پرتاب تلسکوپ ناسا برای بررسی نحوه عملکرد اشعه ایکس توسط اجرام کیهانی خشن

ماموریت IXPE با اندازه‌گیری نور قطبی شده می‌تواند موتورهای مغناطیسی بقایای ستاره‌ها و مکانیک جت‌های سیاهچاله را آشکار کند.

سه تلسکوپ کاوشگر پلاریمتری پرتو ایکس تصویربرداری. NASA/BALL AEROSSPACE

هفته آینده، ناسا ماموریت کوچکی را با یک وظیفه بلندپروازانه پرتاب خواهد کرد: بررسی برخی از خشن‌ترین اجرام جهان برای یافتن سرنخ هایی از نحوه عملکرد آنها. کاوشگر قطب سنجی تصویربرداری پرتو ایکس (IXPE) با تشخیص اینکه چگونه میدان‌های مغناطیسی شدید در ستاره‌های فروپاشیده و سیاه‌چاله‌ها، اشعه‌های ایکسی را که از خود ساطع می‌کنند، همسو یا قطبی می‌کنند، می‌تواند نشان دهد که این اجرام چگونه تشعشعات را در وهله اول به بیرون پرتاب می‌کنند. مارتین ویسکوپف، محقق اصلی مرکز پروازهای فضایی مارشال ناسا، می‌گوید: «ما فقط سعی می‌کنیم بفهمیم که شما چگونه این اشعه‌های ایکس را تولید می‌کنید.

فریال اوزل، ستاره‌شناس اشعه ایکس از دانشگاه آریزونا می‌گوید: «جامعه برای مدت طولانی منتظر این بود. ویسکوپف می‌گوید که رصدخانه خورشیدی مدارگرد 8 ناسا، که در سال 1975 پرتاب شد، انبوهی از اشعه ایکس قطبی شده را از یک منبع واحد، سحابی خرچنگ، شناسایی کرد. از آن زمان به بعد، سوالاتی که ممکن است به آنها پاسخ دهد، انباشته شده است، اما هیچ مأموریتی برای اندازه‌گیری آنها انجام نشده است – تا حدی به این دلیل که داده‌های اولین حسگر نشان می‌دهد که ممکن است تعداد کمی وجود داشته باشد که ارزش تلاش را داشته باشد. ویسکوپف می‌گوید که چندین بار مأموریت‌های قطب‌سنجی پرتو ایکس اختصاصی را پیشنهاد کرده است، قبل از موفقیت با IXPE، یک مأموریت 190 میلیون دلاری که قرار است در 9 دسامبر از مرکز فضایی کندی در فلوریدا با موشک فالکون 9 اسپیس‌ایکس پرتاب شود.

اشعه ایکس هنگامی ساطع می‌شود که گاز تا صدها میلیون درجه سانتیگراد گرم می‌شود و برای تولید پلاسما یونیزه می‌شود. به طور معمول، میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی خود فوتون‌ها به صورت عمود بر مسیر خود، اما در جهات تصادفی در نوسان هستند. با این حال، شرایط مغناطیسی در هنگام تولد یا فعل و انفعالات در سفر آنها می‌تواند فوتون‌ها را با فشار دادن آن نوسانات به همان صفحه قطبی کند.

IXPE حداقل 2 سال را صرف بررسی دقیق منابع پرتو ایکس کیهانی با سه تلسکوپ – ارزان‌تر از یک تلسکوپ بزرگ و محافظی در برابر خرابی‌ها یکسان خواهد کرد. هر تلسکوپ استوانه‌ای شکل است حاوی دو دوجین پوسته متحدالمرکز که پرتوهای ایکس را از طریق بازتاب‌ متمرکز می‌کند. (اشعه ایکس به آینه‌های تلسکوپ استاندارد نفوذ می‌کند.) حسگرهای ارائه شده توسط آژانس فضایی ایتالیا، اشعه ایکس و قطبش آنها را در لایه‌ای از گاز دی‌متیل اتر تشخیص می‌دهند. برخورد پرتو ایکس به اتم گاز، الکترونی را از بین می‌برد که تمایل دارد در جهت قطبش پرتاب کند و یک دنباله قابل مشاهده باقی می‌گذارد. تصویربرداری از بسیاری از مسیرها و گسترش آنها به ناظران می‌گوید که نور چقدر قطبی و در کدام جهت است.

تپ‌اخترها هدف اصلی IXPE هستند. بقایای ستارگان مرده به اندازه شهر، دیوانه‌وار می‌چرخند، گاهی اوقات صدها بار در ثانیه، پرتوهایی از امواج رادیویی، پرتوهای ایکس و دیگر تشعشعاتی است که مانند یک فانوس دریایی از کنار زمین عبور می‌کنند. ویسکوپف می‌گوید تئوری‌های رقیب تولید پرتو نشان می‌دهند که پرتوهای ایکس در مکان‌های مختلف تپ‌اختر منشا می‌گیرند: در سراسر سطح، در قطب‌های آن، یا در جو آن. هر نظریه پیش‌بینی می‌کند که سیگنال پلاریزاسیون اشعه ایکس باید با زمان‌بندی پالس‌ها به گونه‌ای که IXPE قادر به تشخیص آن باشد، متفاوت باشد. او پیش‌بینی می‌کند: «زمانی که این تلسکوپ را راه‌اندازی کنیم، به نتیجه خواهیم رسید».

همچنین در مناظر این مأموریت، مگنتارها، بقایای ستاره‌ای مانند تپ‌اخترها، اما با میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر، 100 میلیون برابر قوی‌تر از هر آهن‌ربایی ساخته شده روی زمین هستند. خطوط میدان مغناطیسی الکترون‌های سریع‌السیر را به مسیرهای مارپیچ وادار می‌کنند و باعث می‌شوند که پرتوهای ایکس قطبی شده به نام تابش سنکروترون را به بیرون بپاشند. با اندازه‌گیری چگونگی تغییر قطبش پرتوهای ایکس در حین چرخش مگنتار، ناظران می‌توانند هندسه میدان را در سراسر کره زمین ترسیم کنند و به دنبال گره‌هایی باشند که منجر به فوران می‌شوند. متیو بارینگ، نظریه‌پرداز دانشگاه رایس، می‌گوید: «با IXPE ممکن است واقعاً جهت میدان مغناطیسی، مگنتوسفر پیچ خورده را ببینیم.

قطبش همچنین می‌تواند نشان دهد که سیاهچاله کلان پرجرم در مرکز کهکشان راه شیری در تاریخ اخیر چقدر گرسنه بوده است. گاز و غباری که در اطراف یک سیاه‌چاله فعال و برافزایشی می‌چرخند، با پرتوهای ایکس به شدت می‌درخشند زیرا توسط نیروهای گرانشی نزدیک به افق رویداد به شدت گرم می‌شوند. اشعه ایکس که اکنون مستقیماً از سیاهچاله کهکشان راه شیری می‌رسد کم نور است و نشان می‌دهد که این سیاهچاله ساکن است. اما پرتوهای ایکس که مدت‌ها قبل ساطع شده‌اند نیز می‌توانند وارد شوند. این پراکندگی باید یک قطبش را روی پرتوهای ایکس حک کند. فیلیپ کارت، اخترفیزیکدان از دانشگاه آیووا، که بر روی طرح پیشنهادی قطب‌سنج رقیب کار می‌کرد که از IXPE شکست خورد، می‌گوید: «اگر به ابرها نگاه کنیم و قطبی شدن را ببینیم، این یک تفنگ دودی است. روشنایی آنها ممکن است نشان دهد که آیا سیاهچاله ده‌ها هزار سال پیش فعال‌تر بوده است یا خیر.

بزرگ‌ترین کودتای IXPE ممکن است کمک به درک مکانیک جت‌های بسیار قدرتمندی باشد که توسط سیاه‌چاله‌های عظیم در کهکشان‌های دور پرتاب می‌شوند. این جت‌ها موادی را تا فاصله 10 میلیون سال نوری به فضا پرتاب می‌کنند که 100 برابر قطر کهکشان راه شیری است. محققان بر این باورند که چرخش سیاهچاله مواد و خطوط میدانی را از کوبیدن ذرات باردار در نزدیکی دیسک برافزایش به درون جت‌ها وارد می‌کند که از هر دو قطب خارج می‌شوند.

سایر تلسکوپ‌های اشعه ایکس پرتوهای ایکس منتشر شده را در نزدیکی پایه جت مشاهده کرده‌اند و محققان بر این باورند که تابش سینکروترون عامل آن است. اما چه چیزی الکترون‌ها را به سرعت‌های نزدیک به نور نیرو می‌دهد که در اطراف خطوط میدان می‌چرخند؟ یکی از احتمالات، امواج ضربه‌ای است که در اثر برخورد سریع پلاسمای متحرک با مواد آهسته‌تر ایجاد می‌شود. یکی دیگر از اتصال مجدد مغناطیسی است، زمانی که خطوط میدان تحت تنش قطع و دوباره وصل می‌شوند. هر دو فرآیند انرژی آزاد می‌کنند که می‌تواند الکترون‌ها را شتاب دهد.

اندازه‌گیری‌های قطبش توسط IXPE می‌تواند بینشی در مورد این امر ارائه دهد که: این ناحیه گسیلی چقدر بزرگ و آشفته است و چه چیزی باعث شتاب الکترون‌ها می‌شود،. بارینگ می‌گوید که حتی ممکن است نشان دهند که هر دو فرآیند در حال کار هستند. او می‌گوید: «این طبیعت را غنی‌تر می‌کند و نظریه پردازان را مشغول نگه می‌دارد.»

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

NASA telescope to study how extreme cosmic objects sculpt x-ray light

BYDANIEL CLERY

https://www.science.org/content/article/nasa-telescope-study-how-extreme-cosmic-objects-sculpt-x-ray-light