X-ray Flares in Gamma-Ray Bursts at High and Very-High-Energies

يمتلئ الكون بأحداث عنيفة وعابرة تطلق من الطاقة في ثوانٍ معدودة أكثر مما ستطلقه شمسنا طوال حياتها بأكملها. ومن بين أكثر هذه الأحداث قوة، تبرز انفجارات أشعة غاما، وهي انفجارات هائلة تمثل موت النجوم الضخمة أو اصطدام بقايا نجمية كثيفة. لعقود من الزمن، راقب علماء الفلك هذه الأحداث وهي تتكشف في فصلين متميزين. يأتي أولاً وميض خاطف من الضوء عالي الطاقة، وهو "الانبعاث الفوري"، الذي يستمر لثوانٍ معدودة فقط. يليه توهج خافت، وهو توهج طويل الأمد عبر طيف الضوء ناتج عن اصطدام حطام الانفجار بالغاز المحيط. وبينما يتلاشى التوهج الخافت عادةً بشكل سلس، كشفت التلسكوبات عن شذوذ غريب: أحياناً، يزداد الضوء سطوعاً فجأة مرة أخرى، ليصبح أكثر شدة قبل أن يخبو مرة أخرى. هذه الومضات السينية، التي تظهر بعد دقائق إلى ساعات من الانفجار الأولي، لطالما حيرت العلماء؛ فهي تبدو وكأنها دفعة ثانية من النشاط، مما يشير إلى أن المحرك الذي يقود الانفجار قد يكون متعثراً أو يعيد التشغيل بعد وقت طويل من المفترض أن يكون قد صمت فيه.

لقد أخذ فريق من الباحثين الآن نظرة فاحصة على هذه الومضات الغامضة، مستخدمين بيانات تمتد لـخمسة عشر عاماً للإجابة على سؤال بسيط ولكنه عميق: هل تنتج هذه الومضات الضوء الأعلى طاقة في الكون، أم أنها مجرد أثر جانبي للتوهج الخافت المتلاشي؟ ومن خلال الجمع بين ملاحظات التلسكوبات الفضائية التي ترصد الأشعة السينية وتلك التي ترصد أشعة غاما، رسم العلماء مسار سلوك العشرات من هذه الأحداث. ووجدوا أنه بينما تكون الومضات ساطعة في الأشعة السينية، إلا أنها لا تبدو وكأنها تولد أشعة غاما عالية الطاقة كما توقعت بعض النظريات. بدلاً من ذلك، يبدو أن الضوء عالي الطاقة المكتشف خلال هذه الأوقات يأتي من التوهج الخافت القياسي، وليس من الومضة نفسها. يساعد هذا الاكتشاف في استبعاد بعض الأفكار حول كيفية عمل هذه الانفجارات، ويشير إلى أن المناطق التي تحدث فيها الومضات مليئة بمجالات مغناطيسية قوية للغاية. كما تتطلع الدراسة إلى المستقبل، متوقعة أن الجيل القادم من التلسكوبات الأرضية العملاقة قد يتمكن أخيراً من رصد هذه الومضات إذا حدثت في وقت متأخر بما يكفي من حياة الانفجار، مما يوفر طريقة جديدة للنظر في قلب هذه الكوارث الكونية.

تعد انفجارات أشعة غاما أكثر الانفجارات طاقة في الكون، وتحدث عادةً عندما ينهار نجم ضخم أو عندما يصطدم جسمان متراصان، مثل النجوم النيوترونية، ببعضهما البعض. تشير النظرية القياسية إلى أن دفعة الضوء الأولية تأتي من اصطدامات داخلية داخل نفاث من المادة يتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء. وبمجرد أن يصطدم هذا النفاث بالغاز المحيط بالنجم، فإنه يخلق موجة صدمية تنتج التوهج الخافت، والذي ينبغي أن يتلاشى وفق نمط ثابت يمكن التنبؤ به. ومع ذلك، فإن الومضات السينية المرصودة بواسطة مرصد "سويفت" (Swift) تعطل هذا التراجع السلس. هذه الومضات هي طفرات مفاجئة وساطعة تبدو وكأنها محرك ثانٍ يعمل داخل النفاث. ولأنها تحدث بعد وقت طويل من الانفجار الأولي، فإنها تتحدى فهمنا لكيفية عمل هذه المحركات الكونية. وإذا كان المحرك المركزي نشطاً حقاً لفترة طويلة، فهذا يعني وجود عملية معقدة ومطولة لا نفهمها تماماً بعد. علاوة على ذلك، إذا كانت هذه الومضات مدفوعة بنفس الآليات التي تحرك الدفعة الأولية، فمن المفترض نظرياً أن تنتج تسلسلاً من الضوء الأكثر طاقة، ليصل إلى نطاقات أشعة غاما والطاقة العالية جداً. إن اكتشاف هذا الضوء عالي الطاقة سيكون وسيلة مباشرة لقياس المجالات المغناطيسية وسرعات الجسيمات داخل النفاث، مما يعمل كمسبار للفيزياء الأكثر تطرفاً في الكون.

وللتحقيق في ذلك، جمع الباحثون مجموعة بيانات ضخمة تمتد لسبعة عشر عاماً، من عام 2008 إلى عام 2025. وقد ركزوا على 47 انفجاراً مختلفاً لأشعة غاما أنتجت إجمالي 66 ومضة سينية متميزة. ومن الأهمية بمكان أنهم اختاروا فقط الانفجارات التي كانت مرئية لتلسكوب "فيرمي" (Fermi) للمساحات الكبيرة، وهو أداة فضائية مصممة لرصد أشعة غاما عالية الطاقة. سمح هذا لهم بالبحث عن إشارة متزامنة: إذا كانت الومضة السينية تنتج ضوءاً عالي الطاقة، فيجب أن يرصد تلسكوب "فيرمي" ذلك في نفس الوقت تماماً. قام الفريق بتحليل منحنيات الضوء والأطياف لهذه الأحداث بعناية، مقارناً سطوع الومضات السينية مع بيانات أشعة غاما. كانت النتائج مفاجئة؛ فمن بين الـ 66 ومضة التي درسوها، لم تظهر سوى خمس ومضات فقط أي اكتشاف ملموس لأشعة غاما عالية الطاقة. وحتى في تلك الحالات الخمس، أشارت البيانات إلى أن أشعة غاما لم تكن قادمة من الومضة نفسها، بل بدلاً من ذلك، تطابق الضوء عالي الطاقة السلوك المتوقع للتوهج الخافت القياسي، وهو التوهج المتلاشي الناتج عن موجة الصدمة التي تصطدم بالغاز المحيط. يبدو أن الومضة كانت مخفية تحت هذا الخلفية الساطعة والمستقرة.

يؤدي هذا الاكتشاف إلى تحول كبير في كيفية تفسيرنا لهذه الأحداث. يرى الباحثون أن أشعة غاما عالية الطاقة المكتشفة أثناء أوقات الومضات هي على الأرجح مجرد نهاية التوهج الخافت القياسي، وليست إشارة جديدة من الومضة. ولاختبار ذلك، استخدموا نموذجاً يحاكي كيفية تفاعل الإلكترونات والمجالات المغناطيسية لإنتاج الضوء. لقد تعاملوا مع عدم اكتشاف أشعة غاما عالية الطاقة من الومضات كحد صارم، متسائلين عن الظروف الفيزيائية المطلوبة لإنتاج الأشعة السينية المرصودة دون خلق الكثير من ضوء أشعة غاما. كشفت حساباتهم أن المنطقة التي تحدث فيها الومضة يجب أن تكون ذات مغناطيسية عالية. في هذه المناطق، تكون الطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي مساوية على الأقل، وربما أقوى، من الطاقة التي تحملها الجسيمات. تساعد هذه الهيمنة المغناطيسية في تفسير سبب إنتاج الومضة لأشعة سينية ساطعة مع فشلها في توليد أشعة غاما عالية الطاقة كما كان متوقعاً لو كانت المجالات المغناطيسية أضعف. إنها ترسم صورة لنفاث تلعب فيه القوى المغناطيسية دوراً مهيمناً في تشكيل اللحظات الأخيرة المضطربة للانفجار.

كما نظرت الدراسة إلى المستقبل، متسائلة عما إذا كنا سنتمكن يوماً من رصد هذه الومضات في نطاق الطاقة العالية جداً، حيث يصل الضوء إلى طاقات تبلغ عشرات أو مئات المليارات من الإلكترون فولت. وباستخدام نماذجهم، توقع الفريق أن الومضات التي تحدث في وقت متأخر من حياة الانفجار — حوالي 5000 ثانية بعد الانفجار الأولي — ستكون أفضل المرشحين للرصد. في هذه الأوقات المتأخرة، يكون التوهخ الخافت القياسي قد تلاشى بما يكفي ليبرز إشارة الومضة الخاصة بها. ووجدوا أن الجيل القادم من تلسكوبات "تشيرنكوف" (Cherenkov)، مثل مرصد مصفوفة تلسكوبات تشيرنكوف، سيمتلك الحساسية اللازمة لرصد هذه الأحداث، بشرط أن يتمكنوا من الاستجابة بسرعة كافية للاندفاع. وهذا يوفر مساراً واضحاً للمضي قدماً لعلماء الفلك: فمن خلال التركيز على الومضات المتأخرة واستخدام أقوى التلسكوبات المتاحة، قد نتمكن أخيراً من عزل إشارة الومضة وقياس الظروف القصوى داخل النفاث. وحتى ذلك الحين، فإن غياب أشعة غاما عالية الطاقة من هذه الومضات يعمل كدليل قوي، يخبرنا أن الأجزاء الأكثر عنفاً من هذه الانفجارات تحكمها مجالات مغناطيسية أقوى بكثير مما كان يُعتقد سابقاً، مما يبقي الضوء الأعلى طاقة محبوساً بعيداً عن رؤيتنا.