سنگ بنای تپ اختر پرتو گاما الهام بخش اخترفیزیک و کاربردهای نوآورانه است

دکتر پل ری، رئیس بخش اخترفیزیک انرژی بالا و برنامه های کاربردی در NRL گفت: “کار بر روی این کاتالوگ مهم سال ها در گروه ما ادامه دارد.” دانشمندان و فوق دکترای ما توانستند زمان و طیف بسیاری از این تپ اخترهای تازه کشف شده را به عنوان بخشی از تلاش ما برای بهبود درک خود از این ستاره های عجیب و غریب که می توانیم به عنوان ساعت های کیهانی استفاده کنیم، کشف و تجزیه و تحلیل کنند.

تپ اخترها زمانی به وجود می آیند که ستارگان عظیم در ذخایر سوخت خود می سوزند و قادر به مقاومت در برابر کشش گرانش خود به سمت داخل نیستند. این باعث می شود که ستاره به یک ستاره نوترونی مغناطیسی متراکم و در حال چرخش سقوط کند. میدان های مغناطیسی چرخان آنها پرتوهایی از پرتوهای گاما را که پرانرژی ترین شکل نور است، به بیرون می فرستند. با عبور این پرتوها از زمین، تلسکوپ پرتو گامای فرمی بسیار حساس می تواند پالس های انرژی دوره ای آنها را مشاهده کند. فرمی با بیش از 15 سال داده، زمینه تحقیقات تپ اختر را متحول کرده است.

متیو کر، Ph.D. اخترفیزیکدان NRL می گوید: «ما از اینکه چند تپ اختر میلی ثانیه ای (MSP) توانستیم با استفاده از این پرتوهای گاما شناسایی کنیم، بسیار هیجان زده بودیم. “ما قادریم این اجرام را که به عنوان تپ اخترهای جوان در یک سیستم دوتایی شروع شده اند، مطالعه کنیم. مانند یک فرفره چرخان، در نهایت سرعت آنها کاهش یافته و بی اثر شدند. در طول صدها میلیون سال گذشته، همراهان دوتایی آنها مواد را روی آنها ریخته و باعث شده است سرعت آنها دوباره افزایش می یابد، بسیار چشمگیرتر و بسیار سریعتر از قبل، “بازیافت” این تپ اخترها به MSPها.

دانشمندان از این ساعت های کیهانی در آزمایش هایی به نام آرایه های زمان بندی تپ اختر استفاده می کنند. با جستجوی انحرافات کوچک در زمان رسیدن پالس ها، دانشمندان توانسته اند به دنبال امواج در فضا-زمان باشند. این امواج که به عنوان امواج گرانشی شناخته می شوند، زمانی تولید می شوند که اجسام بسیار پرجرم مانند تپ اخترها با سرعت بسیار بالایی شتاب می گیرند. منابع بسیار قوی امواج گرانشی نشان دهنده فروپاشی فاجعه بار اجرام متراکم و فشرده مانند ستاره های نوترونی و سیاهچاله ها است.

اخیرا، چندین همکاری آرایه‌ای زمان‌بندی تپ‌اختر، از جمله چندین محقق NRL، اولین شواهد قانع‌کننده از امواج گرانشی با فرکانس بسیار پایین را منتشر کرده‌اند که احتمالاً از ادغام سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم است. سپاسگزار کرومارتی، Ph.D.، محقق شورای ملی تحقیقات در NRL، گفت: «اینها نتایج هیجان انگیزی هستند. این امواج گرانشی با فرکانس پایین به ما این امکان را می دهد که به مراکز کهکشان های عظیم نگاه کنیم و نحوه شکل گیری آنها را بهتر درک کنیم.

نتایج حاصل از آرایه همگام سازی تپ اختر نیز کاربردهای عملی مهمی دارد. اعوجاج در فضا-زمان محدودیتی را در مورد میزان دقت استفاده از تپ اخترها برای ناوبری و زمان بندی حیاتی تعیین می کند. در ناوبری مبتنی بر تپ اختر، این تپ اخترهای چرخان تقریباً همان نقش ماهواره های GPS را ایفا می کنند، اما ما می توانیم از آنها بسیار فراتر از مدار زمین استفاده کنیم. دکتر ری گفت: اکنون می دانیم که حد نهایی ثبات کجاست.

استفاده از قابلیت های تشخیص اشعه گاما فرمی بر عملکرد آرایه همگام سازی تپ اختر نیز تأثیر می گذارد. دکتر کر گفت: «پیش از این، پس از یافتن MSP، باید آن را به ستاره شناسان رادیویی می دادیم تا آن را با تلسکوپ های عظیم رصد کنند. آنچه ما دریافتیم این است که فرمی به تنهایی به اندازه کافی حساس است که این امواج گرانشی را محدود کند و برخلاف امواج رادیویی که مانند نور در یک منشور در حین حرکت به زمین خم می شوند، پرتوهای گاما مستقیماً به سمت ما شلیک می شوند. این پتانسیل خطاهای اندازه گیری سیستماتیک را کاهش می دهد.”

برای مگان دکسار، دکترا، دانشمند دانشگاه جورج میسون که در NRL کار می کند، جذاب ترین جنبه کار جدید افزایش چشمگیر تپ اخترهای «عنکبوت مانند» است. دی سزار گفت: «تپ اخترهای عنکبوتیه به نام عنکبوتیانی که شرکای کوچکتر خود را می خورند، نامگذاری شده اند. زمانی که یک ستاره نوترونی و همدم دوتایی آن بسیار نزدیک به هم باشند و روند بازیافت MSP کمی از بین برود، چیزی مشابه ممکن است اتفاق بیفتد. تابش شدید و باد ذرات تپ اختر سطح ستاره دیگر را فرسایش می دهد و در نتیجه یک توپ از مواد تبخیر شده ایجاد می شود.

در مقایسه با مشاهدات رادیویی، فرمی به ویژه در یافتن این «عنکبوت‌ها» مهارت دارد، زیرا در بسیاری از موارد امواج رادیویی با عبور پرتو تپ اختر از بقایای ستاره همراه پنهان می‌شوند. با این حال، پرتوهای گاما می توانند مستقیماً از آنها عبور کنند. دکسار گفت: «اگرچه ممکن است مشخص شود که سیستم‌های عنکبوتی در پرتوهای گاما نیز درخشان‌تر هستند، اما مطالعه آنها به ما کمک می‌کند تا منشأ آنها و غنای اکتشافاتی که با فرمی انجام دادیم را درک کنیم.»

سومین کاتالوگ تپ اخترهای پرتو گاما در منتشر شده است مجله اخترفیزیک، مکمل. این مجموعه از آخرین اطلاعات در مورد تپ اخترهای پرتو گاما، با شکل ثابت خود، باید برای جامعه علمی ارزشمند باشد.