ذيل المذنب لمجموعة النجوم المتسارعة يحل لغزًا كونيًّا عمره 100 عام

عندما قررنا أنا وزملائي العمل على حل مشكلة كونية عمرها تقريبًا قرن من الزمان، وجدنا مختبرًا للأجرام السماوية غير متوقع في5 Terzan، وهي مجموعة نجمية كثيفة تتحرك حاليًا بسرعة كبيرة عبر مجرتنا.

لقد سمح لنا هذا الكوكب النجمي الغريب بدراسة سلوك الأشعة الكونية، وهي جزيئات عالية الطاقة كانت مساراتها غير المنتظمة عبر الفضاء سببًا في حيرة علماء الفلك منذ اكتشافها في عام 1912.

من خلال مراقبة الإشعاع الناتج عن الأشعة الكونية ل Terzan 5، حققنا أول دراسة علمية: قياس مدى سرعة تغيير هذه الجسيمات لاتجاهها بسبب التقلبات في المجالات المغناطيسية بين النجوم. نُشر بحثنا اليوم في مجلة Nature Astronomy.

الإشعاعات سريعة الحركة من الفضاء الخارجي

الأشعة الكونية هي شيء لم يتوقعه أحد. عندما اكتُشِف النشاط الإشعاعي لأول مرة في تسعينيات القرن التاسع عشر، اعتقد العلماء أن جميع مصادر الإشعاع موجودة على الأرض.

ولكن في عام 1912، أجرى الفيزيائي النمساوي الأمريكي Victor Hess قياسًا لمستوى الإشعاع المحيط في منطاد على ارتفاع عالٍ واكتشف أنه كان أعلى بكثير من مستوى الإشعاع على الأرض، حتى في أثناء الكسوف عندما كانت الشمس محجوبة. وهذا يعني أن الإشعاع حتمًا يأتي من الفضاء.

ونحن نعرف اليوم الإشعاع الغامض الذي اكتشفه Hess باسم الأشعة الكونية: النوى الذرية والجسيمات الأولية مثل البروتونات والإلكترونات التي سُرِّعت بطريقة ما إلى سرعة تقترب من سرعة الضوء.

تتحرك هذه الجسيمات بسرعة هائلة عبر الفضاء بين النجوم، وبسبب طاقاتها العالية فإن جزءًا صغيرًا منها يستطيع اختراق الغلاف الجوي العلوي، كما اكتشف Hess.

ولكننا لا نستطيع تحديد مصدر هذه الأشعة بسهولة، فالأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة، وهذا يعني أن اتجاه انتقالها يتغير عندما تعترض مجالًا مغناطيسيًا.

الصورة الثابتة لأشعة الكون الكونية

يوفر تأثير الانحراف المغناطيسي التكنولوجيا الأساسية لشاشات أنبوب أشعة cathode (CRT) وأجهزة التلفاز القديمة، والتي تستخدمها لتوجيه الإلكترونات نحو الشاشة لإنشاء صورة.

إن الفضاء بين النجوم مليء بالحقول المغناطيسية، وتلك الحقول تتغير باستمرار، مما يؤدي إلى انحراف الأشعة الكونية في اتجاهات عشوائية، مثل أنبوب أشعة cathodeالمكسور في جهاز تلفزيون قديم لا يُظهر إلا الصور الثابتة.

لذا، بدلًا من أن تأتي الأشعة الكونية إلينا مباشرة من مصدرها كما يفعل الضوء، فإنها تنتشر بصورة واحدة تقريبًا عبر المجرة. وهنا على الأرض، نراها تأتي بشكل متساوٍ تقريبًا من جميع الاتجاهات في السماء.

ومع أننا ندرك الآن هذه الصورة العامة، إلا أن أغلب التفاصيل مفقودة. فالتجانس الذي تتّسم به الأشعة الكونية عبر السماء يشير إلى أن اتجاهات الأشعة الكونية تتغير عشوائيًا، ولكننا لا نملك وسيلة جيدة لقياس مدى سرعة حدوث هذه العملية. كما أننا لا نفهم المصدر النهائي للتقلبات المغناطيسية، أو ربما لم.

نفهمها حتى الآن.

أشعة غاما المتحركة وTerzan 5

وهنا يأتي دور 5 Terzan. هذه المجموعة النجمية هي منبع جيَد للأشعة الكونية، لأنها تحتوي على عدد كبير من النجوم التي تدور بسرعة، وهي كثيفة وممغنطة على نحو لا يصدق، تسمى النجوم النابضة بالمللي ثانية، وهي تعمل على تسريع الأشعة الكونية إلى سرعات عالية للغاية.

لا تصل هذه الأشعة الكونية إلى الأرض بسبب تلك المجالات المغناطيسية المتغيَرة. ومع ذلك، يمكننا أن نرى علامة واضحة على وجودها، إذ تصطدم بعض الأشعة الكونية بفوتونات ضوء النجوم وتحولها إلى جزيئات عالية الطاقة غير مشحونة تسمى أشعة غاما.

تنتقل أشعة غاما في اتجاه الأشعة الكونية التي أنتجتها نفسه. ولكن من جهة أخرى على عكس الأشعة الكونية، لا تنحرف أشعة غاما بسبب المجالات المغناطيسية. ويمكنها أن تنتقل في خط مستقيم وتصل إلى الأرض.

وبسبب هذا التأثير، نرى غالبًا أشعة غاما قادمة من مصادر قوية للأشعة الكونية. ولكن في 5 Terzan، لسبب ما، لا تتوافق أشعة غاما تمامًا مع مواقع النجوم. وبدلًا من ذلك، يبدو أنها قادمة من منطقة تبعد حوالي 30 سنة ضوئية، حيث لا يوجد مصدر واضح.

“مذنب” على نطاق المجرة

لقد ظل هذا التنقل لغزًا غير مُفسّر منذ اكتشافه في عام 2011، حتى توصلنا إلى تفسير.

تقع مجموعة النجومTerzan 5 بالقرب من مركز مجرتنا اليوم، لكنها ليست كذلك دائمًا. تتحرك مجموعة النجوم في الواقع في مدار واسع جدًا يبقيها بعيدة عن مستوى المجرة معظم الوقت.

يحدث أن تغوص هذه المجرة بسرعة مئات الكيلومترات في الثانية، فتخترق المجموعة مجموعة من المجالات المغناطيسية حولها، مثل ذيل المذنب الذي يغوص عبر الرياح الشمسية.

الأشعة الكونية التي تطلقها المجموعة تنتقل في البداية على طول الذيل. لا نرى أيًّا من أشعة غاما التي تنتجها هذه الأشعة الكونية، لأن الذيل ليس موجهًا إلينا مباشرة، وتُوجَّه أشعة غاما هذه على طول الذيل وبعيدًا عنا.

وهنا تأتي التقلبات المغناطيسية، فإذا ظلت الأشعة الكونية محاذية للذيل، فلن نراها أبدًا، ولكن بفضل التقلبات المغناطيسية تبدأ اتجاهاتها في التغير.

في النهاية، يبدأ بعضها في التوجه إلينا، منتجًا أشعة غاما التي يمكننا رؤيتها. لكن هذا يستغرق نحو 30 عامًا، وهذا هو السبب في أن أشعة غاما لا تبدو قادمة من المجموعة نفسها.

وبحلول الوقت الذي تتوجه فيه كمية كافية منها إلينا، لتصبح أشعة غاما الخاصة بها ساطعة بما يكفي لتكون مرئية، تكون قد انتقلت 30 سنة ضوئية أسفل الذيل المغناطيسي للمجموعة.

الأشعة الكونية والحقول المغناطيسية بين النجوم

لذا بفضل تيرزان 5، تمكّنّا لأول مرة من قياس المدة التي تستغرقها التقلبات المغناطيسية لتغيير اتجاهات الأشعة الكونية. يمكننا استخدام هذه المعلومات لاختبار النظريات حول كيفية عمل المجالات المغناطيسية بين النجوم ومن أين تأتي تقلباتها.

وهذا يقرّبنا خطوة كبيرة من فهم الإشعاع الغامض من الفضاء الذي اكتشفه Hessمنذ أكثر من 100 عام.