اولین رصد تولد یک مگنتار، راز ابرنواخترهای فوق‌درخشان را حل می‌کند

برای بیش از بیست سال، وجود «ابرنواخترهای فوق‌درخشان» (انفجارهای ستاره‌ای که تا ۱۰۰ برابر درخشان‌تر از ابرنواخترهای استاندارد هستند) مدل‌های اخترفیزیکی مرسوم را به چالش کشیده بود. فرضیه اصلی این بود که این انفجارها توسط یک «مگنتار» تازه متولد شده، یعنی یک ستاره نوترونی با چرخش سریع و میدان مغناطیسی تریلیون‌ها برابر قوی‌تر از زمین، تأمین می‌شوند. اکنون، یک رصد مشترک بی‌سابقه توسط رصدخانه‌های فضایی و زمینی جهانی، آن فرضیه را به یک واقعیت اثبات‌شده تبدیل کرده و یکی از پایدارترین رازهای نجوم مدرن را حل کرده است. دانشمندان با ثبت هم نور خیره‌کننده انفجار و هم امواج نامرئی در فضا-زمان که توسط آن تولید شده، به طور قطعی موتور محرک خشن‌ترین مرگ‌های کیهانی را ترسیم کرده‌اند.[1][3]

در یک رویداد مهم که این هفته جزئیات آن منتشر شد، ائتلافی بین‌المللی از رصدخانه‌ها، هم نور الکترومغناطیسی و هم امواج گرانشی ناشی از فروپاشی یک ستاره پرجرم در کهکشانی به فاصله ۱.۲ میلیارد سال نوری را ثبت کردند. این کشف اولین باری است که بشر شاهد لحظه دقیق تولد یک مگنتار است. این تلاش هماهنگ شامل تلسکوپ فضایی جیمز وب، شبکه امواج گرانشی لایگو-ویرگو-کاگرا (LIGO-Virgo-KAGRA) و تعداد زیادی تلسکوپ نوری زمینی بود که همگی در لحظه فعال شدن هشدار اولیه، برای مشاهده همان بخش از آسمان بسیج شدند.[2][4]

اولین بخش حیاتی شواهد از تلسکوپ فضایی جیمز وب و رصدخانه‌های نوری زمینی که منحنی نوری انفجار را دنبال می‌کردند، به دست آمد. ابرنواخترهای استاندارد عمدتاً توسط واپاشی رادیواکتیو نیکل-۵۶ که در انفجار ایجاد می‌شود، تأمین انرژی می‌شوند، اما انواع فوق‌درخشان انرژی بسیار بیشتری از آنچه واپاشی نیکل می‌تواند از نظر فیزیکی فراهم کند، ساطع می‌کنند. منحنی نوری مشاهده‌شده جدید، یک فلات متمایز و پایدار از انتشار فرابنفش و نوری شدید را نشان داد که ماه‌ها به طول انجامید؛ امضایی که نمی‌توان آن را با هسته‌زایی انفجاری سنتی توضیح داد.[1][5]

بر اساس داده‌ها، هنگامی که هسته ستاره در حال مرگ به یک ستاره نوترونی فوق‌فشرده فرو ریخت، شروع به چرخش با سرعتی سرسام‌آور، تقریباً یک دور در هر میلی‌ثانیه، کرد. این چرخش فوق‌العاده سریع، همراه با میدان مغناطیسی در حال فروپاشی ستاره، یک اثر دیناموی شدید ایجاد کرد. مگنتار حاصل مانند یک چرخ طیار کیهانی عظیم عمل کرد و انرژی چرخشی گسترده خود را مستقیماً به مواد پرتابی ابرنواختر در حال انبساط تزریق کرد. این تزریق مداوم انرژی، ابر گاز در حال انبساط را تا درخشندگی غیرممکنی روشن کرد که کاملاً با فلات نوری مشاهده‌شده مطابقت داشت.[3][5]

اثبات قطعی این مکانیسم، با این حال، نه از نوری که می‌توانستیم ببینیم، بلکه از امواج در بافت فضا-زمان به دست آمد. شبکه امواج گرانشی لایگو-ویرگو-کاگرا یک «جیرجیر» با فرکانس بالا را دقیقاً همزمان با فروپاشی اولیه هسته شناسایی کرد. این شکل موج خاص توسط نسبیت عام برای یک ستاره نوترونی تازه تشکیل‌شده و با چرخش سریع که به طور موقت توسط میدان مغناطیسی شدید خود تغییر شکل داده، پیش‌بینی شده بود؛ این امر یک جرم نامتقارن ایجاد می‌کند که فضا-زمان اطراف را به هم می‌زند. از آنجا که لایه‌های متراکم ستاره در حال انفجار، تمام نور هسته را مسدود می‌کنند، این امواج گرانشی تنها نگاه مستقیم به موتور مرکزی را فراهم کردند.[4][6]

فیزیکدانان نظری مدت‌هاست استدلال کرده‌اند که اگر یک مگنتار تازه متولد شده به اندازه کافی سریع بچرخد، میدان مغناطیسی آن، آن را مجبور به شکل نامتقارن می‌کند—که اغلب با یک توپ فوتبال کیهانی ناصاف مقایسه می‌شود. هنگامی که این جرم نامتقارن با سرعت میلی‌ثانیه می‌چرخد، مقادیر عظیمی از انرژی را به شکل امواج گرانشی تابش می‌کند. فرکانس و نرخ واپاشی جیرجیر مشاهده‌شده کاملاً با مدل‌های نظری برای مگنتاری که انرژی چرخشی خود را از دست می‌دهد، مطابقت داشت و یک تطابق ریاضی بی‌نقص با معادلات صدساله اینشتین ارائه داد.[6][7]

قدرت این مجموعه شواهد در ماهیت «چند-پیام‌رسانی» این رصد نهفته است. دیدن تنها منحنی نوری، جایی برای نظریه‌های جایگزین باقی می‌گذارد، مانند برخورد انفجار با یک پوسته متراکم از مواد پیرامون ستاره‌ای که قبل از مرگ ستاره پرتاب شده است. اما تشخیص همزمان امضای موج گرانشی خاص، این جایگزین‌ها را حذف می‌کند. این امر مدل موتور مگنتار را به طور محکم در واقعیت رصدی تثبیت می‌کند و ثابت می‌کند که نور شدید و امواج فضا-زمان از یک منبع دقیقاً یکسان سرچشمه می‌گیرند.[2][5]

با وجود تأیید قوی منبع انرژی، عدم قطعیت‌های شفافی در مورد ستاره پیش‌ساز (پروژنتور) که آن را ایجاد کرده، باقی می‌ماند. داده‌ها نشان می‌دهند که ستاره اصلی پرجرم بوده است، اما میزان دقیق جرم آن نامشخص است. اگر ستاره‌ای بیش از حد سنگین باشد، فروپاشی هسته آن باید به طور کامل از مرحله ستاره نوترونی عبور کرده و یک سیاهچاله تشکیل دهد؛ اگر بیش از حد سبک باشد، جرم کافی برای تشکیل مگنتار را نخواهد داشت. «پنجره جرمی» دقیقی که برای تولید این نتیجه خاص لازم است، هنوز موضوع بحث‌های شدید در میان اخترفیزیکدانان است.[1][6]

علاوه بر این، مکانیسم دقیقی که میدان مغناطیسی اولیه را تولید می‌کند، تا حدی مبهم باقی مانده است. در حالی که اثر دینامو تقویت سریع میدان در طول فروپاشی را توضیح می‌دهد، محققان همچنان در حال تجزیه و تحلیل داده‌های طیفی برای تعیین شرایط اولیه هستند. هنوز مشخص نیست که آیا ستاره پیش‌ساز قبل از مرگ، میدان مغناطیسی غیرعادی قوی داشته است یا اینکه میدان به طور کامل در طول ثانیه‌های آشفته و پرفشار فروپاشی هسته، از ابتدا ایجاد شده است. حل این مسئله مستلزم یافتن تعداد بیشتری از این رویدادهای نادر برای ایجاد یک مبنای آماری از ستارگان مادر مگنتار است.[3][5]

فراتر از چرخه‌های حیات ستارگان، این رصد به عنوان یک آزمون تنش عمیق برای نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین عمل می‌کند. محیط شدید یک مگنتار تازه متولد شده—جایی که گرانش، الکترومغناطیس و چگالی هسته‌ای در محدودیت‌های مطلق خود با هم برخورد می‌کنند—غیرممکن است که در هیچ آزمایشگاه زمینی بازسازی شود. این واقعیت که جیرجیر گرانشی مشاهده‌شده کاملاً با پیش‌بینی‌های نسبیتی مطابقت داشت، تأیید می‌کند که معادلات اینشتین حتی در خشن‌ترین و شدیدترین کوره‌های کیهان نیز صادق هستند. این امر به فیزیکدانان اعتماد دوباره‌ای برای استفاده از این معادلات برای مدل‌سازی پدیده‌های شدید دیگر، از ادغام سیاه‌چاله‌ها گرفته تا خود بیگ بنگ، می‌دهد.[4][7]

این رویداد اهمیت حیاتی نجوم چند-پیام‌رسانی را برای آینده اخترفیزیک تثبیت می‌کند. با ترکیب دقت فروسرخ تلسکوپ‌های فضایی با قابلیت‌های گوش دادن به فضا-زمان تداخل‌سنج‌های زمینی، دانشمندان اکنون می‌توانند به داخل بقایای مات و در حال انبساط یک ابرنواختر نگاه کنند تا موتور مرکزی را در حال کار ببینند. این رویکرد دوگانه به سرعت در حال تبدیل شدن به استاندارد طلایی برای بررسی کیهان است و به محققان اجازه می‌دهد تا نیروهای بنیادی مختلف را برای ساختن تصویری کامل از رویدادهای کیهانی مقایسه کنند. بدون حضور همزمان هر دو ابزار، این راز حل نشده باقی می‌ماند.[2][4]

همانطور که بقایای ابرنواختر در سال‌های آینده به انبساط و رقیق شدن ادامه می‌دهد، رصدخانه‌های پرتو ایکس قرار است به طور مداوم باقیمانده آن را زیر نظر بگیرند. اگر مدل مگنتار کاملاً صحیح باشد، در نهایت یک پالس ریتمیک و ثابت از پرتوهای ایکس باید از میان گاز در حال پراکنده شدن قابل مشاهده شود. این امر امضای نهایی و ماندگار ستاره تازه متولد شده را فراهم می‌کند و به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد تا نحوه سرد شدن و کند شدن آن را در طول دهه آینده دنبال کنند و فصل پایانی این کشف تاریخی نجومی را بنویسند. تا آن زمان، مجموعه شواهد فعلی به عنوان یک دستاورد تاریخی در علم رصدی باقی می‌ماند.[1][3]