رصد میدانهای مغناطیسی پیچیده که جتهای پیشستارهای را هدایت میکنند؛ تأیید نظریهای چند دههای
ستارهشناسان با استفاده از تلسکوپ آلما (ALMA)، اولین تصاویر مستقیم و با وضوح بالا از میدانهای مغناطیسی حلقوی (توروییدی) پیچیده شده در اطراف جریان گاز خروجی یک ستاره در حال شکلگیری را ثبت کردند. این رصد، نظریهای چند دههای در مورد چگونگی پرتاب و شکلدهی جتهای کیهانی قدرتمند توسط ستارگان جوان را تأیید میکند.
به قلم فرشید جمشیدی
این خبر را به اشتراک بگذارید
بهطور خلاصه
- ستارهشناسان از تلسکوپ آلما برای ثبت تصاویر با وضوح بالا از میدانهای مغناطیسی اطراف یک پیشستاره جوان استفاده کردند.
- این مشاهدات تأیید میکنند که میدانهای مغناطیسی پیچیده و حلقوی، جتهای قدرتمند گاز را از قطبهای ستاره متمرکز و پرتاب میکنند.
- این جتهای مغناطیسی مانند یک سوپاپ تخلیه عمل میکنند و به ستاره جوان اجازه میدهند انرژی چرخشی اضافی خود را دفع کرده و به رشد ادامه دهد.
هنگامی که یک ستاره جدید شکل میگیرد، تنها مواد را به سمت خود نمیکشد؛ بلکه جتهای قدرتمندی از گاز را نیز به فضا پرتاب میکند. برای چندین دهه، اخترفیزیکدانان این نظریه را مطرح کرده بودند که این جتها توسط میدانهای مغناطیسی نامرئی و پیچیده پرتاب و شکل داده میشوند. اکنون، به لطف آرایه میلیمتری/زیرمیلیمتری بزرگ آتاکاما (ALMA)، ستارهشناسان بالاخره توانستهاند آنها را مشاهده کنند.[1]
این تحقیق که در نشریه «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شده است، بر روی یک سیستم ستارهای دوتایی جوان به نام NGC 1333 IRAS 4A متمرکز است که در فاصله حدود ۹۶۰ سال نوری در ابر مولکولی برساووش (Perseus) قرار دارد. این تیم با اندازهگیری قطبش ضعیف نوری که توسط گاز مونوکسید کربن منتشر میشود، خطوط میدان مغناطیسی پیچیده شده در اطراف جریانهای خروجی ستاره را نقشهبرداری کردند.[2]
این یافتهها اولین شواهد رصدی مستقیم و با وضوح بالا از یک میدان مغناطیسی «حلقوی» یا دوناتشکل را در مقیاس چند صد واحد نجومی از یک پیشستاره ارائه میدهند. این امر مدل مغناطیسی-گریز از مرکز شکلگیری ستاره را تأیید میکند، نظریهای که بیش از سی سال بدون اثبات بصری قطعی پابرجا مانده بود.[3][4]
برای درک اهمیت این موضوع، باید به مکانیک تولد ستاره نگاه کرد. یک پیشستاره با جذب گاز و غبار از یک قرص برافزایشی اطراف خود رشد میکند. با این حال، این مواد در حال سقوط، مقدار عظیمی از تکانه زاویهای – انرژی چرخشی که قرص را در حال چرخش نگه میدارد – با خود حمل میکنند.[1][4]
اگر ستاره به سادگی تمام آن مواد و تکانه زاویهای همراه آن را جذب کند، آنقدر سریع میچرخد که از هم میپاشد. این سیستم برای دفع این انرژی چرخشی اضافی به یک سوپاپ تخلیه نیاز دارد تا ستاره بتواند با خیال راحت به رشد خود ادامه دهد.[1][4]
فیزیکدانان نظری مدتها پیش پیشنهاد کردند که میدانهای مغناطیسی به عنوان این سوپاپ تخلیه عمل میکنند. در مدل پذیرفته شده مغناطیسی-گریز از مرکز، میدانهای مغناطیسی «قطبی» (پولویدی) – خطوطی که موازی با قطبهای ستاره هستند – بادهایی را از لبههای داخلی قرص برافزایشی پرتاب میکنند.[3]
هنگامی که گاز درون قرص با سرعت بالا میچرخد، این خطوط میدان مغناطیسی را همراه خود میکشد. چرخش، میدانهای قطبی را به شکلی مارپیچی و محکم پیچیده تبدیل میکند که به عنوان میدان مغناطیسی حلقوی (توروییدی) شناخته میشود.[3]
این ساختار مغناطیسی پیچیده مانند یک سیمپیچ یا قیف کیهانی عمل میکند. این ساختار یک «تنش حلقوی مغناطیسی» ایجاد میکند که گاز خروجی را فشرده کرده و آن را به جتهای باریک و پرسرعتی که از قطبهای ستارگان جوان مشاهده میکنیم، متمرکز میسازد.[2]
در حالی که محاسبات پشت این نظریه کاملاً درست بود، مشاهده این پدیده به طرز باورنکردنی دشوار بود. خود میدانهای مغناطیسی نامرئی هستند و قدرت آنها تنها چند میلیگاوس است – در مقایسه با یک آهنربای خانگی ناچیز، اما در مقیاس میانستارهای فوقالعاده قدرتمند.[1]
مشاهدات قبلی میدانهای قطبی را در نزدیکی سطح پیشستارگان شناسایی کرده بودند، اما میدانهای حلقوی دورتر در جتها همچنان گریزان بودند. این پیشرفت با استفاده از حساسیت بیسابقه آلما برای تشخیص اثر گلدریش-کیلافیس (Goldreich-Kylafis) حاصل شد، جایی که چرخش مولکولهایی مانند مونوکسید کربن با میدان مغناطیسی محلی همراستا میشود.[2][3]
دادههای آلما نشان داد که خطوط میدان مغناطیسی به صورت عمود بر جهت جریان گاز، به دور جریانهای خروجی میپیچند و کاملاً با چرخش خود گاز مطابقت دارند. این هندسه دقیقاً همان امضای یک میدان حلقوی است که توسط مدلها پیشبینی شده بود.[1][4]
محققان یک همبستگی خطی بین پیچش میدان مغناطیسی در صفحه آسمان و چگالی جریان الکتریکی در امتداد خط دید پیدا کردند. این رابطه ریاضی محدودیتهای جدید و سختگیرانهای را در مورد چگونگی رانش یونها و الکترونها در این محیطهای شدید فراهم میکند.[2][3]
با وجود این تأیید بزرگ، ابهاماتی باقی مانده است. مکانیسم دقیق اتصال اولیه میدانهای مغناطیسی به گاز خنثی در قرص برافزایشی – منطقهای که عمدتاً یونیزه نشده است – هنوز موضوع بحث فعال در میان اخترفیزیکدانان است.[4]
علاوه بر این، در حالی که این رصد ثابت میکند که این مکانیسم برای یک سیستم دوتایی کمجرم مانند NGC 1333 IRAS 4A کار میکند، محققان همچنان در حال بررسی این هستند که آیا مقیاسبندی مغناطیسی دقیقاً مشابه برای شکلگیری ستارگان پرجرم نوع O و B نیز صدق میکند یا خیر، زیرا آنها محیطهای تابشی کاملاً متفاوتی دارند.[4]
ستارهشناسان همچنین به دنبال ارتباط دادن این جتهای پیشستارهای با جتهای نسبیتی بسیار بزرگتری هستند که توسط سیاهچالههای کلانجرم منتشر میشوند. تجزیه و تحلیلهای اخیر اندازهگیری چرخش در سیستمهای دیگر نشان میدهد که میدانهای مغناطیسی مارپیچی ممکن است یک مکانیسم جهانی برای متمرکزسازی جتها در تمام مقیاسهای کیهان باشند.[4]
در حال حاضر، مشاهدات آلما به عنوان یک پیروزی برای فیزیک نظری محسوب میشود. ستارهشناسان با ثبت نهایی قیفهای مغناطیسی نامرئی که بر تولد ستاره حاکم هستند، یک شکاف حیاتی در درک ما از چگونگی ساخت بنیادیترین ساختارهای جهان را پر کردهاند.[1]
اصطلاحات کلیدی
- پیشستاره
- ستارهای بسیار جوان که هنوز در حال جمعآوری جرم از ابر مولکولی مادر خود است و همجوشی هستهای را آغاز نکرده است.
- قرص برافزایشی
- یک قرص چرخان از گاز و غبار متراکم که ستاره تازه متولد شده را احاطه کرده و ستاره جرم خود را از آن تأمین میکند.
- تکانه زاویهای
- انرژی چرخشی گاز در حال سقوط که باید دفع شود تا ستاره بتواند بدون از هم پاشیدن به رشد خود ادامه دهد.
- میدان مغناطیسی حلقوی (توروییدی)
- یک میدان مغناطیسی به شکل دونات یا فنر محکم پیچیده شده که زمانی ایجاد میشود که گاز در حال چرخش، خطوط میدان را بپیچاند.
- میدان مغناطیسی قطبی (پولویدی)
- یک میدان مغناطیسی که خطوط آن موازی با محور چرخش ستاره، از قطبی به قطب دیگر امتداد مییابند.
- باد مغناطیسی-گریز از مرکز
- یک مدل نظری که در آن میدانهای مغناطیسی مواد را از یک قرص در حال چرخش به بیرون پرتاب میکنند و انرژی چرخشی اضافی را با خود میبرند.
پرسشهای متداول
چرا ستارگان جوان، جتهای گازی را به فضا پرتاب میکنند؟
هنگامی که یک ستاره جوان مواد را از قرص اطراف خود جذب میکند، آن مواد به شدت سریع میچرخند. ستاره جتهایی را پرتاب میکند تا این انرژی چرخشی اضافی را دفع کند و از چرخش بیش از حد سریع که منجر به از هم پاشیدن آن میشود، جلوگیری کند.
چه چیزی در واقع این جتها را شکل داده و پرتاب میکند؟
این جتها توسط میدانهای مغناطیسی قدرتمند پرتاب و متمرکز میشوند. با چرخش گاز، این میدانهای مغناطیسی به شکلی محکم و پیچیده در میآیند که گاز را به یک پرتو باریک و پرسرعت فشرده میکند.
ستارهشناسان چگونه بالاخره توانستند این میدانهای مغناطیسی نامرئی را ببینند؟
آنها از تلسکوپ رادیویی آلما برای اندازهگیری قطبش ضعیف نوری که توسط مولکولهای مونوکسید کربن منتشر میشود، استفاده کردند. این مولکولها خود را با میدان مغناطیسی همراستا میکنند و به دانشمندان اجازه میدهند تا شکل دقیق آن را ترسیم کنند.
آیا این نظریه مدت زیادی است که مطرح شده؟
بله، اخترفیزیکدانان مدل مغناطیسی-گریز از مرکز را چندین دهه پیش پیشنهاد کردند، اما میدانهای مغناطیسی تا پیش از پیشرفتهای اخیر در فناوری تلسکوپ، برای مشاهده مستقیم بسیار ضعیف و پیچیده بودند.
بررسی عمیق دیدگاهها
ستارهشناسان رصدی
متمرکز بر عبور از محدودیتهای فناوری تلسکوپهای کنونی برای شناسایی سیگنالهای قطبش ضعیف.
برای ستارهشناسان رصدی، شناسایی میدانهای حلقوی با قدرت میلیگاوس در مقیاس چند صد واحد نجومی، یک پیروزی برای ابزار دقیق است. توانایی آرایه آلما در تفکیک قطبش ضعیف انتشار مونوکسید کربن ثابت میکند که تداخلسنجی نسل بعدی میتواند ساختارهای مغناطیسی را که قبلاً نامرئی تلقی میشدند، نقشهبرداری کند. این گروه اکنون در تلاش است تا همین تکنیکها را برای طیف وسیعتری از مناطق ستارهزا به کار گیرد تا کاتالوگ جامعی از مورفولوژیهای مغناطیسی ایجاد کند.
اخترفیزیکدانان نظری
متمرکز بر تأیید و پالایش مدلهای ریاضی شکلگیری ستاره.
نظریهپردازان این کشف را به عنوان تأییدیه دیرینه مدل باد مغناطیسی-گریز از مرکز که دههها پیش پیشنهاد شده بود، میبینند. همراستایی دقیق میدان مغناطیسی عمود بر محور جریان خروجی، کاملاً با پیشبینیهای ریاضی تنش حلقوی مغناطیسی مطابقت دارد. با این حال، این گروه در حال حاضر به دنبال چالش بعدی هستند: پالایش مدلها برای در نظر گرفتن سرعتهای خاص رانش یون-الکترون که توسط دادههای جدید محدود شدهاند، و درک اینکه این میدانها چگونه در سیستمهای نامرتب یا بسیار آشفته رفتار میکنند.
مدلسازان مغناطیسهیدرودینامیک
متمرکز بر دینامیک سیالات پیچیده پلاسمای مغناطیسیشده در فضا.
محققان متخصص در مغناطیسهیدرودینامیک (MHD) این نتایج را به عنوان یک نقطه کالیبراسیون حیاتی برای شبیهسازیهای ابررایانهای خود میبینند. همبستگی خطی یافت شده بین پیچش میدان مغناطیسی و چگالی جریان الکتریکی، دادههای سختی را برای آزمایش در برابر مدلهای مجازی فراهم میکند. این گروه استدلال میکند که در حالی که ساختار حلقوی اساسی اکنون تأیید شده است، مکانیسمهای دقیق بازاتصال مغناطیسی و اتلاف انرژی در سطوح فعال جت هنوز به مدلسازی محاسباتی بسیار بیشتری نیاز دارند تا به طور کامل درک شوند.
- ستارهشناسان رصدی
- متمرکز بر استفاده از تداخلسنجی پیشرفته برای شناسایی سیگنالهای قطبش ضعیف.
- اخترفیزیکدانان نظری
- متمرکز بر تأیید مدلهای ریاضی انتقال تکانه زاویهای.
- مدلسازان مغناطیسهیدرودینامیک
- متمرکز بر شبیهسازی دینامیک سیالات پلاسمای مغناطیسیشده.
دیدگاههایی که این گزارش پوشش نداده
- مهندسان تلسکوپهای رادیویی
منابع
[1]Universe Todayستارهشناسان رصدیAstronomers Finally See the Twisted Magnetic Fields That Drive Protostar Jets
مطالعه در Universe Today →
[2]Nature Communicationsاخترفیزیکدانان نظریUnveiling dominant toroidal magnetic fields in a protostellar outflow
مطالعه در Nature Communications →
[3]arXivاخترفیزیکدانان نظریUnveiling Dominant Toroidal Magnetic Fields in a Protostellar Outflow
مطالعه در arXiv →
[4]تیم سردبیری کوهستانمدلسازان مغناطیسهیدرودینامیکتحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
بیشتر در علم
مشاهده همه →تنش هابل
تناقض ۸.۳ درصدی: چرا ابرنواخترهای محلی و دادههای کیهان اولیه نرخ انبساط متفاوتی را نشان میدهند؟
6 منبع
فیزیک پیشرانش
سازوکار اصلی بادبانهای خورشیدی: نیروی محرکه فضاپیماها از فشار تابش و فوتونهای بیجرم
5 منبع
آکوستیک کوانتومی
مشاهده جهش کوانتومی صدا برای اولین بار: فیزیکدانان گذار آنی فونونها را ثبت کردند
3 منبع
کیهانشناسی
فیزیک ماده و انرژی تاریک: چگونه از وجود آنها آگاهیم و چه چیزهایی نیستند
11 منبع
نظرات
هر زاویه. هر روز.
اخبار علم با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاهها، هر روز و رایگان.





