSE). )، والتي اكتشفت نظيرًا ساطعًا جدًا للضوء المرئي في عام 1999. في الذروة، كان الانفجار ساطعًا مثل نبتون تقريبًا - على الرغم من المسافة (التي تم قياسها لاحقًا بواسطة أطياف من التلسكوبات الأكبر حجمًا) البالغة 9 مليارات سنة ضوئية.
في الآونة الأخيرة، تمكن علماء الفلك من اتخاذ هذه الخطوة إلى الأمام، باستخدام التلسكوبات ذات مجال الرؤية الواسع للتأمل في أجزاء كبيرة من السماء على أمل أن يحدث انفجار أشعة جاما في المكان والزمان المناسبين، وأن يتم تسجيله بواسطة كاميرا التلسكوب. هذه التلسكوبات ذات المجال الواسع ليست حساسة لمصادر الإغماء، لكن ROTSE أظهرت أن توابع انفجار أشعة جاما يمكن أن تكون أحيانًا شديدة السطوع.
تأكدت آمال علماء الفلك في مارس 2008، عندما حدث انفجار شديد السطوع لأشعة جاما وتم التقاط ضوءه بواسطة نظامين للكاميرا واسعة النطاق في تشيلي: نظام «Pi of the Sky» البولندي ونظام TORTORA الروسي الإيطالي [Telescopio Ottimizzato per la Ricerca dei Transienti Ottici Rapidi (باللغة الإيطالية) تلسكوب مُحسَّن للبحث عن العابرين البصريين السريعين)] (الشكل\(\PageIndex{3}\)). وفقًا للبيانات التي التقطتها هذه التلسكوبات، لمدة 30 ثانية تقريبًا، كان الضوء المنبعث من انفجار أشعة جاما ساطعًا بدرجة كافية بحيث كان من الممكن رؤيته بالعين المجردة لو كان الشخص ينظر في المكان المناسب في الوقت المناسب. ومما زاد من دهشتنا أن الملاحظات اللاحقة بواسطة التلسكوبات الأكبر حجمًا أظهرت أن الانفجار حدث على مسافة 8 مليارات سنة ضوئية من الأرض!
إلى الشعاع أو عدم الشعاع
كانت المسافات الهائلة لهذه الأحداث تعني أنه كان عليهم أن يكونوا نشيطين بشكل مذهل ليظهروا ساطعين كما كانوا عبر هذه المسافة الهائلة. في الواقع، كانت تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة لدرجة أنها شكلت مشكلة لنماذج انفجار أشعة جاما: إذا كان المصدر يشع الطاقة في جميع الاتجاهات، فإن الطاقة المنبعثة في أشعة جاما وحدها أثناء انفجار ساطع (مثل أحداث 1999 أو 2008) كانت ستعادل الطاقة المنتجة إذا كانت الكتلة بأكملها لنجم يشبه الشمس تم تحويله فجأة إلى إشعاع نقي.
يمثل الحصول على مصدر لإنتاج هذا القدر من الطاقة بهذه السرعة (دفعة واحدة) تحديًا حقيقيًا. حتى لو كان النجم الذي ينتج انفجار أشعة جاما أكبر بكثير من الشمس (كما هو الحال على الأرجح)، فلا توجد وسيلة معروفة لتحويل هذا القدر من الكتلة إلى إشعاع في غضون ثوان. ومع ذلك، هناك طريقة واحدة لتقليل الطاقة المطلوبة من «الآلية» التي تصنع انفجارات أشعة جاما. حتى الآن، افترض نقاشنا أن مصدر أشعة جاما يعطي نفس الكمية من الطاقة في جميع الاتجاهات، مثل المصباح الكهربائي المتوهج.
ولكن كما نناقش في Pulsars واكتشاف النجوم النيوترونية، ليست كل مصادر الإشعاع في الكون على هذا النحو. ينتج البعض حزمًا رقيقة من الإشعاع تتركز في اتجاه واحد أو اتجاهين فقط. يعد مؤشر الليزر والمنارة على المحيط أمثلة على مصادر البث هذه على الأرض (الشكل\(\PageIndex{4}\)). إذا خرجت أشعة جاما، عند حدوث انفجار، في شعاع ضيق واحد أو شعاعين فقط، فيمكن تقليل تقديراتنا لمعان المصدر، وقد يكون من الأسهل تفسير الانفجارات. ولكن في هذه الحالة، يجب أن يشير الشعاع نحو الأرض حتى نتمكن من رؤية الانفجار. وهذا بدوره يعني أنه مقابل كل انفجار نراه من الأرض، ربما يكون هناك العديد من الانفجارات الأخرى التي لا نكتشفها أبدًا لأن شعاعها تشير إلى اتجاهات أخرى
انفجارات أشعة جاما طويلة الأمد: النجوم المتفجرة
بعد تحديد ومتابعة أعداد كبيرة من انفجارات أشعة جاما، بدأ علماء الفلك في تجميع أدلة حول نوع الحدث الذي يُعتقد أنه مسؤول عن إنتاج انفجار أشعة جاما. أو بالأحرى، أي نوع من الأحداث، لأن هناك نوعين متميزين على الأقل من انفجارات أشعة جاما. يتم إنتاج الاثنين - مثل الأنواع المختلفة من المستعرات الأعظمية - بطرق مختلفة تمامًا.
من الناحية الملاحظة، فإن التمييز الحاسم هو المدة التي يستغرقها الانفجار. يقسم علماء الفلك الآن انفجارات أشعة جاما إلى فئتين: الانفجارات قصيرة المدة (تُعرّف بأنها تدوم أقل من ثانيتين، ولكن عادةً ما تكون جزءًا من الثانية) والأخرى طويلة الأمد (تُعرّف بأنها تدوم أكثر من ثانيتين، ولكن عادةً حوالي دقيقة).
جميع الأمثلة التي ناقشناها حتى الآن تتعلق بانفجارات أشعة جاما طويلة الأمد. تشكل هذه معظم انفجارات أشعة جاما التي تكتشفها أقمارنا الصناعية، كما أنها أكثر سطوعًا وأسهل في تحديدها. تمت الآن دراسة المئات من انفجارات أشعة جاما طويلة الأمد وخصائص المجرات التي حدثت فيها بالتفصيل. يُلاحظ عالميًا أن انفجارات أشعة جاما طويلة الأمد تأتي من المجرات البعيدة التي لا تزال تصنع النجوم بنشاط. عادة ما توجد في مناطق المجرة ذات النشاط القوي لتكوين النجوم (مثل الأسلحة الحلزونية). تذكر أنه كلما زاد حجم النجم، قل الوقت الذي يقضيه في كل مرحلة من مراحل حياته. يشير هذا إلى أن الانفجارات تأتي من نوع صغير وقصير العمر، وبالتالي ضخم من النجوم.
علاوة على ذلك، في العديد من الحالات التي حدث فيها انفجار في مجرة قريبة نسبيًا من الأرض (في غضون بضعة مليارات من السنين الضوئية)، كان من الممكن البحث عن مستعر أعظم في نفس الموقع - وفي جميع هذه الحالات تقريبًا، وجد علماء الفلك دليلًا على انفجار مستعر أعظم من النوع Ic. النوع Ic هو نوع معين من السوبرنوفا، لم نناقشه في الأجزاء السابقة من هذا الفصل؛ يتم إنتاجه بواسطة نجم ضخم تم تجريده من طبقة الهيدروجين الخارجية. ومع ذلك، فإن جزءًا صغيرًا فقط من المستعرات الأعظمية من النوع Ic ينتج انفجارات أشعة جاما.
لماذا ينتج نجم ضخم بطبقاته الخارجية المفقودة أحيانًا انفجار أشعة جاما في نفس الوقت الذي ينفجر فيه كمستعر أعظم؟ التفسير الذي يفكر فيه علماء الفلك للطاقة الإضافية هو انهيار قلب النجم لتشكيل ثقب أسود دوار أو مغناطيسي أو نجم نيوتروني. نظرًا لأن جثة النجم مغناطيسية وتدور بسرعة، فإن انهيارها المفاجئ أمر معقد ويمكن أن ينتج تيارات دائرية من الجسيمات وأشعة إشعاع قوية - تمامًا كما هو الحال في كوازار أو نواة مجرية نشطة (أشياء ستتعلمها عن المجرات النشطة والكوازار والثقوب السوداء فائقة الكتلة)، ولكن على جدول زمني أسرع بكثير. يتم إخراج كمية صغيرة من الكتلة المتساقطة في شعاع ضيق، وتتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء. يمكن أن تؤدي التصادمات بين الجسيمات في الشعاع إلى إنتاج دفعات مكثفة من الطاقة التي نراها على شكل انفجار أشعة جاما.
في غضون بضع دقائق، ينتقل الانفجار المتوسع من كرة النار إلى المادة بين النجوم في حي النجم المحتضر. ربما تم إخراج هذه المادة من النجم نفسه في مراحل مبكرة من تطوره. بدلاً من ذلك، يمكن أن يكون الغاز الذي تشكل منه النجم الضخم وجيرانه.
ومع تباطؤ الجسيمات عالية السرعة من الانفجار، فإنها تنقل طاقتها إلى المادة المحيطة في شكل موجة صدمة. هذه المادة المصدومة تنبعث منها إشعاع بأطوال موجية أطول. وهذا يفسر الشفق للأشعة السينية والضوء المرئي وموجات الراديو - يأتي التوهج بأطوال موجية أطول وأطول حيث يستمر الانفجار في فقدان الطاقة.
انفجارات أشعة جاما قصيرة المدة: جثث نجمية متصادمة
ماذا عن انفجارات أشعة جاما الأقصر? يستمر انبعاث أشعة جاما من هذه الأحداث أقل من ثانيتين، وفي بعض الحالات قد يستمر لمدة ميلي ثانية فقط - وهي فترة قصيرة بشكل مذهل. يصعب تحقيق مثل هذا الجدول الزمني إذا تم إنتاجها بنفس الطريقة التي يتم بها إنتاج انفجارات أشعة جاما طويلة الأمد، حيث أن انهيار الجزء الداخلي النجمي على الثقب الأسود يجب أن يستغرق بضع ثوانٍ على الأقل.
بحث علماء الفلك بلا جدوى عن توابع انفجارات أشعة جاما قصيرة المدى التي عثر عليها Bepposax والأقمار الصناعية الأخرى. من الواضح أن الشفق يتلاشى بسرعة كبيرة. لم تكن تلسكوبات الضوء المرئي سريعة الاستجابة مثل ROTSE مفيدة أيضًا: بغض النظر عن مدى سرعة استجابة هذه التلسكوبات، لم تكن الانفجارات مشرقة بما يكفي عند الأطوال الموجية المرئية لاكتشافها بواسطة هذه التلسكوبات الصغيرة.
مرة أخرى، استغرق الأمر قمرًا صناعيًا جديدًا لإزالة الغموض. في هذه الحالة، كان القمر الصناعي Swift Gamma-Ray Burst، الذي تم إطلاقه في عام 2004 بالتعاون بين وكالة ناسا ووكالات الفضاء الإيطالية والبريطانية (الشكل\(\PageIndex{5}\)). تصميم Swift مشابه لتصميم BepposaX. ومع ذلك، فإن Swift أكثر مرونة ومرونة: بعد حدوث انفجار أشعة جاما، يمكن إعادة توجيه تلسكوبات الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية تلقائيًا في غضون بضع دقائق (بدلاً من بضع ساعات). وبالتالي، يمكن لعلماء الفلك مراقبة الشفق في وقت مبكر جدًا، عندما يُتوقع أن يكون أكثر إشراقًا. وعلاوة على ذلك، فإن مقراب الأشعة السينية أكثر حساسية بكثير ويمكنه توفير مواقع أكثر دقة بثلاثين مرة من تلك التي يوفرها نظام BepposaX، مما يسمح بالتعرف على الانفجارات حتى بدون ضوء مرئي أو ملاحظات راديوية
في 9 مايو 2005، اكتشفت Swift وميضًا من أشعة جاما يستمر لمدة 0.13 ثانية، مصدره كوكبة Coma Berenices. ومن اللافت للنظر أن المجرة في موضع الأشعة السينية بدت مختلفة تمامًا عن أي مجرة شوهد فيها انفجار طويل الأمد. نشأ الشفق من هالة مجرة بيضاوية عملاقة تبعد 2.7 مليار سنة ضوئية، دون أي علامات على وجود أي نجوم شابة ضخمة في طيفها. علاوة على ذلك، لم يتم اكتشاف أي سوبر نوفا بعد الانفجار، على الرغم من البحث المكثف.
ما الذي يمكن أن ينتج انفجارًا مدته أقل من ثانية، مصدره منطقة خالية من تكوين النجوم؟ يتضمن النموذج الرائد دمج جثتين نجميتين مدمجتين: نجمان نيوترونيان، أو ربما نجم نيوتروني وثقب أسود. نظرًا لأن العديد من النجوم تأتي في أنظمة ثنائية أو متعددة، فمن الممكن وجود أنظمة تدور فيها جثتان نجمتان حول بعضهما البعض. وفقًا للنسبية العامة (التي ستتم مناقشتها في Black Holes و Curved Spacetime)، يجب أن تتحلل مدارات نظام النجوم الثنائي المكون من هذه الأجسام ببطء مع مرور الوقت، وفي النهاية (بعد ملايين أو مليارات السنين) مما يتسبب في اصطدام الجسمين معًا في انفجار عنيف ولكن قصير. نظرًا لأن تحلل المدار الثنائي بطيء جدًا، فإننا نتوقع حدوث المزيد من عمليات الاندماج هذه في المجرات القديمة التي توقف فيها تكوين النجوم منذ فترة طويلة.
لمعرفة المزيد حول اندماج نجمين نيوترونيين وكيف يمكنهما إنتاج انفجار يستمر أقل من ثانية، تحقق من محاكاة الكمبيوتر هذه من قبل وكالة ناسا.
في حين أنه كان من المستحيل التأكد من أن هذا النموذج يعتمد على حدث واحد فقط (من المحتمل أن يكون هذا الانفجار قد جاء بالفعل من مجرة خلفية واصطف مع الشكل الإهليلجي العملاق بالصدفة فقط)، فقد تم تحديد عشرات الانفجارات الأخرى من أشعة جاما قصيرة المدى منذ ذلك الحين بواسطة Swift، والعديد منها تنشأ أيضًا من المجرات ذات معدلات تكوين النجوم المنخفضة جدًا. وقد أعطى هذا علماء الفلك ثقة أكبر بأن هذا النموذج هو النموذج الصحيح. ومع ذلك، ولكي نكون مقتنعين تمامًا، يبحث علماء الفلك عن توقيع «بندقية تدخين» لدمج اثنين من بقايا النجوم فائقة الكثافة.
هناك مثالان يمكننا التفكير فيهما من شأنهما تقديم المزيد من الأدلة المباشرة. الأول هو نوع خاص جدًا من الانفجار، ينتج عندما تندمج النيوترونات المنزوعة من النجوم النيوترونية خلال المرحلة النهائية العنيفة من الاندماج معًا في عناصر ثقيلة ثم تطلق الحرارة بسبب النشاط الإشعاعي، وتنتج مستعرًا أعظم قصير العمر ولكنه أحمر يسمى أحيانًا كيلونوفا. (يستخدم المصطلح لأنه أكثر سطوعًا بألف مرة من نوفا العادية، ولكن ليس تمامًا مثل «السوبر» مثل السوبرنوفا التقليدي.) تُظهر ملاحظات هابل لانفجار أشعة جاما لمدة قصيرة في عام 2013 أدلة موحية على مثل هذا التوقيع، ولكن يجب تأكيدها من خلال الملاحظات المستقبلية.
كانت رؤية «بندقية التدخين» الثانية أكثر إثارة: اكتشاف موجات الجاذبية. كما ستتم مناقشته في الثقوب السوداء والزمكان المنحني، فإن موجات الجاذبية هي تموجات في نسيج الزمكان التي تتنبأ النسبية العامة بضرورة إنتاجها عن طريق تسريع الأجسام الضخمة والكثيفة للغاية - مثل نجمين نيوترونيين أو ثقوب سوداء تتصاعد نحو بعضها البعض و تصادم. تم ملاحظة المثال الأول لموجات الجاذبية مؤخرًا من خلال اندماج ثقبين أسودين كبيرين. إذا لوحظ أن موجة الجاذبية تتزامن يومًا ما في الزمان والمكان مع انفجار أشعة جاما، فإن هذا لن يؤكد نظرياتنا حول أصل انفجارات أشعة جاما القصيرة فحسب، بل سيكون أيضًا من بين أروع العروض التوضيحية حتى الآن لنظرية النسبية العامة لأينشتاين.
استكشاف الكون باستخدام انفجارات أشعة جاما
تعد قصة كيفية قيام علماء الفلك بشرح أصل الأنواع المختلفة من الانفجارات مثالًا جيدًا على كيفية تشابه العملية العلمية أحيانًا مع العمل البوليسي الجيد. في حين أن لغز انفجارات أشعة جاما قصيرة المدى لا يزال قيد الكشف، بدأ تركيز الدراسات على انفجارات أشعة جاما طويلة الأمد يتغير من فهم أصل الانفجارات نفسها (التي أصبحت الآن راسخة إلى حد ما) إلى استخدامها كأدوات لفهم الكون الأوسع.
يعود سبب فائدة انفجارات أشعة جاما طويلة الأمد إلى لمعانها الشديد، ولو لفترة قصيرة فقط. في الواقع، تكون انفجارات أشعة جاما طويلة الأمد مشرقة جدًا بحيث يمكن رؤيتها بسهولة على مسافات تتوافق مع بضع مئات من ملايين السنين بعد بدء توسع الكون، وهو الوقت الذي يعتقد فيه المنظرون أن الجيل الأول من النجوم قد تشكل. تتنبأ بعض النظريات بأن النجوم الأولى من المرجح أن تكون ضخمة وتكمل تطورها في مليون سنة فقط أو نحو ذلك. إذا اتضح أن هذا هو الحال، فإن انفجارات أشعة جاما (التي تشير إلى موت بعض هذه النجوم) قد توفر لنا أفضل طريقة لاستكشاف الكون عندما تبدأ النجوم والمجرات في التكون لأول مرة.
حتى الآن، نشأ انفجار أشعة جاما الأبعد الذي تم العثور عليه (في 29 أبريل 2009) بشكل ملحوظ على بعد 13.2 مليار سنة ضوئية - مما يعني أنه حدث بعد 600 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير نفسه. يمكن مقارنة هذا بالمجرات الأقدم والأكثر بعدًا التي عثر عليها تلسكوب هابل الفضائي. إنها ليست قديمة بما يكفي لتوقع أنها تشكلت من الجيل الأول من النجوم، ولكن ظهورها على هذه المسافة لا يزال يعطينا معلومات مفيدة حول إنتاج النجوم في الكون المبكر. يواصل علماء الفلك مسح السماء بحثًا عن أحداث أكثر بعدًا تشير إلى موت النجوم من مسافة أبعد في الزمن.
المفاهيم الأساسية والملخص
تستمر انفجارات أشعة جاما من جزء من الثانية إلى بضع دقائق. إنها تأتي من جميع الاتجاهات ومن المعروف الآن أنها مرتبطة بأشياء بعيدة جدًا. من المرجح أن يتم بث الطاقة، وبالنسبة لتلك التي يمكننا اكتشافها، تقع الأرض في اتجاه الشعاع. تأتي الانفجارات طويلة الأمد (التي تدوم أكثر من بضع ثوانٍ) من النجوم الضخمة مع فقدان طبقات الهيدروجين الخارجية التي تنفجر على شكل مستعرات عظمية. يُعتقد أن الانفجارات قصيرة المدة هي عمليات اندماج للجثث النجمية (النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء).