Discovery of an Extremely Luminous Sporadic Radio Pulsar

في أعماق الصمت البارد والمظلم للفضاء، هناك نجوم ميتة لا تزال تتحدث. هذه هي النجوم النيوترونية، وهي بقايا كثيفة للغاية بحجم مدينة، خلفتها وراءها النجوم الضخمة بعد انفجارها. معظم هذه النجوم تدور بسرعة، وتطلق موجات راديوية في الكون مثل المنارات. وعندما تمر هذه الحزم عبر الأرض، نرصد نبضاً منتظماً، مما أكسبها اسم "النابضات" (pulsars). لعقود من الزمن، رسم علماء الفلك خرائط لآلاف السوناتات الكونية هذه، مستخدمين إياها لاختبار قوانين الفيزياء وقياس نسيج الزمكان. ومع ذلك، ليست كل النجوم النيوترونية منارات ثابتة؛ فبعضها متقلب، يومض بالتشغيل والإيقاف في انفجارات غير متوقعة، أو يخفي إشاراته تماماً لفترات طويلة. تُعرف هذه الأجرام باسم "النبضات الراديوية الدوارة العابرة" (RRATs). ومن الصعب العثور عليها لأنها لا تضيء بإيقاع ثابت، بل تهمس في ومضات متفرقة وعشوائية يسهل تفويتها بواسطة التلسكوبات التي تبحث عن أنماط ثابتة. إن فهم هذه الأجرام المراوغة أمر بالغ الأهمية لأنها قد تحمل المفتاح لنوع مختلف من الألغاز الكونية: "الانفجارات الراديوية السريعة" (fast radio bursts). هذه الانفجارات هي ومضات طاقة راديوية قوية تستمر لأجزاء من الملي ثانية وتأتي من مجرات بعيدة، وبينما يظل أصلها أحد أكبر الألغاز في علم الفلك، يشتبه العديد من العلماء في أنها مرتبطة بسلوك هذه النجوم النيوترونية المتقلبة.

اكتشف فريق من علماء الفلك، باستخدام تجربة تشيم (CHIME) لرسم خرائط شدة الهيدروجين الكندية، وهي تلسكوب راديوي ضخم في كولومبيا البريطانية، أكثر مثال متقلب من هذا النوع سطوعاً تم تسجيله على الإطلاق. لقد وجدوا نجماً نيوترونياً يُدعى PSR J2104+5055، يقع على بعد حوالي 1600 سنة ضوئية في مجرتنا درب التبانة. هذا النجم استثناء حقيقي؛ فبينما تبعث معظم النابضات تياراً مستمراً من الموجات الراديوية، فإن هذا النجم هو "مغير نمط" متقطع، مما يعني أنه ينتقل بين حالة هدوء يكون فيها صامتاً تقريباً، وحالة سطوع يطلق فيها نبضات قوية. رصد الباحثون أكثر من ألفي نبضة من هذه النبضات على مدار عدة سنوات، لكن سلوك النجم غير منتظم للغاية لدرجة أنه كان غير مرئي في المسوحات السابقة التي بحثت عن إشارات ثابتة. الاكتشاف الأكثر إثارة هو القوة الهائلة لأكثر ومضاته سطوعاً؛ فقد قاس الفريق نبضة واحدة بقمة سطوع بلغت 3.1 كيلوجانسكي، وهي وحدة شدة راديوية. ولوضع هذا في المنظور، إذا وضعت هذا النجم عند حافة المجموعة المحلية من المجرات، فإن تلسكوباً ضخماً في الصين يسمى "فاست" (FAST) سيتمكن من رصد أسطع ومضة له. وهذا يجعل PSR J2104+5055 أسطع نبض راديوي دوار عابر معروف، متفوقاً على جميع غيره من نوعه بفارق كبير.

لم يكن الاكتشاف سهلاً. فالتلسكوب المستخدم، "تشيم" (CHIME)، مصمم لمسح مساحة واسعة من السماء مع دوران الأرض، لكنه لا يتتبع الأجرام الفردية مثل التلسكوب التقليدي. وهذا يعني أن البيانات معقدة، وغالباً ما كانت نبضات النجم تُلتقط في "الفصوص الجانبية" (side lobes) لرؤية التلسكوب، وهي مناطق أقل حساسية على حافة مجال رؤيته. اضطر الباحثون إلى تطوير طرق جديدة لمعايرة هذه الإشارات والتأكد من أن النبضات قادمة بالفعل من مصدر واحد دوار. وجدوا أن النجم يدور مرة كل 0.495 ثانية ويمتلك مجالاً مغناطيسياً قوياً، لكنه يقضي معظم وقته في وضع "الإخماد" (nulling mode)، حيث لا يصدر أي شيء تقريباً. وعندما يستيقظ، ينتقل بين نمطين متميزين من السطوع: نمط خافت، والآخر ساطع للغاية، حيث تكون النبضات الساطعة أقوى بنحو عشرين مرة من النبضات الخافتة. كما لاحظ الفريق أن نبضات النجم تصل في أوقات مختلفة قليلاً اعتماداً على النمط الذي يكون فيه، وهو دليل دقيق ساعدهم على فك شفرة إيقاع النجم الحقيقي.

إن ما يجعل هذا الاكتشاف مهماً للغاية هو ما يشير إليه حول مجتمع النجوم النيوترونية في مجرتنا. فالمسوحات السابقة، التي بحثت عن إشارات ثابتة أو انفجارات قصيرة، من المرجح أنها أغفلت هذا النجم تماماً لأنه لا يسلك سلوك النابض التقليدي. استخدم الباحثون نموذجاً بسيطاً لتقدير عدد النجوم الأخرى التي تشبه هذا النجم والتي قد تكون مختبئة في السماء. وخلصوا إلى أنه قد يكون هناك عشرات، وربما حوالي ثمانين، من هذه المصادر شديدة السطوع ولكن المتقلبة التي لم يتم اكتشافها بواسطة الطرق التقليدية. وهذا يعني أن الكون مليء بمزيد من هذه العمالقة "المختبئة" عما كنا نعتقد سابقاً، وأننا بحاجة إلى مسوحات جديدة طويلة الأمد للعثور عليها. كما تضع هذه الدراسة النجم في سياق الانفجارات الراديوية السريعة؛ فبينما تعد النبضات من PSR J2104+5055 ساطعة للغاية بالنسبة لنابض، إلا أنها لا تزال أضعف بكثير من أن تكون هي الانفجارات الراديوية السريعة التي تُرى من مجرات أخرى. ومع ذلك، فإن حقيقة أن نجماً نيوترونياً في "فنائنا الخلفي" يمكنه إنتاج مثل هذه الومضات المكثفة التي تستغرق أجزاء من الملي ثانية، تظهر أن الآلية داخل هذه النجوم قادرة على توليد طاقة بمقياس يجسر الفجوة بين النابضات العادية والانفجارات الراديوية السريعة الغامضة.

بحث الباحثون أيضاً عن هذا النجم في أجزاء أخرى من الطيف، مثل الأشعة السينية والضوء المرئي، لكنهم لم يجدوا شيئاً. وهذا يؤكد أن النجم هو باعث راديوي خالص، دون نظير مرئي أو توهج قوي للأشعة السينية، وهو أمر نموذجي لهذا النوع من الأجرام. ومن خلال قياس دوران النجم ومدى تباطؤه بمرور الوقت، حسبوا أن عمره يبلغ حوالي 12 مليون سنة، وأن لديه مجالاً مغناطيسياً سطحياً أقوى بمليارات المرات من مجال الأرض. والطاقة التي يفقدها أثناء دورانه تتحول إلى موجات راديوية بكفاءة عالية بشكل مفاجئ خلال اللحظات القصيرة التي يكون فيها نشطاً. هذا الاكتشاف لا يحل لغز الانفجارات الراديوية السريعة، ولكنه يوسع فهمنا لما يمكن للنجوم النيوترونية القيام به. إنه يظهر أنه حتى داخل مجرتنا، توجد أجرام متطرفة تتحدى توقعاتنا، تومض ببراعة للحظة قبل أن تختفي مجدداً في الظلام. ومع دخول تلسكوبات جديدة الخدمة وزيادة حساسية المسوحات، يتوقع علماء الفلك العثور على المزيد من هذه العابرات المتوارية وعالية الطاقة، مما يكشف عن مجتمع خفي من النجوم التي لا تتحدث إلا بالهمس.