تم الكشف عن اللغز الكامن وراء موجات الراديو النادرة في الكون

قد تفسر الرياح البينجمية الصادرة عن النجوم المتفجرة الحلقات الضخمة.

كل يوم يتساءل علماء الفلك: “ما هذا؟” لا أقول ذلك. بعد كل شيء، فإن معظم الظواهر الفلكية المرصودة معروفة: النجوم والكواكب والثقوب السوداء والمجرات. لكن التلسكوب ASKAP (مصفوفة الكيلومتر المربع الأسترالي) الذي تم الانتهاء منه حديثًا في عام 2019 التقط شيئًا لم يره أحد من قبل: حلقات موجات الراديو كبيرة جدًا لدرجة أنها تحتوي على مجرات بأكملها في مراكزها.

وبينما حاول مجتمع الفيزياء الفلكية تحديد ماهية هذه الدوائر، فقد أرادوا أيضًا أن يعرفوا ذلك لماذا كانت هناك دوائر. الآن يعتقد فريق بقيادة أليسون كويل، أستاذ علم الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، أنهم ربما وجدوا الجواب: أصداف تشكلت بواسطة الرياح المجرية التي تنطلق، ربما من نجوم متفجرة ضخمة تسمى المستعرات الأعظم. وقد تم نشر أعمالهم طبيعة.

تحتوي الدوائر الراديوية الفردية، مثل ORC 1 في الصورة أعلاه، على مجرات في مراكزها وهي كبيرة بما يكفي للوصول إلى مئات الآلاف من السنين الضوئية. المصدر: © J. English (U. Manitoba)/EMU/MeerKAT/DES(CTIO)

يدرس كاي ومعاونوه المجرات الضخمة “الانفجار النجمي” التي يمكنها دفع هذا التدفق عالي السرعة إلى الخارج. تتمتع مجرات الانفجار النجمي بتكوين نجمي مرتفع بشكل استثنائي. عندما تموت النجوم وتنفجر، فإنها تطرد الغاز من النجم والمناطق المحيطة به إلى الفضاء بين النجوم. إذا انفجر عدد كافٍ من النجوم بالقرب من بعضها البعض في نفس الوقت، فإن قوة هذه الانفجارات يمكن أن تدفع الغاز خارج المجرة إلى رياح عادمة يمكنها السفر بسرعة تصل إلى 2000 كيلومتر في الثانية.

وقال كويل، رئيس قسم علم الفلك والفيزياء الفلكية: “هذه المجرات مثيرة للاهتمام للغاية”. “يحدث ذلك عندما تصطدم مجرتان ضخمتان. يؤدي هذا الاندماج إلى دفع كل الغاز إلى منطقة صغيرة جدًا، مما يتسبب في انفجار مكثف لتكوين النجوم. تحترق النجوم الضخمة بسرعة، وعندما تموت، تطرد الغاز كغازات عادم.

أصل ضخم ونادر وغير معروف

سمح التقدم التكنولوجي لـ ASKAP بمسح مساحات كبيرة من السماء في نطاقات باهتة للغاية لاكتشاف دوائر الراديو الغريبة (ORCs) لأول مرة في عام 2019. ORCs ضخمة – يبلغ عرضها مئات الكيلوبارسيك، ويساوي الكيلوبارسيك الواحد 3260 سنة ضوئية (كمرجع، درب التبانة المجرة عبر 30 كيلو فرسخ فلكي).

تم اقتراح العديد من النظريات لشرح أصل السدم الكوكبية و ORCs الثقب الأسود الروابط، لكن بيانات الراديو وحدها لا يمكنها التمييز بين النظريات. كان سورول ومعاونوه مفتونين واعتقدوا أن حلقات الراديو قد تكون نتاج المراحل اللاحقة من مجرات الانفجار النجمي التي كانوا يدرسونها. شرعوا في البحث عن ORC 4 – أول ORC يمكن ملاحظته يتم اكتشافه من نصف الكرة الشمالي.

محاكاة الرياح التي يحركها الانفجار النجمي على ثلاث فترات مختلفة تبدأ من 181 مليون سنة. يوضح النصف العلوي من كل شكل درجة حرارة الغاز والنصف السفلي السرعة الشعاعية. الائتمان: كاساندرا لوتشاس / معهد علوم التلسكوب الفضائي

حتى ذلك الحين، تم رصد ORCs فقط من خلال انبعاثاتها الراديوية، دون أي بيانات بصرية. استخدم فريق كويل مطيافًا ميدانيًا متكاملاً في مرصد WM Keck في مونا كيا، هاواي، للنظر إلى مجرة ​​ORC 4، التي كشفت عن غاز مضغوط شديد الإضاءة وساخن، وهو أكثر بكثير مما يُرى في المجرة المتوسطة.

مع وجود أسئلة أكثر من الإجابات، يشرع الفريق في مهمة بوليسية. وباستخدام بيانات التصوير البصري والأشعة تحت الحمراء، حددوا أن عمر النجوم في مجرة ​​ORC 4 يبلغ حوالي 6 مليارات سنة. وقال كويل: “كان هناك انفجار في تشكل النجوم في هذه المجرة، لكنه انتهى قبل حوالي مليار سنة”.

المحاكاة والنتائج

أجرت كاساندرا لوتشاس، زميلة ما بعد الدكتوراه في مركز هارفارد وسميثسونيان للفيزياء الفلكية والمتخصصة في الجانب النظري للرياح بين النجوم والتي شاركت في تأليف الورقة، مجموعة من عمليات المحاكاة الحاسوبية الرقمية لمحاكاة حجم وخصائص الراديو واسع النطاق. وتضم الحلقة كمية كبيرة من الصدمة والغازات الباردة في المجرة المركزية.

وأظهرت عمليات المحاكاة التي أجرتها أنها أوقفت الرياح النجمية الناشئة منذ حوالي 200 مليون سنة. عندما توقفت الرياح، قذفت الصدمة الأمامية غازًا أكثر سخونة من المجرة لتشكل حلقة راديوية، بينما أسقطت الصدمة العكسية غازًا باردًا مرة أخرى على المجرة. استغرقت عملية المحاكاة أكثر من 750 مليون سنة، وهو ما يقع ضمن نطاق العمر النجمي المقدر لـ ORC 4 والذي يبلغ مليار عام.

بدأت عمليات المحاكاة الحاسوبية للرياح المجرية المتدفقة بسرعة أولية تبلغ 450 كيلومترًا في الثانية ومعدل قذف جماعي يبلغ 200 كتلة شمسية سنويًا، مما يؤدي إلى نفخ الغاز من المجرة إلى الوسط المداري المحيط بها لمدة 200 مليون سنة. تظهر اللوحة اليسرى درجة حرارة الغاز واللوحة اليمنى كثافة الغاز. توفر المحاكاة تفسيرا محتملا لظهور دوائر راديوية غريبة. الائتمان: كاساندرا لوتشاس / معهد علوم التلسكوب الفضائي

“لتنفيذ هذا العمل، تحتاج إلى معدل قذف جماعي مرتفع، مما يعني أنه يقذف الكثير من المواد بسرعة كبيرة. ويجب أن يكون الغاز المحيط خارج المجرة أقل كثافة، وإلا ستتوقف الصدمة. وهذان عاملان رئيسيان،” كويل. “إن المجرات التي ندرسها لديها معدلات قذف جماعي عالية. إنهم نادرون، لكنهم موجودون. أعتقد أن هذا يشير إلى أن ORCs تتشكل من نوع ما من الرياح بين النجوم.”

لن يساعد التدفق الخارجي علماء الفلك على فهم ORCs فحسب، بل سيساعد ORCs أيضًا علماء الفلك على فهم التدفق الخارجي. وقال كويل: “توفر ORCs طريقة لرؤية الريح من خلال البيانات الراديوية والتحليل الطيفي”.

“سيساعدنا هذا في تحديد مدى شيوع هذه الرياح الشديدة التدفق وما هي دورة حياة الرياح. ويمكن أن يساعدنا أيضًا في معرفة المزيد عن تطور المجرات: هل تمر جميع المجرات الضخمة بمرحلة ORC؟ هل تصبح المجرات الحلزونية إهليلجية عندما “لم يعودوا ينتجون نجومًا؟ ما يمكننا تعلمه عن ORCs هو ORCs.” أعتقد أن هناك الكثير لنتعلمه .

ملاحظة: أليسون ل. كويل، سيرينا بيروتا، ديفيد إس.إن. روبكي، كاساندرا لوتشاس، كريستي أ. تريمونتي، أليكس دايموند ستانيك، دروموند فيلدينغ، جيمس إي. ، ريان سي. هيكوكس، جون موستاكاس، جريجوري هـ. رودنيك، بول سيل، وكيلي إي. والن، 8 يناير 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06752-8