بزرگترین تلسکوپ رادیویی جهان در جستجوی اسرار یک منبع کیهانی

رادیو تلسکوپ کروی پنج متری چین بیش از 1600 انفجار سریع رادیویی را در یک سیستم مرموز شناسایی کرده است.

انفجارهای سریع رادیویی یا FRBها، یکی از بزرگترین رازهای جهان ما هستند. این فوران‌ها از اعماق فضا می‌آیند و می‌توانند در عرض چند میلی ثانیه چشمک زده و سپس محو شوند. با این‌حال، هرکدام از آن‌ها می‌تواند به اندازه تابش خورشید در طول یکسال، انرژی آزاد کند. در طول روز می‌توان شاهد چندین درخشش در آسمان بود، اما به نظر می‌رسد اکثر آن‌ها فقط یکبار اتفاق می‌افتند و بدین ترتیب یافتن آن‌ها در آسمان کاری دشوار است. FRBها که برای اولین بار در سال 2007 کشف شدند، دانشمندان را در کشف ریشه‌های مبهم خود به چالش کشیدند. دانشمندان همچنین در مورد نحوه استفاده از آن‌ها به عنوان ابزارهای منحصر به فرد برای کاوش در اعماق فضای بین کهکشانی به فکر فرو رفتند.

در حال حاضر، با استفاده از بزرگترین تلسکوپ رادیویی تک دیش در جهان، یک تیم بین‌المللی موفق شده است تا بزرگترین مجموعه رویدادهای FRB را که در تاریخ کشف شده است، گزارش دهد. طبق مقاله‌ای که در مجله نیچر به چاپ رسیده، رادیو تلسکوپ کروی پنج متری FAST که در جنوب غربی چین قرار دارد، موفق شد تا در ماه‌های آگوست و اکتبر 2019، تعداد 1652 انفجار کوتاه و درخشنده را از یک منبع تکراری FRB در یک کهکشان کوتوله ثبت کند. این کهکشان در حدود سه میلیارد سال نوری با ما فاصله دارد. در این مجموعه رصدها، علاوه بر افزایش چشمگیر تعداد کل رویدادهای FRB شناخته شده، مشاهدات طیف وسیعی از روشنایی‌ها را در میان رویدادهای ثبت شده نشان می‌دهد و سرنخ‌های جدیدی در مورد ماهیت نجومی فیزیک این منبع اسرارآمیز در اختیار قرار می‌دهد.

«اِمیلی پتروف»، اخترفیزیکدان دانشگاه آمستردام هلند و دانشگاه مک‌گیل کانادا در این‌باره می‌گوید: «این مطالعه بسیار دقیق است. سطحی از جزئیات و حساسیت در آن درنظر گرفته شده که بی‌سابقه است. چنین تجزیه و تحلیل عمیقی از منابع، در آینده‌ای نزدیک به یک اولویت اصلی در تحقیقات FRB تبدیل خواهد شد.»

گروه انفجارها

اولین FRBها در آسمان آبی شفاف، همانند رعد و برق خود را نشان دادند. هیچ نظریه‌ای وجود آن‌ها را پیش‌بینی نکرده بود. ابتدا، محققان بدون داشتن هیچ اطلاعاتی تلاش کردند به کمک چند ایده، این پدیده را توضیح دهند. این توضیحات شامل فوران مغناطیسی هنگام چرخش ستارگان نوترونی و یا انتشار نور از سفینه‌های فضایی بیگانگان بود. برای مدتی – پیش از آنکه FAST و دیگر تلسکوپ‌ها شروع به شکار FRB کنند – این شوخی میان نظریه‌پردازان وجود داشت که تعداد نظریه‌های توصیف کننده FRB بیشتر از تعداد رخ دادن آن‌ها در عالم است.

• 

پس از مدتی، اولین منبع تکراری از انفجار در سال 2016 شناسایی شد که آن را FRB 121102 نامیدند. آمار بدست آمده از اطلاعات جمع‌آوری شده از آشکارسازها نشان می‌دهد که حدود 20 درصد از FRBها بیش از یکبار اتفاق می‌افتند. تکرار FRBها به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد تا مشاهدات خود را با دقت بیشتری مطالعه کنند. FRB 121102 همچنان بهترین منبع برای مطالعه در این زمینه است. پیش از FAST، دانشمندان از سایر تلسکوپ‌های رادیویی برای تحقیقات خود استفاده می‌کردند. به عنوان مثال، مشخص شده بود که FRB 350 منبعی است که ستارگان جوان در آن در حال شکل‌گیری هستند. پتروف می‌گوید: «در مطالعه یک منبع یکسان، درحالی که تلسکوپ‌های رادیویی قادر به تولید دو صد پالس هستند، تلسکوپ FAST می‌تواند بیش از هزار پالس تولید کند. این خارق‌العاده است.»

«دی لی»، نویسنده اصلی مقاله و دانشمند ارشد FAST می‌گوید: «به لطف حساسیت بی‌نظیر تلسکوپ FAST که می‌تواند پالس‌های کم انرژی‌تری را دریافت کند که سایر تلسکوپ‌ها قادر به دریافت آن نیستند، می‌توانیم نتایج فوق‌العاده‌ای بدست آوریم.» هنگامی که تیم مشاهدات آزمایشی خود را در مرحله راه‌اندازی تلسکوپ شروع کردند، دریافتند که FRB 121102 در جنب و جوش و فعالیت است و اغلب پالس‌های روشنی منتشر می‌کند. بنابراین آن‌ها تصمیم گرفتند روزانه حدود یک ساعت تنها به نظارت آن اختصاص دهند. انفجارها در حقیقت، بسیار شدیدتر از حد انتظار بود. تیم تحقیقاتی در برخی نقاط شاهد یک انفجار در هر 30 ثانیه بود.

انفجارها به دو دسته تقسیم می‌شوند: انفجارهایی با روشنایی بالا و با روشنایی کم. «دانکن لوریمر»، یکی دیگر از نویسندگان از دانشگاه ویرجینیای غربی که اولین FRB را در سال 2007 کشف کرد، می‌گوید: «دسته‌بندی انفجارها ممکن است به علت دو مکانیسم فیزیکی متمایز باشد که علت اصلی انفجار هستند.»

با این حال هنوز به صورت دقیق مشخص نیست که این مکانیسم‌ها چطور رفتار می‌کنند. از آنجا که مجموعه پالس‌ها چنین انرژی بالایی را از خود نشان می‌دهند و هیچ دوره تناوب کوتاه مدتی (که می‌تواند نشانه‌ای برای وجود منبعی باشد که با سرعت معینی در حال چرخش یا گردش است) را نتیجه نمی‌دهند، لی معتقد است که او و همکارانش، احتمال اینکه FRB 121102 از یک جسم به نسبت کوچک مانند یک ستاره نوترونی در حال چرخش و یا سیاهچاله باشد را با درصد اطمینان مناسبی رصد کرده‌اند.

برخی دیگر در نتیجه‌گیری‌های مشابه تردید دارند. برای مثال «زیگائو دای»، فیزیکدان نظری از دانشگاه علم و صنعت چین در Hefei می‌گوید: «من فکر می‌کنم منبع FRB 121102 یک مگنتار است. یک نوع خاص از ستاره نوترونی با میدان مغناطیسی سطحی فوق‌العاده قوی. میدان مغناطیسی زمانی سبب ارتعاش ستاره می‌شود که لایه‌های بیرونی ستاره تحت تنش ناشی از تغییرات ناگهانی میدان مغناطیسی واقع شود. این رخداد را می‌توان با زلزله روی سطح زمین نیز مقایسه کرد که در آن، مکانیسم‌های مختلفی مانند حرکت صفحات تکتونیکی سبب زلزله می‌شود. پس می‌توان چنین سناریویی را برای FRB 121102 نیز متصور شد.»

FRBها روی دور تند

لوریمر می‌گوید: «FAST برای مطالعاتی مانند این – که تجزیه و تحلیل عمیقی نیاز دارد – منبعی تکرارنشدنی و بسیار عالی است. در حالیکه یافتن FRBها چندان هم دشوار نیست، حساسیت بسیار زیاد تلسکوپ به ما اجازه می‌دهد به نتایجی برسیم که دیگر تلسکوپ‌ها قادر نیستند آن را در اختیار ما قرار دهند. از سوی دیگر، همزمانی استفاده از FAST و سایر تلسکوپ‌های رادیویی مانند آزمایش نقشه‌برداری از قدرت هیدروژن در کانادا (CHIME)، که به لطف میدان دید وسیع خود نیروگاهی بالقوه برای تشخیص FRBها در هر نقطه آسمان است، بهترین عملکرد را در اختیار محققان قرار می‌دهد.»

• 

در اوایل سال جاری میلادی، FAST دومین فراخوان عمومی خود را به منظور شنیدن پیشنهادات مخاطبین اعلام کرد و حدود 15 تا 20 درصد از نتایج کل زمان رصد این تلسکوپ را در اختیار جامعه بین‌المللی قرار داد. FAST در سال 2016 تکمیل شد و با تلسکوپ نمادین Arecibo در پورتوریکو به عنوان بزرگترین تلسکوپ رادیویی تک دیش در جهان شناخته شد.

پتروف که عضو گروه‌های CHIME/FRB است، می‌گوید: «تیم او در حال حاضر به علت مشاهداتی که انجام داده و مدت زمانی که با FAST کار کرده است، پاداشی دریافت می‌کند.» به گفته لی، برای گسترش مطالعات، برنامه‌های بین‌المللی مورد تایید نیز آغاز شده‌اند. از آنجا که به علت گسترش ویروس کرونا سفرهای بین‌المللی با محدودیت روبرو است، دانشمندان خارجی مجبورند تا برنامه خود را اندکی با تعویق برگزار کنند.

لی خاطر نشان کرد: «ما به منظور کاهش نگرانی‌ها و حفظ اطلاعات با دانشمندان به صورت فردی کار کرده‌ایم. کارکنان FAST استقبال گرمی از دانشمندان این پروژه خواهند داشت و به محض عادی شدن سفرهای بین‌المللی پروژه از سر گرفته خواهد شد.»

آینده‌ای انقلابی

به گفته لی، درحالیکه FAST به دنبال منابع جدید می‌گردد، FRB 121102 را نیز زیرنظر خواهد داشت. در واقع، تیم محققان به دنبال منبع دیگری نیز هستند که بتواند کارآمدتر از FRB 121102 باشد. دانشمندان عقیده دارند که برای دستیابی به پیشرفت‌های بیشتر، احتمالا نیاز به تلاش‌ همزمان چندین تلسکوپ در سراسر جهان است که قادرند نور، نوترینوها و امواج گرانشی را مشاهده کنند.

لوریمر می‌گوید: «به عقیده من نجوم FRBها هنوز در مرحله نوجوانی است. ما اطلاعات زیادی در مورد FRBها داریم. اما هنوز بسیاری نظریه‌ وجود دارند که باید از صحت آن‌ها اطمینان حاصل کنیم. گام بعدی، یافتن کهکشان‌های مختلف و تجزیه و تحلیل عمیق داده‌هایی است که گروه FAST بدست می‌آورد. با تلاش فراوان و شاید کمی شانس، امید است که بتوانیم انقلابی در دنیای FRBها ایجاد کنیم و از راز آن‌ها سر در آوریم. بدین ترتیب خواهیم توانست پنجره‌ای جدید روی پدیده‌های نجومی با انرژی بالا و مدت زمان کوتاه باز کنیم.»