سیگنال رادیویی یک کهکشان پس از 10 میلیارد سال سفر در فضا به زمین رسید!
به گزارش شارژ 10، فوران های رادیویی سریع (FRB)، رها شدن سیگنال های فوق العاده کوتاه مدت اما پرقدرتی از امواج رادیویی هستند که تنها در کسری از میلی ثانیه، انرژی معادل چند روز تابش خورشید را در پهنه فضا آزاد می نمایند. به تازگی دانشمندان دانشگاه سیدنی به سرپرستی دکتر منیشا کالب (Manisha Caleb) و دکتر تمیا نانایاکارا (Themiya Nanayakkara) پیروز شدند نشانه هایی از دورترین فوران رادیویی سریع ثبت شده تا به امروز را ردیابی نمایند؛ پدیده ای که نام علمی FRB 20240304B به آن داده شده و گامی تازه در مطالعه اعماق کیهان محسوب می گردد.
این سیگنال استثنایی از کهکشانی با مقدار انتقال به سرخ یا ردشیفت (Redshift) 2.148 ارسال شده بود. این مقدار ردشیفت نشان می دهد امواج رادیویی دریافتی، بیش از 10 میلیارد سال در راه بوده اند تا به آرایه های گیرنده ما روی زمین برسند. برای درک بهتر این فاصله زمانی کافی است یادآوری کنیم که منظومه شمسی و زمین حدود 4.5 میلیارد سال پیش شکل گرفته اند؛ یعنی زمانی که این فوران مسیر خود را در فضا شروع کرد، نه اثری از زمین و خورشید بود و نه هیچ سیاره ای در این گوشه از عالم وجود داشت.
این بازه زمانی دقیقاً با دوره ای هم زمان است که کیهان شناسان آن را ظهر کیهانی (Cosmic Noon) می نامند. در این برهه، یعنی حدود دو تا سه میلیارد سال پس از انفجار بزرگ (Big Bang)، نرخ ستاره زایی در کهکشان ها به بالاترین حد خود در تاریخ دنیا رسیده بود و فضا پر از زایش های ستاره ای شدید بود.
کشف ردی از گذشته کیهان با تلسکوپ های مدرن
فوران های رادیویی سریع مانند چراغ قوه های کیهانی عمل می نمایند. وقتی یک پالس رادیویی میلیاردها سال در فضای میان کهکشانی حرکت می نماید، از میان گازهای رقیق، هاله کهکشان ها و ماده تاریک پخش شده در فضا می گذرد. این مواد اثر معینی روی گام های فرکانسی سیگنال می گذارند که به آن پراکندگی (Dispersion) می گویند. فرکانس های بالاتر امواج رادیویی اندکی زودتر از فرکانس های پایین تر به زمین می رسند و آنالیز همین فاصله زمانی میکروسکوپی، ساختار و چگالی الکترون های ماده نامرئی میان کهکشان ها را برای اخترشناسان روشن می نماید.
ثبت چنین سیگنال هایی کار ساده ای نیست. اگرچه فوران رادیویی در مبدا خود بسیار پرقدرت است، اما پس از طی کردن فاصله ای بیش از 10 میلیارد سال نوری، شدت آن به شدت کاهش می یابد. زمانی که امواج این فوران به زمین می رسند، توان دریافتی آن ها هزاران بار ضعیف تر از امواجی است که یک تلفن همراه روی سطح کره ماه فراوری می نماید. با این حال، تلسکوپ رادیویی قدرتمند میرکات (MeerKAT) در آفریقای جنوبی، که بخشی از پروژه بزرگ آرایه کیلومتر مربعی (SKAO) است، توانست این تپ رادیویی ضعیف را شکار کند.
پس از کشف اولیه با تلسکوپ میرکات، رصدخانه های زمینی به علت فاصله بسیار زیاد و کم نور بودن منبع، نتوانستند کهکشان میزبان آن را به دقت معین نمایند. پژوهشگران برای برطرف این ابهام، زمان رصدی ویژه ای در تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) دریافت کردند. چشمان مادون قرمز و دقیق تلسکوپ جیمز وب توانستند دقیقا نقطه گسیل این سیگنال را ردیابی نمایند و موقعیت مکانی کهکشان مبدا را در پهنه آسمان با دقتی بی نظیر به اثبات برسانند.
ویژگی های غیرمنتظره کهکشان میزبان
تحلیل داده های تصویری تلسکوپ فضایی جیمز وب یافته غیرمنتظره ای به همراه داشت. کهکشان میزبان این پدیده، حدود 100 برابر کوچک تر و کم جرم تر از میانگین کهکشان های میزبانی است که تا به امروز برای دورترین فوران رادیویی سریع شناسایی شده اند. این کهکشان با وجود ابعاد فشرده و کوچک خود، به شدت فعال است و نرخ ستاره زایی بسیار بالایی دارد. این ویژگی با فرضیه اصلی دانشمندان درباره منشا این پدیده ها کاملاً همخوانی دارد.
بر اساس برجسته ترین نظریه های موجود، بخش مهمی از فوران های رادیویی سریع به وسیله مگنتارها (Magnetar) فراوری می شوند. مگنتارها نوع خاصی از ستاره های نوترونی به شمار می روند که میدان مغناطیسی آن ها تریلیون ها بار قوی تر از میدان مغناطیسی زمین است. این اجرام فشرده کیهانی حاصل فروپاشی و مرگ ستاره های بسیار پرجرم هستند؛ ستاره هایی که در کهکشان های جوان و پرکار از نظر ستاره زایی به وفور یافت می شوند و پس از انتها سوخت خود، انفجارهای ابرنواختری سهمگینی به راه می اندازند.
با این حال، تنوع در ساختار کهکشان های میزبان نشان می دهد که شاید تمام فوران های رادیویی سریع مکانیسم یکسانی نداشته باشند. دانشمندان احتمال می دهند که بعضی از این فوران ها ممکن است بر اثر برخورد و ادغام ستاره های نوترونی یا حتی فرایندهای مرتبط با سیاه چاله ها شکل بگیرند. رصد منبع FRB 20240304B قطعه مهمی از این معما را تکمیل کرد و نشان داد این پدیده ها از ابتدایی ترین دوران های کیهان نیز وجود داشته اند.
| ویژگی | فوران رادیویی FRB 20240304B | فوران های رادیویی سریع معمولی (قبلی) |
|---|---|---|
| ردشیفت (Redshift) | 2.148 (بیش از 10 میلیارد سال نوری) | کمتر از 1.0 (معمولاً زیر 5 میلیارد سال نوری) |
| حجم و جرم کهکشان میزبان | 100 برابر کوچک تر از حد میانگین | کهکشان های میانه تا بزرگ (مشابه راه شیری) |
| شرایط ستاره زایی کهکشان | فعال و پرکار (دوران ظهر کیهانی) | متنوع (از کم کار تا میانه) |
| ابزار اصلی شناسایی کهکشان | تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) | تلسکوپ های نوری و رادیویی زمینی |
ترسیم نقشه ماده ناشناخته بین کهکشان ها
پژوهشگران قصد دارند در سه سال آینده با دریافت زمان رصدی بیشتر از تلسکوپ جیمز وب، فوران های رادیویی بیشتری را در ردشیفت های بالا ردیابی نمایند. هدف نهایی این پروژه، نقشه برداری دقیق از ماده معمولی یا باریونی (Baryon) در عالم است. بخش زیادی از ماده باریونی کیهان به صورت گازی کم چگالی و داغ در فضای میان کهکشان ها پراکنده شده و با تلسکوپ های معمولی قابل مشاهده نیست، اما اثر آن بر امواج این فوران ها کاملاً قابل سنجش است.
کشف نخستین فوران رادیویی سریع به سال 2007 بازمی شود؛ زمانی که دانکن لوریمر (Duncan Lorimer) و دانشجوی او هنگام آنالیز داده های بایگانی شده تلسکوپ پارکز در استرالیا، سیگنالی غیرعادی مربوط به سال 2001 را پیدا کردند. آن کشف که به فوران لوریمر معروف شد، فصل تازه ای در اخترفیزیک گشود. اکنون با کشف دورترین فوران رادیویی سریع در فاصله ای دو برابر رکورد قبلی، ثابت شده است که این پدیده ها ابزاری کارآمد برای آنالیز تاریخ اولیه کیهان هستند.
تیم تحقیقاتی دانشگاه سیدنی امیدوار است با گردآوری نمونه های بزرگ تر از این سیگنال های کهن، نحوه توزیع ماده معمولی و تکامل ساختارهای کیهانی را در طول 10 میلیارد سال گذشته به دقت آنالیز کند. این داده ها به فیزیک دانان امکان می دهد فرضیه های موجود درباره سرعت انبساط عالم، انرژی تاریک و چگونگی شکل گیری نخستین خوشه های کهکشانی را آزمایش نمایند و پاسخ های روشن تری برای پرسش های بنیادی کیهان شناسی بیابند.
مکانیسم فیزیکی مگنتارها و چالش شناساگرهای زمین
مگنتارها از شگفت آورترین اجرام آسمانی هستند. قطر یک ستاره نوترونی یا مگنتار تنها حدود 20 کیلومتر است، اما جرمی بیشتر از خورشید ما دارد. میدان مغناطیسی مگنتارها به قدری نیرومند است که اگر یکی از آن ها در فاصله هزار کیلومتری زمین قرار گیرد، ساختار اتمی بدن انسان و تمام کارت های اعتباری روی زمین را در دم متلاشی می نماید. گسیختگی های ناگهانی در پوسته این ستاره ها، که به آن ستاره لرزه (Starquake) می گویند، فوران های شدید رادیویی و پرتوهای گاما پدید می آورد.
ضعف شدید سیگنال دریافت شده پس از طی مسافت 10 میلیارد سال نوری، نشان دهنده دقت حیرت انگیز آشکارسازهای امروزی است. ابزارهای مدرنی مانند تلسکوپ میرکات با استفاده از صدها دیش پردازشی هم زمان، کوچک ترین نوسانات رادیویی دریافت شده از اعماق کیهان را تفکیک می نمایند. ترکیب توان میرکات در حوزه رادیویی و جیمز وب در حوزه مادون قرمز، چشم اندازهای تازه ای در درک خاستگاه این انفجارهای کیهانی ایجاد نموده است.
منبع: Science
منبع: یک پزشک