تحقیقات جدیدی انتشار انرژی بسیار بالایی از مسیه 87 را بررسی می‌کند!!

SED of Messier 87 with the best fit SSC model. Credit: Urena-Mena et al., 2021.

  یک تیم بین‌المللی از ستاره‌شناسان، انتشار انرژی بسیار بالا (VHE) از کهکشان رادیویی مسیه 87 را بررسی کرده‌اند. نتایج این مطالعه که در 16 دسامبر در arXiv.org منتشر شد، می‌تواند به ما در درک بهتر ماهیت M87 و فرآیندهای مسئول انتشار انرژی VHEاز این منبع کمک کند.

کهکشان‌های رادیویی (RDG) مقادیر عظیمی از امواج رادیویی را از هسته مرکزی خود ساطع می‌کنند. سیاهچاله‌های مرکز این کهکشان‌ها گاز و غبار و جت‌های پرانرژی قابل مشاهده در طول موج‌های رادیویی تولید می‌کنند که ذرات باردار الکتریکی را به سرعت‌های بالا شتاب می‌دهند.

مسیه 87 (یا M87 که به عنوان Virgo A نیز شناخته می‌شود) که در فاصله 53.5 میلیون سال نوری از ما قرار دارد، کهکشان غالب مرکزی خوشه دوشیزه است. این کهکشان به عنوان یک کهکشان رادیویی غول‌پیکر فاناروف-ریلی I طبقه‌بندی می‌شود(FRI)، قطری در حدود 980000 سال نوری دارد و جرم دینامیکی آن (مترجم: جرم خوشه‌های کهکشانی که با استفاده از حرکت اجرام نجومی در اطراف خوشه‌ها تخمین زده شده است جرم دینامیکی نامیده می‌شود. رویکرد جرم دینامیکی یک روش مکمل برای تخمین توده‌های خوشه‌ای ارائه می‌کند که تحت سلطه ماده تاریک هستند و از این رو اندازه‌گیری آن دشوار است. (حدود 15 تریلیون جرم خورشیدی تخمین زده می‌شود. یکی از قابل‌توجه‌ترین ویژگی‌ها، جت مشهور آن با ساختارهای پیچیده‌ای مانند گره‌ها و تابش پراکنده، حرکت ورای سرعت نور  آشکار است که تنوع پیچیده‌ای را نیز به نمایش می‌گذارد.

M87 اولین کهکشان رادیویی بود که در VHE شناسایی شد و رفتار پیچیده‌ای را در انرژی‌های بسیار بالا با تغییرپذیری سریع در حالت‌های شراره‌وار از خود نشان داد. با این حال، مکانیسم مسئول، انتشار VHE در این کهکشان است. ) مترجم: همچنینM87 یک کهکشان رادیویی غول‌پیکر است که در خوشه Virgo واقع شده است و به عنوان منبع پرتو گاما با انرژی بسیار بالا (VHE) شناخته می‌شود). بنابراین، گروهی از محققان به سرپرستی فرناندو اوره‌نا-منا از موسسه ملی اخترفیزیک، اپتیک و الکترونیک در پوبلا، مکزیک، تصمیم گرفتند با تجزیه و تحلیل داده‌های موجود ازتلسکوپ Air Cherenkov Telescopes( IACTs) و رصدخانه ارتفاع بالای  Water Cherenkov (HAWC) این موضوع را بررسی کنند.

“هدف اصلی این کار، مقایسه انتشار (انرژی بسیار زیاد از کهکشان رادیویی) VHE RDG M87 مشاهده شده توسط IACT ها در طول دوره‌های خاص (شامل  20005 فوران آتش یا شراره) با قدرت انتشار طولانی مدت خاموش/متوسط ارائه شده توسط رصد مداوم توسط رصدخانه HAWC از سال 2019 تا 20 است. ستاره‌شناسان در این مقاله نوشتند که از یک مدل لپتوهادرونیک که ترکیبی از SSC Synchrotron Self Compton و سناریوهای فتو-هادرونیک است برای توضیح این انتشار استفاده کردند.

VHE= Very high energy)   یا انرژی بسیار زیاد)

به منظور توضیح انتشارانرژی بسیار زیاد VHE M87، این تیم توزیع انرژی طیفی باند پهن (SED) این کهکشان را با یک مدل لپتوهادرونیک برابر کردند. هنگامی که صحبت از انتشار از رادیو به پرتوهای گاما با سطح انرژی GeV می‌شود، توسط آنها با یک سناریوی SSC مدل‌سازی شد.

نتایج نشان می‌دهد که مدل لپتوهادرونیک قادر به توضیح انتشار VHE ساکن از M87 است که توسط HAWC و سایر امکانات رصدی شناسایی شده است. این مدل می‌تواند شراره‌های به اصطلاح (بی‌هویت) این کهکشان را توضیح دهد که فقط در باندهای VHE شناسایی می‌شوند. این شراره‌ها با تغییراتی در توزیع انرژی پروتون ایجاد می شوند.

محققان همچنین شاخص توزیع انرژی پروتون را با چهار مجموعه داده VHE برآورد کردند. این پارامتر در سطح 2.8 است. نتیجه با مطالعه انجام شده در سال 2016 که در آن از یک مدل لپتوهادرونیک مشابه استفاده شد، مطابقت دارد.

اخترشناسان خاطرنشان کردند که نظارت بیشتر M87 با HAWC برای کشف بیشتر منشا انتشار VHE آن ضروری است. آنها افزودند که درک بهتر انتشار انرژی بسیار بالای M87 می تواند برای بهبود دانش عمومی ما از کهکشان‌های رادیویی و خواص آنها بسیار مهم باشد.

ساختارهای رادیویی:

کهکشان‌های رادیویی و به میزان کمتری، اختروش‌های با صدای بلند رادیویی طیف گسترده‌ای از ساختارها را در نقشه‌های رادیویی نمایش می‌دهند. رایج‌ترین ساختارهای بزرگ در مقیاس بزرگ «لوب» نامیده می‌شوند: این ساختارها دوتایی، اغلب نسبتاً متقارن و تقریباً بیضوی هستند که در دو طرف هسته فعال قرار دارند. اقلیت قابل توجهی از منابع با درخشندگی کم ساختارهایی را نشان می‌دهند که معمولاً به عنوان توده‌هایی شناخته می‌شوند که بسیار طولانی‌تر هستند. برخی از کهکشان‌های رادیویی یک یا دو ویژگی باریک و طولانی را نشان می‌دهند که به عنوان جت شناخته می‌شوند (معروف‌ترین نمونه کهکشان غول پیکر مسیه ۸۷ در خوشه دوشیزه است) که مستقیماً از هسته می‌آیند و به لوب‌ها می‌روند. از دهه ۱۹۷۰، مورد پذیرش‌ترین مدل ارائه شده این بوده که لوب‌ها یا ستون‌ها توسط پرتوهای ذرات پرانرژی و میدان مغناطیسی از نزدیک به هسته فعال تأمین می‌شوند. اعتقاد بر این است که جت‌ها نمودهای بارزی از تیرها هستند و غالباً از اصطلاح جت برای اشاره به ویژگی قابل مشاهده و جریان اصلی استفاده می‌شود.

تصویر شبه رنگی از ساختار رادیویی مقیاس بزرگ کهکشان رادیویی FRI 3C31. جت‌ها و ستون‌ها برچسب گذاری شده‌اند.

در سال ۱۹۷۴، منابع رادیویی توسط Fanaroff و Riley به دو کلاس تقسیم شدند که اکنون به Fanaroff و( Riley Class I (FRI و Class II (FRII) معروف هستند. این تمایز در اصل بر اساس مورفولوژی انتشار رادیویی در مقیاس بزرگ انجام شد (نوع آن با فاصله بین روشن‌ترین نقاط در انتشار رادیویی تعیین می‌شد): منابع FRI به سمت مرکز پرنورترین بودند، در حالیکه منابع FRII در لبه‌ها پرنورتر بودند. فناروف و رایلی مشاهده کردند که در درخشندگی بین دو طبقه اختلاف قابل توجهی وجود دارد: FRIها دارای درخشندگی کم، FRII با درخشندگی بالا بودند. با مشاهدات رادیویی دقیق‌تر، مورفولوژی نشان می‌دهد که روش انتقال انرژی در منبع رادیویی را منعکس می‌کند. اجسام FRI معمولاً دارای جتهای روشن در مرکز هستند، در حالی که FRIIها دارای جتهای کم نور اما نقاط روشن در انتهای لوب‌ها هستند. به نظر می‌رسد FRIIها می‌توانند انرژی را به‌طور اثری با ابعاد میلیون سال نوری به انتهای لوب‌ها منتقل کنند، در حالی که پرتوهای FRI از این نظر ناکارآمد هستند که هنگام حرکت مقدار قابل توجهی از انرژی خود را تابش می‌دهند.

 در حالی که هسته‌های فعال کهکشانی با جت‌های نسبیتی مدت‌ها کاندیدهای اصلی منشأ پرتوهای کیهانی و نوترینوهای فراکهکشانی بوده‌اند. منطقه انتشار و جمعیت ذرات به طور گسترده برای سناریوهایی بررسی شده است که در آن پرتوهای گاما تحت سلطه 1) گسیل سنکروترون پروتون یا 2) انتشار خود کامپتون سنکروترون است با سهم فرعی اما غیر قابل اغماض از عکس هادرونیک قرار دارند. آبشار در هر دو مورد وجود دارد. ما متوجه شدیم که دومی می‌تواند با مشاهدات نوترینو سازگار باشد، در حالی که اولی به دلیل نرخ تولید ناکافی نوترینو به شدت ناپسند است.

SSC [Synchrotron Self Compton]:

این فرآیند زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها فوتون‌های سنکروترون تولید می‌کنند و سپس کامپتون آنها را با انرژی‌های بالا پراکنده می‌کنند. این موضوع به بحث در مورد قدرت تشخیصی این فرآیند و به ویژه نحوه استفاده از آن برای تعیین محدودیت در حرکت نسبیتی منبع اختصاص یافته است.

فوتون‌های سنکترون:

منبع نور سنکروترون منبعی از تابش الکترومغناطیسی (EM) است که معمولاً توسط یک حلقه ذخیره‌سازی تولید می‌شود. نور سنکروترون که برای اولین بار در سنکروترون ها مشاهده شد، اکنون توسط حلقه‌های ذخیره و سایر شتاب‌دهنده‌های ذرات تخصصی تولید می‌شود که معمولاً الکترون‌های شتاب دهنده هستند. هنگامی که پرتو الکترونی با انرژی بالا تولید شد، به اجزای کمکی مانند آهنرباهای خمشی و دستگاه‌های درج (دولاتور یا تکان دهنده) در حلقه‌های ذخیره‌سازی و لیزرهای الکترون آزاد هدایت می‌شود. اینها میدان‌های مغناطیسی قوی عمود بر پرتو را تامین می‌کنند که برای تبدیل الکترون‌های پر انرژی به فوتون موردنیاز است.

اثر کامپتون یا پراکندگی کامپتون، یک پدیده در فیزیک است. در پدیده کامپتون پرتو ایکس در اثر اندرکنش با ماده انرژی خود را از دست داده و از این‌رو طول موجش افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر، پراکندگی کامپتون، پراکندگی ناکشسان یک فوتون توسط یک ذره باردار و معمولاً الکترون است و باعث کاهش انرژی (افزایش طول موج) فوتون (که ممکن است یک پرتو ایکس یا پرتو گاما باشد) می‌شود که به اثر کامپتون مشهور است. بخشی از انرژی فوتون به الکترون پس‌زده‌شده منتقل می‌شود. پراکندگی معکوس کامپتون نیز وجود دارد که در آن ذره باردار بخشی از انرژی‌اش را به یک فوتون می‌دهد.

فرآیند فتو هادرونیک چیست؟

در اخترفیزیک پرانرژی، فوتومزون یک مزون (اغلب پیون) است که در برهمکنش فوتون با یک نوکلئون در یک جسم اخترفیزیکی تولید می‌شود. این تعامل معمولاً به عنوان فرآیند فتوهادرونیک شناخته می‌شود. فروپاشی مزون‌های خنثی پرتوهای گامای پر انرژی تولید می‌کند.

در اخترفیزیک پرانرژی، فوتومزون یک مزون (اغلب پیون) است که در برهمکنش فوتون با یک نوکلئون در یک جسم اخترفیزیکی تولید می‌شود. این تعامل معمولاً به عنوان فرآیند فتوهادرونیک شناخته می‌شود. فروپاشی مزون‌های باردار در نهایت منجر به تولید نوترینوها و الکترون‌ها می‌شود که میون‌ها به عنوان یک حالت میانی هستند. فروپاشی مزون‌های خنثی پرتوهای گامای پرانرژی تولید می‌کند. تولید فوتومزون یکی از فرآیندهای هادرونیک است که می‌تواند در منابع پرتوهای کیهانی به صورت انفجار پرتو گاما و هسته‌های فعال کهکشانی رخ دهد و می‌تواند منجر به تایید  چند پیام‌رسان قابل مشاهده شود.

لپتون‌ها ذرات کوانتومی هستند که الکترون نوعی از آنها است و می‌توانند اتم‌ها را بسازند اما نوترینوها ذرات کوانتومی هستند که به ندرت با چیزی برهم کنش دارند و از این رو به ندرت مشاهده می‌شوند. هادرون‌ها ذرات کوانتومی هستند

ترجمه: مرتضی نادری فرد

منبع:

Research inspects very high energy emission from Messier 87

by Tomasz Nowakowski , Phys.org DECEMBER 28, 2021 

https://phys.org/news/2021-12-high-energy-emission-messier.html