تلسکوپ‌های فضایی فرمی و سویفت و مشاهدات تابش پرتو ایکس

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 16 نوامبر 2014

تلسکوپ‌های فضایی فرمی^۱ و سویفت^۲ هر دو به منظور رصد پرتو گامای ساطع‌شده از منابع اخترفیزیکی پرانرژی چند سال پیش توسط ناسا به فضا فرستاده شده و کار خود را آغاز کرده‌اند. تلسکوپ فرمی که اجرامی چون سیاهچاله‌های بسیار پرجرم، ستاره‌های نوترونی و دیگر منابع پرانرژی پرتو گاما را رصد می‌کند اهداف زیر را دنبال می‌کند:

شکل ۱: تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی.
http://fermi.gsfc.nasa.gov

۱. بررسی محیط‌هایی در عالم که انرژی‌های بسیار زیادی تولید می‌کنند که بسیار بیشتر از انرژی‌های موجود و یا قابل تولید در زمین است،
۲. جستجوی قوانین جدید فیزیکی از جمله بررسی ماده‌ی تاریک،
۳. بررسی مکانیسم شتاب‌دهی جت‌های پرانرژی سیاهچاله‌ها که ذرات را با سرعت نزدیک به نور پرتاب می‌کنند،
۴. بررسی و کشف دلیل انفجارهای پرتو گاما^۳ (GRB)،
۵. پاسخ به سؤال‌های بسیاری که مدت زیادی است فیزیکدان‌ها برای کشف آن‌ها مطالعات گسترده‌ای انجام می‌دهند، از جمله شراره‌های خورشیدی، پالسارها و منبع پرتوهای کیهانی.

از طرف دیگر، کاوشگر سویفت نیز به دنبال کشف GRBهایی است که پس از مهبانگ، قدرتمندترین انفجارهای عالم محسوب می‌شوند. انفجارهای پرتو گاما در سراسر عالم تقریبا هر روز اتفاق می‌افتند و انرژی بسیار زیادی را در مدت زمان کوتاهی تولید می‌کنند. این انفجارها در هر جهتی در آسمان رخ می‌دهند و از چند میلی‌ثانیه تا چندصد ثانیه به طول می‌انجامند. هنوز دلیل این انفجارها کشف نشده است و سؤال‌های زیادی را به ذهن می‌آورد، از جمله:

شکل ۲: تلسکوپ فضایی سویفت.
http://swift.gsfc.nasa.gov

۱. آیا این انفجارها منجر به تولید یک سیاهچاله در اثر یک انفجار ستاره‌ای پرجرم می‌شوند؟
۲. آیا این انفجارها محصول برخورد دو ستاره‌ی نوترونی هستند؟
۳. یا پدیده‌ی عجیب دیگری منجر به این انفجارها می‌شود؟
سویفت با داشتن سه ابزار مختلف قدرتمند قادر به بررسی دقیق این پدیده‌هاست و در حد چند ثانیه بعد از رصد هر یک از این انفجارها، اطلاعات مربوط به موقعیت انفجار را به رصدخانه‌های زمینی نیز فرستاده و باعث می‌شود که تلسکوپ‌های فضایی و زمینی به طور هم‌زمان منبع مورد نظر را رصد کنند. شکل‌های ۱ و ۲ به ترتیب تلسکوپ‌های فضایی فرمی و سویفت را نشان می‌دهند.

بعد از هر انفجار پرتو گاما، تابش‌های پسین در محدوده‌ی پرتو ایکس نیز مشاهده می‌شوند. این تابش‌های پسین می‌توانند به نوبه‌ی خود نقش مهمی در مطالعه‌ی منابع و دلایل GRBها داشته باشند. شراره‌های پرتو ایکس^۴ عموما در GRBهای طولانی‌تر مشاهده می‌شوند. این شراره‌ها گاهی بعد از ۱۰۰ ثانیه و گاه تا پس از ۱۰۰۰ ثانیه پس از انفجار هم مشاهده می‌شوند. تابش‌های پسین GRBها معمولا یک یا دو شراره ساطع می‌کنند ولی بیشتر از آن هم دیده شده است.

کشف شراره‌های پرتو ایکس منجر به مطالعات نظری متفاوتی شده که تفاوت اصلی آن‌ها مربوط به موتور مرکزی این انفجارهاست. مشاهدات سویفت شواهدی بر طبیعت شراره‌های پرتو ایکس مهیا کرده است. یک پارامتر مهم در تعیین بهترین مدل نظری برای تابش ایکس پسین، محل ساطع شدن این تابش است: مناطق داخلی که بین ^۱۳ ۱۰ تا ^۱۵ ۱۰ سانتی‌متر است یا مناطق خارجی که عموما بیشتر از ^۱۷ ۱۰ سانتی‌متر هستند. در حالت اول، شراره‌های پرتو ایکس با مکانیسم مشابه تابش اولیه‌ی سریع پرتو گاما رخ می‌دهند که احتمالا از طریق تابش سینکروترون به وجود می‌آیند. در حالت دوم تابش عکس کامپتون^۵ مکانیسم تولید پرتو ایکس است.

محدوده‌ی بی‌سابقه‌ی انرژی‌ تلسکوپ‌های فرمی و سویفت (از چند الکترون‌ولت تا ده‌ها گیگاالکترون‌ولت) برای اولین بار امکان بررسی مدل‌های نظری را فراهم کرده است. در این مقاله، محققان داده‌های تابش پرانرژی فرمی را که منطبق بر داده‌های شراره‌های پرتو ایکس آشکارشده توسط سویفت است به طور دقیق بررسی کرده‌اند. محققان این پژوهش به این نتیجه رسیده‌اند که به طور کلی شراره‌های پرتو ایکس همتای درخشانی در محدوده‌ی انرژی مگاالکترون‌ولت تا گیگاالکترون‌ولت ندارند و با در نظر گرفتن طیف انرژی توانی، حد بالایی برای شار تابشی در محدوده‌ی انرژی ۱ تا ۱۰ مگاالکترون‌ولت یافته‌اند که برابرا است با ^۷-۱۰ ارگ بر سانتی‌متر مربع در ثانیه. ‌همچنین در محدوده‌ی ۱۰۰ مگاالکترون‌ولت تا ۱۰ گیگاالکترون‌ولت، محاسبات نشان می‌دهند که این شار یک مرتبه کوچک‌تر است. نکته‌ی قابل توجه دیگر اینست که در محدوده‌ی اپتیکی یا نور مرئی هیچ تابشی در زمان فعالیت‌های شراره‌های پرتوایکس مشاهده نمی‌شود. نبود تابش گاما و تابش مرئی در این بازه‌ی زمانی نظریه‌های موجود را محدود می‌کند، مثلا نظریه‌ای که فرآیند عکس کامپتون را مکانیستم اصلی تابش پرتو ایکس می‌داند، طبق نظر این محققان مردود است.

شکل ۳: طیف گسترده‌ی شراره‌ی پرتو ایکس که داده‌های سویفت (مثلث‌های سیاه) و داده‌های فرمی (مثلث‌های قرمز) را با مدل استاندارد «شوک داخلی» مقایسه می‌کنند. بهترین مدل با خط مشکی نشان داده شده است. مؤلفه‌ی مربوط به تابش سینکروترون با نقطه-خط‌چین سبز و مؤلفه‌ی عکس کامپتون با خط‌چین آبی نشان داده شده‌اند.

در واقع مدل نظری مورد قبول در این پژوهش مدل «شوک داخلی» نام دارد. در این مدل، جریان‌های نسبیتی مواد ابتدا در شعاع ^۱۴-۱۳ ۱۰ سانتی‌متر شوک‌های داخلی و سپس در شعاع‌های بزرگتر شوک‌های خارجی متحمل می‌شوند. شراره‌های پرتو ایکس کسر بزرگی از انرژی تابشی را حمل می‌کنند که بین ^۵۱ ۱۰ ارگ تا ^۵۳ ۱۰ ارگ است. این مقدار معادل ۶٪ تا ۱۰۰٪ انرژی مشاهده‌شده در مرحله‌ی تابش پرتوگاما است.