🔭 astrophysics

Magnetic rigidity reveals the PeVatron acceleration region in SS 433

من خلال تحليل عمليات رصد مصفوفة التداخل الطويلة جداً (VLBA) متعددة الترددات للكشف عن ملف مجال مغناطيسي تزداد معه الصلابة المغناطيسية على طول النفاث الداخلي، تحدد هذه الدراسة المقذوفات الباريونية للميكروكوازار SS 433 بوصفها "بي-فيت-رون" (PeVatron) خفي قادر على تسريع البروتونات إلى طاقات تتجاوز 1 بي-إي-في (PeV) بعيداً في اتجاه المنبع من فصوصها الممتدة الباعثة لأشعة تيف (TeV).

المؤلفون الأصليون: Lang Cui, Jie Liao, Wancheng Xu, Pak Hin Thomas Tam, Xi Yan, Linuo Yang, Ruo-Yu Liu, Liang Chen, Ning Chang, Yong-Feng Huang, Long Ji, Ashutosh Tripathi, Felix Aharonian

نُشر 2026-08-24

📖 3 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Lang Cui, Jie Liao, Wancheng Xu, Pak Hin Thomas Tam, Xi Yan, Linuo Yang, Ruo-Yu Liu, Liang Chen, Ning Chang, Yong-Feng Huang, Long Ji, Ashutosh Tripathi, Felix Aharonian

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

في أعماق الكون، توجد فئة من المسرعات الكونية القوية للغاية لدرجة أنها تستطيع قذف الجسيمات دون الذرية إلى طاقات تزيد بمليون مرة عن أي شيء يمكننا إنتاجه على الأرض. تُسمى هذه الآلات الكونية "بيفاتترونات" (PeVatrons). لعقود من الزمن، بحث علماء الفلك عنها، مدركين أنه في مكان ما داخل مجرتنا، لا بد للطبيعة أن تبني جسيمات لتصل إلى هذه الارتفاعات المذهلة. وبينما كانت النجوم المتفجرة هي المشتبه به الرئيسي لفترة طويلة، ظهر مرشح جديد من جسم غريب تمت دراسته طويلاً يُعرف باسم SS 433. هذا النظام عبارة عن زوج ثنائي حيث يقوم ثقب أسود أو نجم نيوتروني باستهلاك نجم رفيق بنهم، مطلقاً نفثتين هائلتين من الغاز شديد السخونة في اتجاهين متعاكسين. وقد أظهرت الملاحظات الأخيرة أن هذا النظام ينبعث منه أشعة غاما عالية الطاقة، مما يشير إلى أنه بالفعل "بيفاتترون"، ولكن ظل هناك لغز حاسم: أين بالضبط داخل تلك النفثات يحدث التسارع؟ هل هو بالقرب من المحرك المركزي، أم بعيداً حيث تصطدم النفثات بالغاز المحيط بها؟

لقد حل فريق من علماء الفلك هذا اللغز الآن من خلال النظر في البيئة المغناطيسية داخل نفثات SS 433 بتفاصيل غير مسبوقة. باستخدام شبكة من التلسكوبات الراديوية المنتشرة عبر الأرض، رسموا خريطة لقوة المجال المغناطيسي على طول القسم الداخلي من النفثة، وهي منطقة يبلغ عرضها عشرات الوحدات الفلكية فقط. واكتشفوا أن المجال المغناطيسي لا يضعف بالسرعة المتوقعة كلما ابتعدت عن المركز، بل يحافظ على قوته بشكل مثير للدهشة عبر المسافة. هذا السلوك المحدد هو مفتاح اللغز؛ ففي الفيزياء، تعتمد قدرة المجال المغناطيسي على احتجاز وتسريع الجسيم على مزيج من قوة المجال وحجم المنطقة التي يشغلها. ولأن المجال في SS 433 يظل قوياً بما يكفي عبر مساحة كبيرة كهذه، فإن "الصلابة المغناطيسية" (magnetic rigidity) — أي القدرة على الإمساك بالجسيمات سريعة الحركة — تزداد في الواقع كلما تحركت بعيداً على طول النفثة.

يكشف هذا الاكتشاف أن الجزء الداخلي من النفثة، وتحديداً منطقة تبعد بضع مئات من الوحدات الفلكية عن الثنائي المركزي، هي "غرفة المحركات" الخفية حيث يتم تسريع البروتونات إلى طاقات "بيتا إلكترون فولت" (peta-electronvolt). وقد حسب الباحثون أن الظروف المغناطيسية في هذه المنطقة المحددة قوية بما يكفي لدفع البروتونات إلى طاقات تصل إلى حوالي 2.6 بيتا إلكترون فولت. وهذا يتطابق تماماً مع مستويات الطاقة القصوى المستنتجة من أشعة غاما التي رصدها مرصد LHAASO. وتستبعد الدراسة فعلياً فكرة أن هذه الجسيمات الأعلى طاقة يتم إنتاجها بواسطة الإلكترونات في نفس الموقع، لأن المجال المغناطيسي المكثف سيبرد الإلكترونات بسرعة كبيرة جداً تمنعها من الوصول إلى مثل هذه الطاقات. بدلاً من ذلك، تشير البيانات إلى أن البروتونات هي المسرعات الأساسية.

والصورة التي تبرز هي صورة عملية مكونة من مرحلتين: تعمل النفثات الداخلية المدمجة لـ SS 433 كموقع حقن، حيث يتم رفع سرعة البروتونات إلى مستويات قصوى بواسطة المجال المغناطيسي. وبمجرد أن تهرب هذه البروتونات فائقة السرعة من هذه المنطقة الداخلية، فإنها تنتقل نحو الخارج إلى السديم المحيط، وهو سحابة ضخمة من الغاز تسمى W50. هناك، تصطدم بذرات الغاز المحايدة، مما يخلق دفقات من أشعة غاما عالية الطاقة التي يمكن للتلسكوبات رؤيتها من الأرض. يفسر هذا الفصل سبب اختلاف انبعاث أشعة غاما عند مستويات طاقة مختلفة: فالإشارات الأعلى طاقة تأتي من منطقة التفاعل في السحابة الغازية، بينما يحدث التسارع نفسه في مكان أقرب بكثير من المصدر. ومن خلال قياس ملف تعريف المجال المغناطيسي، لم يحدد الباحثون موقع المسرع فحسب، بل أكدوا أيضاً أن "الميكروكوازار" (microquasar) SS 433 هو "بيفاتترون" حقيقي، قادر على دفع الجسيمات إلى أقصى الحدود الممكنة في مجرتنا.

ملخص تقني: الصلابة المغناطيسية تكشف عن منطقة تسريع الـ PeVatron في SS 433

بيان المشكلة
لا يزال تحديد مصادر الـ PeVatrons المجرية — وهي مسرعات قادرة على دفع الجسيمات الكونية إلى طاقات بيبا-إلكترون فولت (PeV) — يمثل تحديًا مركزيًا في الفيزياء الفلكية عالية الطاقة. وبينما تُعد بقايا المستعرات العظمى مواقع مثبتة لإنتاج الأشعة الكونية المجرية، تشير ملاحظات أشعة غاما فوق عشرات التيرا-إلكترون فولت (TeV) إلى أن هناك مصادر إضافية مطلوبة لتفسير الطيف حتى "الركبة" ( $10^{15}$ – $10^{16}$ إلكترون فولت). وقد برزت نفاثات الكويزارات الدقيقة (Microquasars)، مثل تلك الصادرة عن SS 433، كمرشحات مقنعة نظرًا لمزيجها من القدرة الحركية الكبيرة والتدفقات الممغنطة ذات السرعة النسبية المتوسطة. ورغم أن مرصد (LHAASO) قد رصد انبعاث أشعة غاما فائق الطاقة ( $>100$ TeV) من منطقة SS 433/W50، مما يشير إلى طاقات بروتونات أم في حدود الـ PeV، إلا أن الموقع المحدد داخل النظام حيث يتم تسريع هذه الجسيمات وحقنها لأول مرة لا يزال غير محدد. ويتوافق انبعاث الـ $>100$ TeV مكانيًا مع سحابة ذرية ويظهر مورفولوجيا شبه متناحية، وهو ما يتناقض مع الانبعاث ثنائي القطب في نطاق TeV الناتج عن تفاعلات النفاث والسحابة. هذا التباين المورفولوجي يشير إلى أن موقع التسريع يختلف عن مناطق الإشعاع في المصب، ومع ذلك، لا تستطيع أدوات أشعة غاما الحالية تمييز النفاث الراديوي الداخلي (على مقاييس الوحدة الفلكية AU) حيث قد يبدأ هذا التسريع.

المنهجية
لتحديد منطقة التسريع، استخدم المؤلفون ملاحظات أرشيفية متعددة الترددات من مصفوفة التداخل الطويل جدًا (VLBA) لـ SS 433 بتاريخ 16 يونيو 1998، عند ترددات 5، 8.4، و15 جيجاهرتز. ركزت الدراسة على النفاث الشرقي (المقترب) لتجنب الامتصاص الحراري-الإلكتروني (free-free absorption) الذي يؤثر على النفاث الغربي.

معالجة البيانات: تمت استعادة البيانات متعددة الترددات إلى حزمة دائرية مشتركة ( $\Theta_{maj} = 3.537$ ملي ثانية قوسية) وتم تسجيلها في إطار مشترك باستخدام مواضع النواة المعتمدة على التردد لمراعاة تأثيرات إزاحة النواة (core-shift).
التقطيع والتحليل الطيفي: تم تحليل عشر شرائح مستعرضة للنفاث، تمتد عبر مسافات غير مسقطة تتراوح بين 24-75 وحدة فلكية (3.6-11.5 ملي ثانية قوسية). لكل شريحة، تم قياس كثافة التدفق الموضعية، والعرض المستعرض منزوع الحزمة، والمؤشرات الطيفية ثنائية النقاط. أكدت الأطياف وجود انبعاث سينكروتروني رقيق بصريًا في منطقة منتصف النفاث.
تقدير المجال المغناطيسي: تحت افتراض الحد الأدنى للطاقة (التعادل) القياسي، تم حساب قوة المجال المغناطيسي ( $B_{eq}$ ) لكل شريحة. راعت التحليلات عدم اليقين في كثافة التدفق، والعرض، والمؤشرات الطيفية عبر محاكاة مونت كارلو، واختبرت الحساسية لنسبة طاقة الجسيمات غير المشعة إلى المشعة ( $k$ ).
حد هيلاس والأطر الزمنية للتسريع: أنشأ المؤلفون ملفًا مميزًا للمجال المغناطيسي $B(H)$ كدالة للمسافة $H$ من الجسم المتراص المركزي. وقاموا بتقييم حد هيلاس الموزون بالسرعة ( $E_{H,\beta} \propto \beta_j Z e B R_{acc}$ ) لتحديد ما إذا كانت الصلابة المغناطيسية كافية لحجز بروتونات الـ PeV. علاوة على ذلك، قارنوا بين إطار زمن التسريع ( $t_{acc}$ ) وزمن التدفق الديناميكي ( $t_{dyn}$ ) وأوقات هروب الجسيمات للتحقق مما إذا كان يمكن حدوث التسريع قبل انجراف الجسيمات بعيدًا.
نمذجة أشعة غاما: تم مطابقة طيف LHAASO لـ $>100$ TeV باستخدام نموذج لبتوني-هادروني (يتضمن مكونات تشتت كومبتون العكسي وتحلل البيون) لاستنتاج أقصى طاقة للبروتونات ( $E_{p,max}$ ) المطلوبة لإنتاج الانبعاث المرصود.

النتائج الرئيسية

ملف المجال المغناطيسي: استخلصت الدراسة ملفًا للمجال المغناطيسي على طول النفاث الداخلي يتناقص وفق العلاقة $B(H) \propto H^{-0.50 \pm 0.12}$ . هذا التناقص أقل حدة بشكل ملحوظ من مقياس $H^{-1}$ المتوقع لمجال حلقي في نفاث مخروطي ذي سرعة ثابتة، أو مقياس $H^{-2}$ للمجال القطبي.
تزايد الصلابة المغناطيسية: نظرًا لأن المجال المغناطيسي يتناقص ببطء أكبر من $H^{-1}$ ، فإن الصلابة المغناطيسية ( $B \times R_{acc}$ ) لنفاث مخروطي ( $R_{acc} \propto H$ ) تزداد مع المسافة لأسفل النفاث. وتحديدًا، $E_{H,\beta} \propto H^{0.50 \pm 0.12}$ .
القدرة على تسريع الـ PeV: عند مسافة $H \approx 100$ وحدة فلكية، تصل طاقة هيلاس الموزونة بالسرعة إلى $\sim 2$ PeV. وعند $H \approx 140$ وحدة فلكية، يصل الحد إلى نطاق بيبا-إلكترون فولت القليل، وهو ما يتوافق مع طاقة قطع البروتون ( $E_{p,cut} \approx 2.63$ PeV) المستنتجة من طيف أشعة غاما الخاص بـ LHAASO.
كفاءة التسريع: زمن التسريع لتسريع فيرمي من الدرجة الأولى القريب من نظام بوم (Bohm) أقصر من زمن التدفق الديناميكي ( $t_{acc} < t_{dyn}$ ) عند هذه المسافات. علاوة على ذلك، يتناقص النسبة $t_{acc}/t_{dyn}$ باتجاه المصب، مما يجعل شرط التسريع أقل تقييدًا مع زيادة المسافة.
أصل الإلكترونات مقابل البروتونات: ستؤدي المجالات المغناطيسية القوية في المقذوفات المدمجة إلى تبريد إلكترونات الـ PeV عبر إشعاع السينكروترون في أزمنة ( $\sim 110$ ثانية) أقصر بكثير من زمن التدفق، مما يستبعد المقذوفات المدمجة كموقع لانبعاث تشتت كومبتون العكسي لإلكترونات الـ PeV. وهذا يدعم الأصل الهادروني لأعلى طاقات أشعة غاما.
ميزانية الطاقة: إن المجالات المغناطيسية المستنتجة التي تقل عن الـ غاوس (0.20–0.35 غاوس لـ $k=1$ ، وقد تكون أعلى لقيم $k$ الأكبر) هي مقبولة طاقيًا، حيث لا تتطلب سوى جزء صغير ( $\sim 0.7\%$ – $1.3\%$ ) من القدرة الحركية الكلية للنفاث.

الأهمية والادعاءات
يزعم البحث أنه يكشف عن "PeVatron خفي" داخل المقذوفات الباريونية للكويزار الدقيق SS 433، ويقع بعيدًا عن فصوص TeV الممتدة. تكمن الأهمية الأساسية في تحديد المقذوفات الراديوية المدمجة التي يمكن تمييزها راديويًا (عشرات إلى مئات الوحدات الفلكية) كمنطقة محددة لتسريع وحقن بروتونات الـ PeV.

يقترح المؤلفون صورة تسريع متعددة المناطق:

منطقة التسريع: يعمل النفاث الداخلي (المقذوفات المدمجة) كمسرع، مستفيدًا من زيادة الصلابة المغناطيسية لرفع طاقة البروتونات إلى مستويات الـ PeV.
الحقن والإشعاع: تهرب هذه البروتونات المسرعة أو تُنجرف إلى سحابة W50 المحيطة، حيث تتفاعل مع غاز الهيدروجين المتعادل (H I) عبر تصادمات (pp) لإنتاج انبعاث أشعة غاما الممتد $>100$ TeV.
مناطق المصب: تظل مناطق تفاعل النفاث والسحابة على مقياس البارسيك (الفصوص) هي موقع تسريع الإلكترونات في نطاق الـ TeV الأقل طاقة وإعادة المعالجة، وهو ما يتوافق مع ملاحظات H.E.S.S.

يقدم هذا العمل أول دليل مباشر يربط ملف الصلابة المغناطيسية لنفاث كويزار دقيق بتسريع بروتونات الـ PeV، مما يحل التباين المكاني بين موقع التسريع ومورفولوجيا أشعة غاما عالية الطاقة المرصودة. كما يثبت أن نفاثات الكويزارات الدقيقة يمكن أن تعمل كمصادر PeVatrons مجرية فعالة، حيث يحدث التسارع في عمق التدفق النسبي وليس فقط عند صدمات النهاية.

أبحاث مشابهة