کشف قوی‌ترین میدان مغناطیسی جهان

ستاره شناسان قوی‌ترین میدان مغناطیسی مشاهده شده در جهان را کشف کرده اند. آن‌ها با مطالعه سیگنال‌های پرتوی ایکس قوی از یک ستاره نوترونی، محاسبه کردند که میدان مغناطیسی آن ده‌ها میلیون برابر قوی‌تر از هر میدان مغناطیسی ایجاد شده در آزمایشگاه‌های زمین است.

این ستاره نوترونی موسوم به "GR J. ۱۰۰۸-۵۷" به یک زیرمجموعه بسیار خاص تعلق دارد؛ یک "تپ اختر" اشعه ایکس در حال تجمیع. این ستاره به عنوان یک "تپ اختر"، پرتو‌های الکترومغناطیسی قدرتمندی ساطع می‌کند که به صورت دوره‌ای مانند نور یک فانوس دریایی زمین را فرا می‌گیرد و از آن عبور می‌کند.

اصطلاح "اشعه ایکس در حال تجمیع" از این واقعیت ناشی می‌شود که مواد در این ستاره به طور منظم بر روی سطح آن می‌ریزند و باعث انفجار‌های پرتوی ایکس پرانرژی دوره‌ای می‌شوند که توسط تلسکوپ‌ها قابل تشخیص است.

اکنون گروهی از محققان آکادمی علوم چین و دانشگاه "ابرهارد کارلز توبینگن" آلمان یکی از این انفجار‌ها را برای محاسبه قدرت میدان مغناطیسی این تپ اختر مورد بررسی قرار داده اند.

ستاره شناسان طی یک طغیان و انفجار در اوت ۲۰۱۷ با استفاده از تلسکوپ "مدولاسیون اشعه ایکس سخت" (Insight-HXMT) این تپ اختر را رصد کردند. آن‌ها یک نشانه خاص به نام "ویژگی پراکندگی تشدید سیکلوترون" (CRSF) را مورد توجه قرار دادند؛ الگویی که هنگامی که فوتون‌های اشعه ایکس الکترون‌های پلاسما را در سطح پراکنده می‌کنند، رخ می‌دهد.

این "CRSF" با انرژی ۹۰ کیلو ولت اندازه گیری شد و محققان از این طریق میدان مغناطیسی تپ اختر را یک میلیارد تسلا محاسبه کردند. این میدان مغناطیسی با اختلاف بسیار فاحشی نسبت به میدان‌های مغناطیسی ایجاد شده در آزمایشگاه‌های زمین، قدرتمندترین میدان مغناطیسی کشف شده در جهان است. گفتنی است که قوی‌ترین میدان مغناطیسی ایجاد شده در آزمایشگاه تاکنون فقط ۱۲۰۰ تسلا قدرت داشته است.

اگرچه این قوی‌ترین میدان مغناطیسی است که به طور مستقیم شناسایی شده است، اما این نظریه وجود دارد که حتی نسخه‌های قوی تری از ستاره‌های نوترونی به نام "مگنتار" یا ستاره مغناطیسی یا مغنااختر ممکن است دارای میدان‌های مغناطیسی با قدرت ۱۰۰ میلیارد تسلا باشند.

تَپ‌اختر‌ها (Pulsar) ستاره‌های نوترونی چرخانی هستند که با سرعت بسیار زیادی دوران می‌کنند و پالس‌های مداومی از انرژی تابشی به همراه خطوط میدان مغناطیسی قوی را از خود منتشر می‌کنند. برخی از تپ‌اختر‌ها نیز پرتو‌های ایکس تابش می‌کنند.

ستاره‌های نوترونی در حقیقت بقایای هسته ستاره منفجر شده‌ای هستند که حجم کوچک و چگالی بسیار بالایی دارند. برای نمونه، تپ‌اختری به قطر ۲۰ کیلومتر ۱.۵ برابر جرم خورشید را در خود جای داده است.

تپ‌اختر‌ها هنگام تولد دمایی در حدود چند میلیون درجه سلسیوس دارند و بلافاصله شروع به سرد شدن می‌کنند. نحوه و سرعت سرد شدن نیز به مواد تشکیل دهنده و چگالی آن‌ها بستگی دارد.

تاکنون بیش از ۱۰۰ تپ‌اختر مشخص شده‌اند. به جرات می‌توان گفت که هر یک از آن‌ها ستاره‌ای نوترونی است. تپ‌اختر سحابی خرچنگ سریع‌ترین آنهاست که انفجارات انرژی آن به میزان ۳۰ ضربان در ثانیه به ما می‌رسد و این میزان، ۳۰ چرخش در ثانیه را برای ستاره نوترونی پیشنهاد می‌کند.

سایر تپ‌اختر‌ها دارای میزان‌هایی تا حداقل یک ضربان در دو ثانیه هستند که این موضوع مبین چرخش بسیار آهسته این ستارگان نوترونی است. چون تپ‌اختر‌ها با پیر شدن آهسته‌تر می‌چرخند، در نتیجه تپ‌اختر خرچنگ جوان‌ترین تپ‌اختری است که تاکنون مشاهده شده‌است.

برخی تپ‌اختر‌ها پرتو‌های ایکس تابش می‌کنند که به نام "تپ‌اختر پرتوی ایکس" شناخته می‌شوند. سحابی خرچنگ واقع در صورت فلکی ثور یک نمونه قطعی از ستاره نوترونی است که طی یک انفجار ابرنواختری شکل گرفته‌است و منبع عظیمی از پرتوی ایکس است.

تحقیقاتی که توسط ماهواره‌های اشعه ایکس پیرامون ستاره‌های نوترونی صورت گرفته، حاکی از این است که در هر تپ‌اختر از دو نقطه اشعه ایکس گسیل می‌شود. ۱. سطح ستاره چنان داغ است که از خود اشعه ایکس گسیل می‌کند. ۲. ذرات باردار الکترومغناطیسی که در میدان مغناطیسی تپ‌اختر وجود دارند، هنگام حرکت در طول خطوط میدان از خود اشعه ایکس ساطع می‌کنند.

نوع بسیار متفاوتی از تپ‌اختر‌ها به وسیله تلسکوپ‌های پرتوی ایکس در برخی دوتایی‌های پرتوی ایکس دیده شده‌است. در این مورد، یک ستاره نوترونی و یک ستاره معمولی منظومه‌ای دو تایی را تشکیل می‌دهند. نیروی گرانش شدید ناشی از ستاره نوترونی ماده را از ستاره معمولی به سمت آن می‌کشد.

در این فرآیند، که "برافزایش" نام دارد، ماده چنان داغ می‌شود که تابش پرتوی ایکس تولید می‌کند. تپ‌های پرتوی ایکس وقتی دیده می‌شوند که نقاط داغ ستاره نوترونی چرخان در امتداد خط دید ناظر زمینی قرار بگیرند.

از طرفی "مگنتار" (Magnetar) یا ستاره مغناطیسی یا مغنااختر نوعی ستاره نوترونی است که میدان مغناطیسی بسیار نیرومندی دارد.

نظریه مربوط به مگنتار‌ها توسط "رابرت دانکن" و "کریستوفر تامسون" در سال ۱۹۹۲ ارائه شده‌است، ولی اولین انفجار اشعه گاما مربوط به یک مگنتار در ۵ مارس ۱۹۷۹ کشف و ثبت شد. در طول یک دهه بعد از آن فرضیه مگنتار به صورت گسترده به عنوان تکرارکننده اشعه گاما و اشعه ایکس غیرعادی اختر تپنده پذیرفته شد.

این تحقیق در مجله Astrophysical Journal Letters منتشر شده است.