رصد میدان‌های مغناطیسی پیچیده که جت‌های پیش‌ستاره‌ای را هدایت می‌کنند؛ تأیید نظریه‌ای چند دهه‌ای

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]