الگویی جدید در توضیح پستاب‌های اشعه ایکس طولانی‌مدت در انفجارهای پرتو گاما

الگویی جدید در توضیح پستاب‌های اشعه ایکس طولانی‌مدت در انفجارهای پرتو گاما

انفجارهای پرتو گاما از پر انرژی‌ترین پدیده‌های نجومی هستند. این پرتوها علی‌رغم انرژی بسیار زیادی که دارند (معادل ۱۰۴۹ ارگ که تقریبا کمی کم‌انرژی‌تر از انرژی انفجارهای ابرنواختری معادل ۱۰۵۱ ارگ است) مدت بسیار کوتاهی ظاهر می‌شوند. به طور کلی دو نوع انفجار پرتو گاما در رصدها مشاهده شده که نوع اول طولانی‌تر از نوع دوم بوده و حدود ۳۰ ثانیه طول می‌کشد. نوع دوم که انفجارهای پرتو گامای کوتاه‌مدت هستند، حدود ۰/۳ ثانیه طول می‌کشند.

شکل ۱: نمای شماتیک نمودار فضا زمان است. رنگ قرمز نشان دهنده ابرستاره نوترونی است و محوطه نارنجی رنگ انتشار بادهای پلاسمایی کم سرعت و محوطه سبز رنگ انتشار بادهای پرسرعت را نشان می دهد. محل برخورد این دو جریان پلاسمایی منشاء پس تاب‌های اشعه ایکس است، و این درحالی است که پرتوهای گاما در زمان های بعدی توسط سیاهچاله و قرص برافزایشی تولید می شود.

شکل ۱: نمای شماتیک نمودار فضا زمان است. رنگ قرمز نشان‌دهنده ابرستاره نوترونی است و محوطه نارنجی‌رنگ، انتشار بادهای پلاسمایی کم‌سرعت و محوطه سبزرنگ، انتشار بادهای پرسرعت را نشان می‌دهد. محل برخورد این دو جریان پلاسمایی منشا پستاب‌های اشعه ایکس است و این درحالی است که پرتوهای گاما در زمان های بعدی توسط سیاهچاله و قرص برافزایشی تولید می‌شود.

اختر فیزیکدانان بر این باورند که این دو نوع، منشاهای متفاوتی دارند و به طور کلی حدس زده می‌شود که انفجارهای پرتو گامای بلندمدت منشا ابرنواختری دارند، و منشا نوع کوتاه‌مدت برخورد بین اجرام چگال نظیر دوتایی ستاره نوترونی- سیاهچاله و یا دوتایی ستاره نوترونی- ستاره نوترونی است. در اکثر این پدیده‌ها بعد از انفجار اصلی تابش‌های ضعیف‌تر اشعه ایکس مشاهده شده است که معمولا تا حدود چندین ساعت ادامه دارند. در مقاله‌ی حاضر که خلاصه‌ای از آن ارائه می شود، به بررسی پیدایش این پستاب‌های ضعیف‌تر اشعه‌ی ایکس می‌پردازیم.

یکی از بهترین کاندیدهای انفجارهای پرتو گامای کوتاه‌مدت زوج ستاره نوترونی- ستاره نوترونی است. این زوج در اثر تابش امواج گرانشی انرژی دورانی خود را از دست می‌دهند و در نهایت به هم برخورد می‌کنند و تشکیل یک اَبَرستاره‌ی نوترونی با جرم زیاد و قرص برافزایشی حول آن می‌دهند. این اَبَرستاره‌ی نوترونی در نهایت انرژی دورانی خود را از دست می‌دهد و تحت تاثیر گرانش زیاد تبدیل به یک سیاهچاله می‌شود. بعد از شکل‌گیری سیاهچاله و قرص برافزایشی حول آن، در طی مکانیسم پیچیده‌ای که حدس زده می‌شود ناشی از برهم‌کنش‌های میدان مغناطیسی با ماده و هم‌چنین فروپاشی جفت ماده-ضد ماده‌ی نوترینو و ضد نوترینو است، جت‌های نسبیتی شکل می‌گیرند و به صورت کاملا موازی و متمرکز از قطب‌های سیاهچاله به فضا پرتاب می‌شوند و تحت برهم‌کنش با پلاسمایی که در فضای دورتری قرار دارد پرتوهای گاما ساطع می‌کنند.

عمر اَبَرستاره‌ی نوترونی شکل‌گرفته قبل از اینکه تبدیل به سیاهچاله شود چیزی در حدود ۱۰,۰۰۰ ثانیه حدس زده می‌شود که تناسب بسیار خوبی با زمان پستاب‌های اشعه‌ی ایکس دارد. پس به نظر می‌رسد که این ابرستاره‌های نوترونی کاندید بسیار خوبی برای منشا این پرتوها هستند، ولی مسئله اساسی که اینجا مطرح می‌شود بحث تقدم و تاخر زمانی است که بین انفجارهای پرتو گاما و پستاب‌های اشعه‌ی ایکس وجود دارد. پستاب‌ها چگونه ممکن است پیش از انفجارهای پرتو گاما تولید شوند ولی پس از آن به ما برسند؟

شکل ۲: نمای شماتیک سیاهچاله و قرص برافزایشی پس از تشکیل و بادهای کم سرعت و پر سرعت را پس از انبساط نشان می دهد.

شکل ۲: نمای شماتیک سیاهچاله و قرص برافزایشی پس از تشکیل. این شکل هم‌چنین بادهای کم‌سرعت و پرسرعت را پس از انبساط نشان می‌دهد.

مکانیسمی که در این مقاله برای توجیه این پدیده ارائه شده است این است که در ابتدا اَبَرستاره‌ی نوترونی به نحوی به دور خود می‌چرخد که لایه‌های مختلف آن با سرعت‌های زاویه‌ای متفاوت دوران می‌کنند. در این مرحله اَبَرستاره‌ی نوترونی بادهای پلاسمایی تولید می‌کند که با سرعت کم منتشر می‌شوند و حاوی مواد باریونی زیادی هستند. پس از گذشت زمانی تقریبا معادل ۲-۱۰ تا ۱۰ ثانیه اَبَرستاره نوترونی به علت ازدست‌دادن انرژی، تبدیل به مگنتار (ستاره نوترونی با میدان‌های مغناطیسی عظیم) می‌شود که با سرعت دورانی ثابت می‌چرخد. در این حین به علت برهم‌کنش‌های بین ماده و میدان مغناطیسی، نوع جدیدی از بادهای پلاسمایی به وجود می‌آید که با سرعت بیشتری نسبت به بادهای سری اول در فضا منتشر می‌شوند و این روند تا زمان پیدایش سیاهچاله ادامه پیدا می‌کند. بادهای پلاسمایی پر سرعت پس از مدت زمان کوتاهی به بادهای سری اول می‌رسند. در مرز بین دو پلاسما با سرعت‌های متفاوت، شوک هیدرودینامیکی تشکیل می‌شود که باعث گرم‌شدن ماده و تابش اشعه ایکس می‌شود. این اشعه در بادهای پلاسمایی کم سرعت پخش می‌شود ولی به علت بالا بودن چگالی ماده باریونی این محیط برای تابش امواج الکترومغناطیسی شفاف محسوب نمی‌شود. در نتیجه پرتوهای تولید شده بارها در داخل پلاسما پراکنده می‌شوند تا اینکه در نهایت به سطح پلاسما برسند و در خلا منتشر شوند. در طی این زمان که پرتوهای ایکس در حال پراکنده‌شدن هستند، مگنتار انرژی دورانی خود را از دست داده و تبدیل به سیاهچاله می‌شود که باقی داستان همان سناریوی معروف سیاهچاله و قرص برافزایشی است که انفجارهای گاما تولید می‌کند.

در شکل‌های شماره‌ی ۱ و شماره‌ی ۲ روند این فرآیند به خوبی به تصویر کشیده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود این مدل به خوبی می‌تواند منشا پستاب‌های اشعه‌ی ‌ایکس و مدت زمان طول کشیدن آن‌ها و زمان ظاهر شدنشان را به خوبی توضیح دهد. برای تایید این مدل نیاز به مشاهدات بیشتری است. متاسفانه شبیه‌سازی‌های عددی در حال حاضر کمکی به اثبات این مدل نمی‌کنند چرا که هم در مقیاس زمانی و هم در مقیاس مکانی نیاز به توان محاسباتی بسیار بالایی است که در حال حاضر در دسترس نیست.

عنوان اصلی مقاله: A novel paradigm for short gamma-ray bursts with extended X-ray emission
نویسندگان:  Luciano Rezzolla, Pawan Kumar
این مقاله در نشریه‌ی  Astrophysical Journal پذیرفته شده است.
لینک مقاله‌‌ی اصلی: http://adsabs.harvard.edu/abs/2014arXiv1410.8560R

گردآوری: فاطمه حسین نوری

دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

فاطمه حسین‌نوری

فارغ‌التحصیل دکترای اخترفیزیک از دانشگاه ایالتی واشنگتن در پولمن است. فاطمه تحصیلات دوره‌ی کارشناسی خود را در دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی به انجام رسانده و تحقیقات او بر روی شبیه‌سازی عددی قرص‌های برافزایشی مغناطیسی در فضا و زمان خمیده‌ی سیاهچاله‌ها متمرکز است.

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*