عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.
تنتقل موجات الصدمة الشبيهة بالقوس إلى الخارج أثناء اندماج مجموعة من المجرات، وتحول كمية هائلة من الطاقة إلى حرارة. الصورة اليسرى توضح كثافة الغاز والصورة اليمنى توضح الطاقة المبددة مع جبهات صدمية واضحة للعيان. | المصدر: AIP/J. ويتينغهام
على أكبر مقاييس الكون، تتصادم مجموعات المجرات في كوارث بطيئة الحركة، تاركة وراءها أقواسًا شبحية هائلة – أشرطة واسعة من الانبعاثات الراديوية المنتشرة التي يمكن أن تمتد عبر ملايين السنين الضوئية. تشكلت هذه الهياكل الغريبة بواسطة موجات صدمية عملاقة تعمل على تسريع الإلكترونات إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء، وتُعرف باسم “الآثار الراديوية”.
علماء الفلك لديهم مفهرسة العشرات منهم، ومع ذلك ظل سلوكهم صعب التفسير بشكل ملحوظ.
ملاحظات من وكالة ناسا مرصد شاندرا للأشعة السينية، أوروبا XMM-نيوتن، وغيرها من التلسكوبات على سبيل المثال مكشوف المجالات المغناطيسية التي تربط الآثار أقوى بكثير مما توقعته نماذجنا. يبدو أيضًا أن موجات الصدمة لهذه الآثار لها قوة تختلف اعتمادًا على ما إذا تم قياسها باستخدام ضوء الراديو أو الأشعة السينية. ولعل الأمر الأكثر إثارة للحيرة هو أن قياسات الأشعة السينية تشير أحيانًا إلى أن الصدمات أضعف من أن تتمكن من تسريع الإلكترونات على الإطلاق، وهو ما يتناقض على ما يبدو مع وجود بقايا الراديو.
والآن، ربما تكون دراسة جديدة أجراها باحثون في معهد لايبنيز للفيزياء الفلكية بوتسدام (AIP) في ألمانيا قد حلت هذه الألغاز أخيرًا.
وباستخدام عمليات محاكاة عالية الدقة، تتبع الفريق تكوين وتطور الآثار الراديوية ونجح في إعادة إنتاج السلوكيات المحيرة التي شوهدت في الملاحظات الحقيقية. تقدم النتائج التي توصلوا إليها أوضح صورة حتى الآن لكيفية تشكل هذه الهياكل الغامضة ولماذا تبدو بالطريقة التي تبدو بها.
وقال المؤلف الرئيسي للدراسة جوزيف ويتنجهام، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في AIP، في بيان: “كان مفتاح نجاحنا هو معالجة المشكلة باستخدام مجموعة من المقاييس”.
لفهم كيفية تشكل الآثار الراديوية وتطورها، كتب ويتنجهام وزملاؤه في ورقتهم البحثية أنهم استخدموا مجموعة كبيرة من المحاكاة الكونية التي تمثل كيفية تشكل الآثار الراديوية. مجموعات المجرات تنمو وتتصادم على مدى مليارات السنين. من هذا الجناح، قام الفريق بفحص اندماج نشط بشكل خاص وتشكيل بقايا بين مجموعتين من المجرات حيث كانت إحداهما أثقل بحوالي 2.5 مرة من الأخرى. عندما اندمجت المجموعتان الضخمتان، اللتان تمت محاكاتهما، أطلقتا موجات صدمية هائلة على شكل قوس تمتد لحوالي 7 ملايين سنة ضوئية.
بعد ذلك، وباستخدام هذه النتائج كدليل، أنشأ الفريق عمليات محاكاة “أنبوب الصدمة” عالية الدقة، مما سمح للباحثين بعزل وتتبع الفيزياء الدقيقة لموجة صدمية واحدة تتفاعل مع الأطراف المتكتلة والمضطربة لمجموعات المجرات. ومن هناك، قاموا بوضع نموذج من المبادئ الأولى لكيفية تسريع الإلكترونات عند جبهة الصدمة وكيف سيظهر الانبعاث الراديوي الناتج للتلسكوبات.
كتب الفريق في الدراسة الجديدة أن هذا النهج متعدد النطاق سمح لهم بحل “الفيزياء التي لا تزال بعيدة عن متناول عمليات المحاكاة الكونية للجيل الحالي”.
كشفت عمليات المحاكاة أنه عندما تتحرك موجة الصدمة إلى الخارج عبر مجموعة مجرية، فإنها تصطدم في النهاية بصدمات أخرى ناتجة عن سقوط الغاز البارد من الشبكة الكونية. يضغط هذا التفاعل البلازما إلى طبقة كثيفة، والتي تصطدم بعد ذلك بكتل غازية أصغر، مما يؤدي إلى دوامة كونية تعمل على تضخيم قوة المجال المغناطيسي إلى ما هو أبعد بكثير مما يمكن أن تحققه صدمة واحدة، وهو ما يطابق القيم القوية غير المتوقعة التي تظهر في عمليات الرصد.
وقال المؤلف المشارك في الدراسة كريستوف بفرومر من AIP في نفس البيان: “الآلية بأكملها تولد اضطرابًا، ولفًا وضغطًا للمجال المغناطيسي حتى يصل إلى القوة المرصودة، وبالتالي حل اللغز الأول”.
يوضح العمل الجديد أيضًا أنه عندما تكتسح الصدمة كتل الغاز الكثيفة، فإن مناطق معينة من مقدمة الصدمة تصبح معززة بشكل حاد وتسرع الإلكترونات بشكل أكثر كفاءة، كما تشير الدراسة. ويقول الباحثون إن هذه البقع الساطعة والمدمجة تهيمن على الإشارة الراديوية، لكن تلسكوبات الأشعة السينية تقيس متوسط قوة الصدمة، بما في ذلك المناطق الأضعف، وهذا ما يفسر التناقضات التي لاحظها علماء الفلك منذ فترة طويلة.
أخيرًا، تُظهر عمليات المحاكاة أن الأجزاء المحلية الأقوى فقط من جبهة الصدمة هي التي تنتج في الواقع معظم انبعاث الراديو، وبالتالي فإن متوسط القوة المنخفضة المستنتجة من الأشعة السينية لا تشكل تهديدًا للفيزياء الأساسية على كل حال.
ويقول الباحثون إن عمليات المحاكاة متعددة النطاق التي أجراها الفريق، مجتمعة، تعيد إنتاج مزيج من الميزات المغناطيسية والراديو والأشعة السينية التي يراها علماء الفلك في الآثار الحقيقية، مما يحل العديد من الألغاز القديمة.
وقال ويتنجهام في البيان “هذا النجاح يحفزنا على البناء على دراستنا للإجابة على الألغاز المتبقية التي لم يتم حلها والتي تحيط بآثار الراديو”.
تم وصف نتائج الفريق في أ ورق تم قبوله في مجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية ونشره في مستودع الورق ما قبل الطباعة arXiv في 18 نوفمبر.