Molecular and Atomic Gas Associated with the Gamma Ray Supernova Remnant RCW 103

الكون مليء بالجسيمات عالية السرعة المعروفة باسم الأشعة الكونية، والتي تقصف الأرض باستمرار. لعقود من الزمن، اشتبه علماء الفلك في أن الانفجارات العنيفة للنجوم الميتة، والتي تسمى المستعمرات النجمية (السوبرنوفا)، هي المصانع الرئيسية التي تسرع هذه الجسيمات إلى مثل هذه السرعات الهائلة. فعندما ينفجر نجم ما، فإنه يرسل موجة صدمة تترقرق عبر الفضاء المحيط به، تعمل كمسرع جسيمات طبيعي. ومع ذلك، كان إثبات مقدار الطاقة التي تذهب بالضبط في إنشاء هذه الأشعة الكونية أمراً صعباً. ولفهم ذلك، يجب على العلماء النظر إلى الغاز والغبار الذي يصطدم به الانفجار. فإذا اصطدمت موجة الصدمة بسحب كثيفة من الغاز، فمن المفترض أن تنتج نوعاً معيناً من الضوء عالي الطاقة يسمى أشعة غاما. ومن خلال قياس كمية الغاز الموجود وشدة سطوع أشعة غاما، يمكن للباحثين حساب إجمالي ميزانية الطاقة للانفجار ومعرفة مدى كفاءة تحولها إلى أشعة كونية.

لقد وجه فريق من علماء الفلك اهتمامهم مؤخراً إلى بقايا مستعر أعظم شاب نسبياً يُعرف باسم RCW 103، ويقع في مجرتنا. هذا الجسم هو القشرة المتوسعة من الغاز التي خلفتها نجم انفجر قبل حوالي 2,000 إلى 4,400 عام. وبينما حددت دراسات سابقة وجود بعض الغاز بالقرب من حافة هذه القشرة، إلا أن الصورة الكاملة للمادة المحيطة بالانفجار ظلت غير واضحة. ولحل هذه المعضلة، دمج الباحثون بيانات من عدة تلسكوبات قوية، بما في ذلك أطباق راديوية في أستراليا وأدوات عالية الدقة في تشيلي، لرسم خرائط لكل من الهيدروجين الذري غير المرئي والغاز الجزيئي المختبئ داخل البقايا. وقد ركزوا على نطاق محدد من سرعات الغاز لضمان أنهم ينظرون إلى مادة متصلة فيزيائياً بالانفجار، وليس مجرد سحب غير ذات صلة تنجرف في المقدمة أو الخلفية.

كشفت الخرائط الناتجة عن وجود صلة صارخة بين الانفجار وبيئته. فالغاز الجزيئي، المكون من جزيئات مثل أول أكسيد الكربون، يشكل قشرة تطابق تماماً شكل التوهج بالأشعة السينية المنبعث من المادة الساخنة والمتأثرة بالصدمة. وهذا الغاز لا يظل ساكناً؛ إذ تظهر البيانات أنه يتوسع نحو الخارج بسرعة تبلغ حوالي 7.5 كيلومتر في الثانية. تشير هذه الحركة إلى أن الغاز قد دُفع بواسطة موجة الانفجار الأولية أو ربما بفعل رياح قوية من النجم قبل انفجاره. كما وجد الباحثون أن الغاز ليس مجرد طبقة رقيقة في الخارج، بل يمتد عميقاً في الجزء الداخلي من البقايا، مالئاً المساحة التي حدث فيها الانفجار. وهذا تفصيل بالغ الأهمية، حيث يُعتقد أن العديد من بقايا المستعرات النجمية الأخرى تمتلك مراكز مجوفة حيث تم كنس الغاز بعيداً.

باستخدام هذه الخرائط التفصيلية، حسب الفريق إجمالي كمية الغاز الموجودة في المنطقة. ووجدوا أن كثافة البروتونات - وهي اللبنات الأساسية للغاز - مرتفعة للغاية، حيث يبلغ متوسطها حوالي 810 جسيم لكل سنتيمتر مكعب. وهذا أعلى بمئات المرات من الفضاء الشاغر المعتاد بين النجوم. ومع هذا القياس الدقيق للمادة المستهدفة، تمكنوا بعد ذلك من تقدير إجمالي طاقة بروتونات الأشعة الكونية التي سرعها المستعر الأعظم. وقد أسفرت العملية الحسابية عن قيمة تبلغ حوالي 3.0 في 10 أس 47 إرج (ergs). ورغم أن هذا يبدو كمية هائلة من الطاقة، إلا أنه في الواقع أصغر بعشر مرات مما يُرى عادة في بقايا المستعرات النجمية الأخرى الساطعة بأشعة غاما والتي تماثلها في العمر.

يشير هذا الناتج المنخفض من الطاقة إلى قصة محددة عما حدث داخل RCW 103. ففي العديد من بقايا المستعرات النجمية الأخرى، تنتقل موجة الصدمة عبر فضاء فارغ، مما يسمح لها بتسريع الجسيمات إلى سرعات عالية بكفاءة. أما في حالة RCW 103، فيبدو أن موجة الصدمة قد اصطدمت ببيئة سميكة وكثيفة منذ البداية. ويقترح الباحثون أنه بدلاً من استخدام طاقتها لتسريع الأشعة الكونية، استهلك الانفجار جزءاً كبيراً من قوته في تسخين الغاز الكثيف المحيط به. وتظهر عملية التسخين هذه في شكل الأشعة السينية الحرارية الساطعة التي تهيمن على مركز البقايا. وجوهر الأمر هو أن الانفجار ربما كان فعالاً جداً في تدفئة الغاز المحيط لدرجة أنه ترك طاقة أقل متاحة لإنشاء الجسيمات عالية السرعة التي تشكل الأشعة الكونية. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على أن البيئة التي ينفجر فيها النجم تلعب دوراً حاسماً في تحديد كمية الإشعاع الكوني الذي تنتجه، مما يشير إلى أن المناطق الكثيفة والمليئة بالغاز قد تكون مصانع أقل كفاءة لهذه الجسيمات النشطة مما كان يُعتقد سابقاً.