اكتشاف طريقة لاستخدام النجوم النابضة لتحديد الأجسام الخفية الموجودة في مجرتنا

استخدام النجوم النابضة لتحديد الأجسام الخفية

في اكتشاف رائد، وجد العلماء طريقة لاستخدام النجوم النابضة لتحديد الأجسام الخفية العائمة في درب التبانة. ويمكن لهذا النهج المبتكر أن يكشف عن كواكب ضخمة مارقة أو حتى المادة المظلمة، مما سيحدث ثورة في فهمنا للمجرة.

يقود البروفيسور جون لوسيكو من جامعة نوتردام البحث الذي يعتمد على مبادئ النسبية العامة. ومن خلال تسخير قوة النجوم النابضة، يهدف الفريق إلى اكتشاف موجات الجاذبية وتحديد وجود تركيزات كتلية غير مرئية.

النجوم النابضة (pulsar)، هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران ولدت من انفجار المستعرات العظمى، تبعث نبضات من الضوء حيث يمكن استخدامها كساعة كونية. إن أدوات ضبط الوقت السماوية هذه دقيقة للغاية لدرجة أنها تتفوق حتى على أدوات ضبط الوقت الأكثر تقدمًا التي صنعها الإنسان.

محتويات المقال :

العلاقة بين النجوم النابضة والجاذبية

العلاقة بين النجوم النابضة والجاذبية تكمن في قلب نظرية النسبية العامة لأينشتاين. ووفقًا لهذا المفهوم الأساسي، فإن مرور الوقت يتأثر بوجود مجال الجاذبية. وكلما اقتربت من جسم ضخم، كلما تحرك الوقت بشكل أبطأ. هذه الظاهرة، المعروفة باسم تمدد الزمن الثقالي (بفعل الجاذبية) (Gravitational time dilation)، دقيقة للغاية لدرجة أنها تتطلب قياسات دقيقة بشكل لا يصدق للكشف عنها.

مصفوفة توقيت النجم النابض (Pulsar Timing Array)، وهي شبكة من النجوم النابضة المنتشرة عبر المجرة، تم فهرستها بدقة من قبل العلماء على مر السنين. ومن خلال الجمع بين البيانات من النجوم النابضة المتعددة، يمكن للباحثين إنشاء مرصد واسع يمتد عبر المجرة، قادر على اكتشاف الهمسات الخافتة لموجات الجاذبية. هذه المجموعة حساسة للغاية لدرجة أنها تستطيع التقاط تأخيرات دقيقة في أوقات وصول النبضات، مما يسمح للعلماء بتحديد وجود الأجسام الضخمة الكامنة في ظلال درب التبانة.

علم النجوم النابضة

غالبًا ما يشار إلى النجوم النابضة على أنها أكثر أجهزة ضبط الوقت دقة في الكون، وذلك لسبب وجيه. حيث تطلق هذه النجوم النيوترونية سريعة الدوران نبضات من الضوء بانتظام لا يصدق، مما يجعلها مثالية لدراسة ظواهر الجاذبية المعقدة. ولكن ما الذي يجعل النجوم النابضة تمثل ساعات استثنائية، وكيف تمكن العلماء من اكتشاف تركزات كتلية غير مرئية في درب التبانة؟

لفهم آلية عمل النجم النابض، دعونا نتعمق في آثار انفجار المستعر الأعظم. عندما ينهار نجم ضخم، يصبح قلبه كثيفًا جدًا لدرجة أنه يدور بسرعة كبيرة، مما يؤدي إلى تكوين نجم نيوتروني. أثناء دوران النجم، تنبعث منه حزم من الإشعاع الكهرومغناطيسي التي تجتاح الفضاء، مما يخلق تأثير يشبه المنارة. ويمكن اكتشاف هذه الحزم على شكل نبضات من الضوء، وهي “دقات” الساعة الكونية.

إن مفتاح استخدام النجوم النابضة كمراصد لموجات الجاذبية يكمن في استقرارها الملحوظ. لأن فترة دوران النجم النابض متسقة للغاية بحيث يمكن استخدامها كمؤقت دقيق، مما يسمح للعلماء بقياس أوقات وصول هذه النبضات بدقة غير عادية. من خلال مراقبة فترات النبض، يمكن للباحثين تحديد الاضطرابات الصغيرة في التوقيت، والتي يمكن أن تكون مؤشرا على موجات الجاذبية أو الأجسام الضخمة التي تمر بالقرب من النجم النابض.

استخدام النجوم النابضة لتحديد الأجسام الخفية

يكمن مفتاح الكشف عن هذه الأجسام المخفية في التوقيت الدقيق للنجوم النابضة. ومن خلال إزالة حركة الأرض والنجم النابض نفسه، يمكن للباحثين تحديد الفاصل الزمني الدقيق بين النبضات. وإذا مر جسم ضخم أمام النجم النابض، فسيتسبب في تأخير بسيط في النبضة، يمكن قياسه بالميكروثانية. ويعتبر هذا التأخير علامة تشير إلى وجود تركيز كتلة غير مرئية.

الجانب الأكثر إثارة للاهتمام في هذا الاكتشاف هو أن الكتل المعنية يمكن أن تكون صغيرة نسبيًا، حيث يصل وزن بعض المرشحين إلى خُمس كتلة الشمس فقط. وهذا يثير أسئلة أكثر من الإجابات: هل هذه الأجسام ذات طبيعة كوكبية، أم أنها شيء أكثر غرابة؟ هل هي مرتبطة بالمادة المظلمة أم أنها كيانات منفصلة تمامًا؟

عملية معقدة

غالبًا ما توجد النجوم النابضة في أنظمة ثنائية، تدور حول جسم آخر، والأرض نفسها تتحرك حول الشمس. وللحصول على الفاصل الزمني الدقيق لإشارات النجم النابض، يجب على العلماء إزالة هذه الحركات من المعادلة. يؤكد البروفيسور جون لوسيكو على مدى تعقيد هذه العملية فالنجم النابض لا يوجد في عزلة. وتأتي هذه النبضات من النجوم النابضة بالميلي ثانية، والتي يوجد الكثير منها في ثنائيات. لذا فهي تتحرك في مدار حول جسم آخر ولذا عليك إزالة كل تلك الحركة من المعادلة.

المردود يستحق هذا الجهد. لأنه إذا مر جسم ضخم أمام النجم النابض، فسيتسبب في تأخير الإشارة، يمكن قياسه بالميكروثانية. وبالنسبة لمصفوفة توقيت النجم النابض، فإن التأخير بمقدار 10 ميكروثانية، أي ما يعادل تأثير الجاذبية لجسم بحجم الشمس، يمثل قيمة كبيرة. من خلال تحليل الإشارات الصادرة عن 65 ميلي ثانية من النجوم النابضة التي تم تتبعها على مدى 10,000 يوم، حدد الفريق 12 اكتشافًا مرشحًا، مع إظهار بعض الأحداث ذات أهمية إحصائية عالية.

الغموض ينكشف

إن اكتشاف هذه التركيزات الكتلية الغامضة العائمة في مجرة درب التبانة يثير أسئلة أكثر من الإجابات. والخبر السار هو أن هذه الأجسام الغامضة بدأت تكشف عن نفسها من خلال التوقيت الدقيق للنجوم النابضة. وعند تحليل التأخير الدقيق في إشارات النجم النابض، يمكن للعلماء استنتاج وجود أجسام ضخمة كامنة في المنطقة المجاورة. ولكن لتحديد طبيعتها، هناك حاجة إلى مزيد من البحث.

الآثار المترتبة على هذا الاكتشاف عميقة. إذا كانت هذه الأجسام هي بالفعل كواكب ضخمة مارقة، فقد تعيد كتابة فهمنا لتكوين الكواكب وتطورها. إذا كانت هذه المادة مظلمة، فيمكن أن تسلط الضوء على أحد أكثر أسرار الكون ديمومة. مهما كانت طبيعتها، هناك شيء واحد مؤكد، وهو أن الكون لديه العديد من الأسرار التي تنتظر الكشف عنها، والنجوم النابضة جاهزة لإرشادنا في رحلة الاكتشاف هذه.