أعلن مسح "فاست" للنباضات في العناقيد النجمية الكروية (GC FANS) عن اكتشاف 60 نباضاً في 14 عنقوداً نجمياً كروياً، بما في ذلك أنظمة ثنائية قياسية عالمية ومرشحاً نادراً لنجمين نيوتونيين ثنائيين، بينما كشف في الوقت ذاته أن غالبية هذه العناقيد تضم مجموعات من النباضات ذات الميلي ثانية تشبه تلك الموجودة في القرص المجري نظراً لانخفاض كثافتها النجمية.
المؤلفون الأصليون:Yujie Lian, Zhichen Pan, Haiyan Zhang, Shuo Cao, P. C. C. Freire, Lei Qian, Ralph P. Eatough, Lijing Shao, Scott M. Ransom, Duncan R. Lorimer, Dejiang Yin, Yinfeng Dai, Kuo Liu, Lin Wang, Yujie WangYujie Lian, Zhichen Pan, Haiyan Zhang, Shuo Cao, P. C. C. Freire, Lei Qian, Ralph P. Eatough, Lijing Shao, Scott M. Ransom, Duncan R. Lorimer, Dejiang Yin, Yinfeng Dai, Kuo Liu, Lin Wang, Yujie Wang, Zhongli Zhang, Zhonghua Feng, Baoda Li, Minghui Li, Tong Liu, Yaowei Li, Bo Peng, Yu Pan, Yuxiao Wu, Liyun Zhang, Xingnan Zhang, Peng Jiang
في أعماق النوى القديمة والمزدحمة للعناقيد الكروية — وهي مجموعات كروية من مئات الآلاف من النجوم التي دارت حول درب التبانة لمليارات السنين — تكمن مجموعة خفية من المنارات الكونية. هذه هي النباضات، وهي بقايا كثيفة للغاية وسريعة الدوران لنجوم ضخمة انفجرت. وبينما تكون معظم النجوم في هذه العناقيد قديمة وهادئة، فإن الجاذبية الشديدة لنواة العنقود تجبر النجوم على التفاعل، وغالبًا ما تلتقط بعضها البعض في أنظمة ثنائية. وفي هذه الرقصات الضيقة، يمكن لنجم ميت أن يمتص المادة من رفيق حي، مما يؤدي إلى تسريع دورانه ليدور مئات المرات في الثانية الواحدة. هذه النباضات "المعاد تدويرها"، والمعروفة باسم النباضات ذات الميلي ثانية، هي أدق الساعات في الكون. لطالما اشتبه علماء الفلك في أن هذه العناقيد يجب أن تكون تعج بها، ولكن لعقود من الزمن، لم تكن تلسكوباتنا حساسة بما يكفي لرؤية الإشارات الأضعف من تلك الأكثر بعدًا أو خفوتًا.
لقد غير فريق من علماء الفلك هذه الصورة الآن باستخدام تلسكوب "فاست" (FAST)، وهو تلسكوب راديوي ذو فتحة كروية بقطر خمسمائة متر، ويقع في الصين. هذه الأداة الضخمة، وهي أكبر طبق راديوي منفرد في العالم، أجرت بحثًا عميقًا وشاملًا لأواحد وأربعين عنقودًا كرويًا مرئيًا من موقعها. والنتيوة هي توسع دراماتيكي في معرفتنا: فقد كشف المسح، المعروف باسم (GC FANS)، عن اكتشاف ستين نباضًا جديدًا في أربعة عشر عنقودًا مختلفًا. هذا الجهد المنفرد يضاعف أكثر من عدد النباضات المعروفة في السماء الشمالية، ويكشف أن هذه العناقيد النجمية القديمة أكثر تنوعًا ونشاطًا مما كان يُعتقد سابقًا، حيث تحتضن كل شيء بدءًا من أسرع النباضات دورانًا إلى أوسع الأنظمة الثنائية التي عُثر عليها في مثل هذه البيئات الكثيفة.
لقد صُمم المسح للبحث عن الإشارات التي فاتتها التلسكوبات السابقة. ولأن العناقيد الكروية غالبًا ما تكون بعيدة جدًا، فإن الإشارات الراديوية من نباضاتها تكون خافتة للغاية. ومن خلال توجيه "فاست" نحو مراكز هذه العناقيد لساعات في كل مرة، تمكن الفريق من اكتشاف إشارات كانت غير مرئية سابقًا. وقد وجدوا أنه بينما العديد من النباضات الجديدة هي بالفعل من نوع الميلي ثانية المتوقع، والتي تدور في أقل من ثلاثين من ألف من الثانية، فإن المجموعة تضم أيضًا بعض الحالات الشاذة الغريبة حقًا. ففي العنقود المعروف باسم (M71)، وهو عنقود قليل الكثافة بشكل مثير للدهشة مقارنة بغيره، وجد الفريق نباضًا بفترة دوران تبلغ 101 مللي ثانية. هذا الجسم موجود في مدار شديد الإهليلجية مع رفيق ضخم، والكتلة الإجمالية للنظام تشير إلى أنه زوج من نجمين نيوتونيين. هذا اكتشاف نادر؛ إذ يُعتقد أن معظم هذه الأزواج في العناقيد الكروية تتشكل من خلال اصطدامات عشوائية وفوضوية بين النجوم. ومع ذلك، فإن خصائص هذا النظام المحدد تشير إلى أنه تشكل طبيعيًا من نظام نجمي ثنائي ضخم في وقت مبكر من تاريخ العنقود، تمامًا مثل الأزواج المماثلة الموجودة في المناطق الأكثر هدوءًا في مجرتنا، بدلًا من التكون عبر لقاء عنيف.
كما أسفر الاكتشاف في (M71) عن نظامين مذهلين آخرين، هما (M71B) و(M171C). هذه نباضات تدور حول رفاقها في حلقات واسعة للغاية، حيث تستغرق حوالي 466 و378 يومًا على التوالي لإكمال دورة واحدة. هذه هي أوسع الأنظمة الثنائية للنباضات المعروفة في عنقود كروي. وفي البيئات الكثيفة حيث توجد هذه العناقيد عادةً، من المفترض أن يتم تدمير هذه المدارات الواسعة بسهولة بفعل الجذب الجاذبي للنجوم المارة. وحقيقة بقائها تشير إلى أن (M71) هو عنقود منخفض الكثافة حيث تكون مثل هذه اللقاءات المدمرة نادرة، مما يسمح لهذه الأنظمة الدقيقة طويلة الفترة بالبقاء. هذا الاكتشاف يتحدى الفكرة البسيطة القائلة بأن عدد النباضات في العنقود يعتمد فقط على مدى ازدحام النجوم؛ فحتى في عنقود متفرق، يمكن للظروف المناسبة أن تحافظ على الأنظمة الغريبة التي قد تُدمر في أماكن أخرى.
وبعيدًا عن الحالات الشاذة الغريبة، أكد المسح اتجاهًا أوسع: فالنباضات التي عُثر عليها في هذه العناقيد غالبًا ما تشبه نباضات الميلي ثانية الموجودة في قرص مجرتنا الهادئ، بدلاً من الأنظمة الفوضوية والمضطربة التي تُرى في العناقيد الأكثر كثافة. وهذا يشير إلى أنه في العديد من العناقيد، تتطور النجوم الثنائية بسلام، حيث تعيد تدوير النباضات دون أن يتم تمزيقها بواسطة الجيران. كما قام الفريق أيضًا بتحديث قياسات التوقيت الدقيقة لعدة نباضات معروفة، بما في ذلك بعضها في عنقدي (M92) و(NGC 6712). وتعد هذه القياسات حاسمة لاختبار قوانين الجاذبية، حيث يمكن لتكتكة هذه الساعات الكونية الدقيقة أن تكشف عن انحرافات طفيفة عن نظرية النسبية العامة لأينشتاين. ورغم أنه لم يتم العثور على مثل هذه الانحرافات بعد، إلا أن البيانات الجديدة توفر أداة أكثر حدة للاختبارات المستقبلية.
إن نجاح هذا المسح يسلط الضوء على قوة الحساسية في علم الفلك. فمن خلال القدرة على رؤية الأجسام الأكثر خفوتًا وبعدًا، كشف "فاست" أن مجتمع النباضات في العناقيد الكروية أغنى وأكثر تنوعًا مما استطاعت أدواتنا الأقل حساسية إظهاره. إن اكتشاف هذه الستين نباضًا جديدًا، بما في ذلك أوسع الثنائيات ونظام محتمل لنجمين نيوتونيين تشكل عبر التطور الطبيعي، يجبر علماء الفلك على إعادة التفكير في كيفية تشكل هذه الأنظمة وبقائها. وهو ما يشير إلى أنه حتى في أقدم البيئات وأكثرها ازدحامًا بالنجوم، يمكن للطبيعة أن تنتج مجموعة واسعة من الساعات الكونية، التي ظل بعضها يعمل دون انقطاع طوال عمر الكون تقريبًا. وبينما يستمر الفريق في تحليل البيانات وصقل ملاحظاته، فمن المرجح أن تعمل هذه النباضات كمجسات أكثر قوة لفهم ديناميكيات عناقيد النجوم والقوانين الأساسية للفيزياء.
ملخص تقني: مسح FAST للنباضات في العناقيد النجمية الكروية (GC FANS)
المشكلة والدوافع تتميز العناقيد النجمية الكروية (GCs) بكثافات نجمية عالية تسهل التفاعلات الديناميكية المتكررة، مما يؤدي إلى تكوين أنظمة ثنائية مثل الأنظمة الثنائية منخفضة الكتلة ذات الأشعة السينية (LMXBs) وأحفادها التطورية مثل النباضات الميلي ثانية (MSPs). وبينما حددت المسوحات السابقة باستخدام تلسكوبات مثل Arecibo وGBT وParkes مئات النباضات في العناقيد الكروية، فإن قيود الحساسية من المرجح أنها تركت غالبية هذه المجموعات دون اكتشاف، لا سيما في العناقيد البعيدة أو منخفضة الكثافة. ويقدم تلسكوب الفتحة الكروفي الخمس مئة متر (FAST)، بفضل حساسيته الفائقة، القدرة على إجراء مسح عميق وغير منحاز لمجتمع العناقيد الكروية ضمن تغطيته للسماء (−14∘<δ<65∘)، مما قد يضاعف تعداد نباضات العناقيد الكروية المعروفة ويكشف عن أنظمة متطرفة تتحدى نماذج التكوين الحالية.
المنهجية يستهدف مسح GC FANS عدد 41 عنقوداً نجمياً كروياً ضمن مسافة 83 كيلو فرسخ فلكي من الشمس، تم اختيارها من أصل 45 عنقوداً مرئياً لتلسكوب FAST. يستخدم المسح مستقبل النطاق L المكون من 19 شعاعاً (1.05–1.45 جيجاهرتز) مع درجة حرارة نظام تبلغ 24 كلفن وكسب هوائي قدره 16 K Jy−1. بدأت الملاحظات في مايو 2018، مع مسح تجريبي لعنقود M92 أُجري في عام 2017 باستخدام مستقبل واسع النطاق للغاية.
استراتيجية الملاحظة: تمت ملاحظة معظم الأهداف طوال وقت التكامل المتوقع عند زاوية سمت قدرها 26.5∘ لتعظيم الحساسية. وبينما يغطي الشعاع المركزي (∼3′) نوى معظم العناقيد، فقد أعطى المسح الأولوية للتوجيه المركزي من أجل الكفاءة الحسابية، مع الإقرار بأن النوى الممتدة في بعض العناقيد (مثل Pal 5 وNGC 6366) قد تؤدي إلى وقوع بعض النباضات خارج نطاق الشعاع.
تقليل البيانات: تمت معالجة البيانات باستخدام حزمة برمجيات PRESTO. تضمنت استراتيجية البحث ما يلي:
نطاق فوريه: عمليات بحث التسارع (باستخدام accelsearch) مع الجمع التوافقي للكشف عن النباضات المنعزلة والأنظمة الثنائية ذات التسارع المداري الطفيف. بالنسبة للأنظمة الثنائية المعروفة، تم تطبيق "عمليات بحث الارتجاج" (jerk searches) للكشف عن الأنظمة الثنائية ذات التسارع العالي جداً.
نطاق الزمن: تم استخدام خوارزمية الطي السريع (FFA) عبر Riptide-FFA للكشف عن النباضات البطيئة (P>50 مللي ثانية) أو تلك ذات الفترات المدارية الطويلة.
بحث التراكم (Stack Search): استُخدم الدمج غير المتماسك لأطياف القدرة من ملاحظات متعددة للكشف عن إشارات دورية ضعيفة في عناقيد محددة (NGC 6517، M15).
تحليل التوقيت: بالنسبة للاكتشافات الثنائية الجديدة، تم ضبط المعلمات المدارية الأولية باستخدام fitorb.py. كما تم اشتقاق حلول التوقيت المتصلة بالطور باستخدام TEMPO، مع استخدام نموذج BTX للنباضات من نوع "العنكبوت" (M92A، NGC 6712A، M71A، M71E) ونموذج DD للنظام غير المنتظم المدار (eccentric) M71D.
النتائج الرئيسية حتى يناير 2025، اكتشف مسح GC FANS نحو 60 نباضاً في 14 عنقوداً، وهو ما يضاعف عدد نباضات العناقيد الكروية المعروفة في سماء FAST (من 35 إلى 95).
إحصاءات الجمهرة: من بين الـ 60 اكتشافاً، هناك 55 نباضاً ميلي ثانية (P<30 مللي ثانية)، و35 منها في أنظمة ثنائية. تتراوح فترات الدوران من 1.98 مللي ثانية (M14A) إلى 3960.72 مللي ثانية (M15L). وقد حدد المسح أول نباضات في M2، M10، M12، M14، M92، وNGC 6712.
الأنظمة المتطرفة في M71: يستضيف عنقود M71 منخفض الكثافة جمهرة متنوعة، تشمل:
M71B وM71C: أوسع الأنظمة الثنائية المعروفة في العناقيد الكروية بفترات مدارية تبلغ حوالي 466 و378 يوماً على التوالي. تشبه خصائصهما (اللامركزية المنخفضة، وكتل الرفيق ∼0.4M⊙) أنظمة MSP-He WD الواسعة العادية في قرص المجرة.
M71D: نباض بمدة دوران 100.7 مللي ثانية في مدار شديد اللامركزية (e≈0.63) مع رفيق ضخم. تبلغ الكتلة الإجمالية للنظام 2.63±0.08M⊙. ويرى المؤلفون أن هذا النظام هو على الأرجح نظام نجم نيوتروني مزدوج (DNS) تشكل عبر تطور ثنائي ضخم في وقت مبكر من تاريخ العنقود، بدلاً من عمليات التبادل الديناميكي، وهو المسار الشائع لتكوين الأنظمة المرشحة لـ DNS في العناقيد الكروية.
M71E: نباض من نوع "الأرملة السوداء" (black widow) يمتلك أقصر فترة مدارية معروفة لنباض ثنائي (Pb≈53 دقيقة).
حلول التوقيت المحدثة: تقدم الورقة حلول توقيت محدثة لـ M92A، NGC 6712A، M71A، وM71E، وحلولاً جديدة لـ M71B، C، وD.
تحليل التسارع: يكشف تحليل مشتقات فترة الدوران (P˙) أن P˙ المرصود لمعظم النباضات في M92 وM71 يهيمن عليه التباطؤ الذاتي. في المقابل، يُظهر NGC 6712A قيمة سالبة لـ P˙، وهو ما يتوافق مع التسارع نحو مركز العنقود بسبب جهد الجاذبية الخاص بالعنقود.
معدلات التصادم النجمي: يتحدى المسح الارتباط الصارم بين معدلات التصادم العالية (Γ) ووفرة النباضات. فبينما تستضيف العناقيد ذات Γ العالية (مثل NGC 6517، M15) العديد من النباضات المنعزلة بسبب تفكك الثنائيات، وجد المسح جمهرات كبيرة في العناقيد منخفضة Γ (مثل M53، M71). وهذا يشير إلى أن البيئات منخفضة الكثافة قد تحافظ على الثنائات الواسعة والأنظمة المتزامنة التي قد تتفكك في العناقيد الأكثر كثافة.
الأهمية والادعاءات تدعي الورقة أن GC FANS يوفر رؤية غير مسبوقة لجمهرات النباضات في العناقيد النجمية الكروية منخفضة الكثافة، مما يثبت أن حساسية FAST تسمح باكتشاف الأنظمة التي فاتتها الأدوات الأقل حساسية.
قنوات التكوين: يشير اكتشاف M71D إلى أن أنظمة DNS يمكن أن تتشكل عبر قنوات التطور النجمي القياسية في العناقيد الكروية، بشكل مختلف عن آليات التكوين الديناميكي التي تُستدعى عادةً لمثل هذه الأنظمة في العناقيد الكثيفة.
بقاء الثنائات: يدعم وجود الثنائات الواسعة (M71B، C) في M71 منخفض الكثافة فرضية أن معدلات التفاعل النجمي المنخفضة تسمح لهذه الأنظمة بالبقاء لفترات زمنية تصل إلى مليارات السنين، بينما من المرجح تفككها في البيئات الأكثر كثافة.
اختبارات الجاذبية: تسلط الورقة الضوء على M71B وM71C كأهداف محتملة لاختبار مبدأ التكافؤ القوي (SEP) واللورنتز المحلي (LLI) بسبب فتراتها المدارية الطويلة ولامركزيتها المنخفضة، رغم أنها تشير إلى أن دقة التوقيت الحالية أولية وتتطلب ملاحظات طويلة الأمد مستقبلاً للحصول على قيود ذات مغزى.
آفاق أشعة غاما: بينما حاول المؤلفون رصد نبضات أشعة غاما لعدة مرشحين ذوي طاقة تباطؤ عالٍ (بما في ذلك M92A) باستخدام بيانات Fermi-LAT، لم يتم العثور على أي إشارات مهمة، ويرجع ذلك على الأرجहै إلى هندسة الشعاع أو عتبات التدفق.
يخلص المؤلفون إلى أن المسح يؤكد ضرورة إجراء عمليات بحث عميقة وغير منحازة لتوصيف تنوع جمهرات النباضات في العناقيد الكروية بشكل كامل، مما يكشف أن العناقيد منخفضة الكثافة قد تضم أنظمة أكثر غرابة وعدداً مما توقعته نماذج معدل التصادم وحدها.