عندما يولد نجم أو يموت، أو عندما تحدث أي ظاهرة نشطة للغاية في الكون، فإنه ينبعث منه الأشعة السينية، وهي جزيئات ضوئية عالية الطاقة غير مرئية بالعين المجردة. هذه الأشعة السينية هي نفس النوع الذي يستخدمه الأطباء لالتقاط صور للعظام المكسورة داخل الجسم. ولكن بدلاً من النظر إلى الظلال التي تنتجها العظام التي تمنع الأشعة السينية داخل الشخص، يكتشف علماء الفلك الأشعة السينية التي تطير عبر الفضاء للحصول على صور لأحداث مثل الثقوب السوداء والمستعرات الأعظم.
الصور والأطياف – الرسوم البيانية التي توضح توزيع الضوء عبر أطوال موجية مختلفة من جسم ما – هما الطريقتان الرئيسيتان لعلماء الفلك لاستكشاف الكون. تخبرهم الصور كيف تبدو الأشياء وأين تحدث ظواهر معينة، بينما يخبرهم الأطياف بمقدار الطاقة التي تجمعها الفوتونات، أو جزيئات الضوء. يمكن لـ Spectra أن ترشدهم إلى كيفية تشكل الحدث الذي أتوا منه. عند دراسة الأجسام المعقدة، فإنها تحتاج إلى كل من التصوير والأطياف.
وصمم العلماء والمهندسون مرصد شاندرا للأشعة السينية للكشف عن هذه الأشعة السينية. منذ عام 1999، قدمت بيانات تشاندرا لعلماء الفلك صورًا مفصلة بشكل لا يصدق لبعض الأحداث الأكثر دراماتيكية في الكون.
تتسبب النجوم التي تتشكل وتموت في حدوث انفجارات مستعرات أعظم ترسل عناصر كيميائية إلى الفضاء. يراقب شاندرا سقوط الغاز والنجوم في قوى الجاذبية العميقة للثقوب السوداء، كما يشهد غازًا أكثر سخونة بألف مرة من حرارة الشمس، وهو يهرب من المجرات في رياح متفجرة. ويمكن أن نرى عندما تحبس جاذبية الكتل الضخمة من المادة المظلمة ذلك الغاز الساخن في جيوب عملاقة.
صممت وكالة ناسا شاندرا للدوران حول الأرض لأنها لن تكون قادرة على رؤية أي من هذا النشاط من سطح الأرض. يمتص الغلاف الجوي للأرض الأشعة السينية القادمة من الفضاء، وهو أمر رائع للحياة على الأرض لأن هذه الأشعة السينية يمكن أن تضر الكائنات الحية. ولكن هذا يعني أيضًا أنه حتى لو وضعت ناسا تشاندرا على أعلى قمة جبل، فإنها لن تكون قادرة على اكتشاف أي أشعة سينية. احتاجت ناسا إلى إرسال شاندرا إلى الفضاء.
أنا عالم فيزياء فلكية في مرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية، وهو جزء من مركز الفيزياء الفلكية | هارفارد وسميثسونيان. لقد كنت أعمل على تشاندرا منذ ما قبل إطلاقه قبل 25 عامًا، وكان من دواعي سروري أن أرى ما يمكن للمرصد أن يعلمه لعلماء الفلك حول الكون.
الثقوب السوداء الهائلة والمجرات المضيفة لها
اكتشف علماء الفلك ثقوبًا سوداء هائلة الكتلة، تبلغ كتلتها ما بين 10 إلى 100 مليون مرة كتلة شمسنا، في مراكز جميع المجرات. توجد هذه الثقوب السوداء الهائلة في الغالب بسلام، ويمكن لعلماء الفلك اكتشافها من خلال النظر إلى قوة الجاذبية التي تمارسها على النجوم القريبة.
لكن في بعض الأحيان، تسقط نجوم أو سحب داخل هذه الثقوب السوداء، مما ينشطها ويجعل المنطقة القريبة من الثقب الأسود تصدر الكثير من الأشعة السينية. بمجرد تنشيطها، يطلق عليها اسم نوى المجرة النشطة، أو AGN، أو الكوازارات.
أردنا أنا وزملائي أن نفهم بشكل أفضل ما يحدث للمجرة المضيفة بمجرد أن يتحول ثقبها الأسود إلى مجرة مجرة نشطة. لقد اخترنا مجرة واحدة، ESO 428-G014، لننظر إليها مع شاندرا.
يمكن لـ AGN أن تتفوق على مجرتها المضيفة، مما يعني أن الضوء يأتي من AGN أكثر من جميع النجوم والأشياء الأخرى في المجرة المضيفة. تودع AGN أيضًا الكثير من الطاقة داخل حدود المجرة المضيفة لها. يعد هذا التأثير، الذي يسميه علماء الفلك التغذية الراجعة، عنصرًا مهمًا للباحثين الذين يقومون ببناء عمليات محاكاة تصمم كيفية تطور الكون بمرور الوقت. لكننا ما زلنا لا نعرف تمامًا حجم الدور الذي تلعبه طاقة النوى المجرية النشطة في تكوين النجوم في المجرة المضيفة لها.
ولحسن الحظ، يمكن للصور الملتقطة من تشاندرا أن توفر رؤية مهمة. أستخدم تقنيات حسابية لبناء ومعالجة الصور من المرصد التي يمكن أن تخبرني عن هذه النوى المجرية المجرية.
ينتج الثقب الأسود النشط فائق الكتلة في ESO 428-G014 أشعة سينية تضيء مساحة كبيرة تمتد لمسافة تصل إلى 15000 سنة ضوئية من الثقب الأسود. تخبرني الصورة الأساسية التي أنشأتها لـ ESO 428-G014 باستخدام بيانات تشاندرا أن المنطقة القريبة من المركز هي الأكثر سطوعًا، وأن هناك منطقة كبيرة ومستطيلة من انبعاث الأشعة السينية.
تُظهر نفس البيانات، بدقة أعلى قليلاً، منطقتين متميزتين ذات انبعاثات عالية من الأشعة السينية. هناك “رأس” يشمل المركز، و”ذيل” منحني قليلاً يمتد إلى الأسفل من هذه المنطقة الوسطى.
يمكنني أيضًا معالجة البيانات باستخدام خوارزمية تجانس تكيفية تعمل على رفع الصورة إلى دقة أعلى وإنشاء صورة أوضح لما تبدو عليه المجرة. يُظهر هذا سحبًا من الغاز حول المركز المشرق.
لقد تمكن فريقي من رؤية بعض الطرق التي تتفاعل بها النوى المجرية النشطة مع المجرة. وتظهر الصور رياحًا نووية تجتاح المجرة، وسحبًا كثيفة وغازًا بين النجوم يعكس ضوء الأشعة السينية، ونفاثات تطلق موجات راديو تعمل على تسخين السحب في المجرة.
تعلمنا هذه الصور كيفية عمل عملية التغذية الراجعة بالتفصيل وكيفية قياس مقدار الطاقة التي يودعها AGN. ستساعد هذه النتائج الباحثين على إنتاج محاكاة أكثر واقعية لكيفية تطور الكون.
السنوات الخمس والعشرون القادمة من علم الفلك بالأشعة السينية
يصادف عام 2024 العام الخامس والعشرين منذ أن بدأ تشاندرا بمراقبة السماء. مازلنا أنا وزملائي نعتمد على تشاندرا للإجابة على أسئلة حول أصل الكون لا يستطيع أي تلسكوب آخر الإجابة عليها.
من خلال تزويد علماء الفلك ببيانات الأشعة السينية، تكمل بيانات تشاندرا المعلومات من تلسكوب هابل الفضائي وتلسكوب جيمس ويب الفضائي لإعطاء علماء الفلك إجابات فريدة على الأسئلة المفتوحة في الفيزياء الفلكية، مثل مكان ظهور الثقوب السوداء الهائلة الموجودة في مراكز جميع المجرات. من.
بالنسبة لهذا السؤال تحديدًا، استخدم علماء الفلك تشاندرا لمراقبة مجرة بعيدة تم رصدها لأول مرة بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي. أصدرت هذه المجرة الضوء الذي التقطه ويب قبل 13.4 مليار سنة، عندما كان الكون فتيا. كشفت بيانات الأشعة السينية التي التقطها تشاندرا عن ثقب أسود ساطع فائق الكتلة في هذه المجرة، واقترحت أن الثقوب السوداء فائقة الكتلة قد تتشكل نتيجة للسحب المنهارة في الكون المبكر.
وكان التصوير الدقيق حاسما لهذه الاكتشافات. لكن من المتوقع أن يستمر تشاندرا لمدة 10 سنوات أخرى فقط. لمواصلة البحث عن إجابات، سيحتاج علماء الفلك إلى البدء في تصميم مرصد “سوبر تشاندرا” للأشعة السينية الذي يمكن أن يخلف مرصد تشاندرا في العقود المقبلة، على الرغم من أن ناسا لم تعلن بعد عن أي خطط ثابتة للقيام بذلك.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: جوزيبينا فابيانو، مؤسسة سميثسونيان
اقرأ أكثر:
تتلقى جوزيبينا فابيانو تمويلًا من NASA وSI وNSF.