مقدّمة

الأنظمةُ الثنائيّة للأشعّة السينيّة هي أنظمةٌ يتراكم فيها جسمٌ مُضغَط، إمّا ثقبٌ أسود أو نجمٌ نيوتروني، المادّةَ من نجمٍ مرافق. لقد دُرست خصائصُ الاستقطاب لانبعاث الأنظمة الثنائيّة لثقوبٍ سوداء للأشعّة السينيّة (BHXBs) على نحوٍ جيّد عند التردّدات الراديويّة ، ومؤخّراً نالت بعضَ الاهتمام عند التردّدات البصريّة وتحت الحمراء. في النطاق البصري، قد يتبدّل الاستقطابُ الناجم عن تشتّت انبعاثٍ حراري غير مُستقطَب أصلاً مع فترة المدار، بما يفرض قيوداً على الخصائص الفيزيائيّة والهندسيّة للنظام . عند التردّدات الراديويّة، وفي بعض الحالات عند التردّدات البصريّة/تحت الحمراء، قد يكون الاستقطابُ المتغيّر ناجماً عن انبعاثٍ سِنكروتروني من النفاثات المُنطلِقة جرّاء عمليّة التراكم على الثقب الأسود أو النجم النيوتروني في الأنظمة الثنائيّة للأشعّة السينيّة .

قبل أكثر من ثلاثين عاماً، أُجرِيَت قياساتُ استقطاب عند طاقات الأشعّة السينيّة لبعض الأنظمة الثنائيّة باستخدام مُستقطِبٍ بلّوري من نوع براغ على متن القمر الصناعي OSO 8. وقد قِيسَ الاستقطابُ الخطي للنظام الثنائي عالي الكتلة (HMXB) والميكروكوازار Cygnus X–1 ليكون بين 2–5% عند \( 2.5\!-\!5.2 \) keV . ومنذ ذلك الحين لم تتوافر لدى أيّ كاشفِ أشعّةٍ سينيّة قدرةُ قياس خصائص الاستقطاب للأنظمة الثنائيّة بالدقّة المطلوبة. حديثاً، استُخدم القمر الصناعي INTEGRAL، باستراتيجياتٍ مُبتكَرة، لتقدير الاستقطاب في سديم السرطان ، وCygnus X–1 وبعض انفجارات أشعّة \( \gamma \) عند طاقات الأشعّة السينيّة الصلبة–أشعّة \( \gamma \). وُجد أنّ استقطاب أشعّة \( \gamma \) في Cyg X–1 مرتفعٌ جدّاً، \( 67 \pm 30 \)% عند \( 0.4\!-\!2 \) MeV باستخدام أداة IBIS على متن INTEGRAL ، وأُكِّد لاحقاً بواسطة أداة SPI، \( 76 \pm 15 \)% عند \( 0.23\!-\!0.85 \) MeV . الآليّةُ الوحيدة القادرة على إنتاج استقطابٍ بهذا المستوى عند هذه الطاقات هي الانبعاثُ السِنكروتروني الرقيق بصريّاً، وقد أُشير إلى أنّ الإلكتروناتِ عاليةَ الطاقة في النفاثة هي مصدرُ الاستقطاب . أكّدت النمذجةُ الطيفيّة المفصّلة لانبعاث keV–MeV وkeV–GeV في Cyg X–1 وجودَ ذيلٍ عند MeV في الحالة الصلبة، قد يكون ناشئاً إمّا عن كومبتنةٍ هجينَة أو عن مكوّنٍ سِنكروتروني. هنا نعتمد تصنيفات الحالات كما في . إذا كانت مستوياتُ الاستقطاب العالية عند \( 0.2\!-\!2 \) MeV موثوقة، فالسنكروترون هو الآليّةُ المُرجَّحة، وتتوافق النماذجُ النفاثيّة مع كون ذيل MeV امتداداً عاليَ الطاقة لقانونِ قوّةٍ سِنكروتروني رقيق بصريّاً يمتدّ من الأطوال الموجيّة تحت الحمراء . بدلاً من ذلك، اقتُرح أنّ تدفّقَ تراكمٍ ساخن يمكن أن يُنتج أيضاً انبعاثاً سِنكروترونيّاً عاليَ الاستقطاب عند طاقات MeV؛ ويتطلّب ذلك حركةً أُحاديّةَ البُعد للإلكترونات على طول خطوطِ مجالٍ مغناطيسي مُنظَّمٍ للغاية في المناطق الداخليّة للتدفّق الساخن . في هذه الحالة، ينبغي أن تهيمنَ منطقةٌ صغيرة من التدفّق الساخن ذاتُ اتجاهٍ مُفضَّل على انبعاث MeV، إذ إنّ خطوطَ المجال التي تخترق التدفّق من مختلف أجزاء قرص التراكم الداخلي ستكون مُتباينةَ الاتجاهات.

الانبعاثُ السِنكروتروني الرقيق بصريّاً مُستقطَبٌ ذاتيّاً. فإذا كان المجالُ المغناطيسي المحلّي في منطقة الانبعاث مُنظَّماً، يُلاحَظ استقطابٌ خطّي صافٍ. أمّا إذا كان المجالُ مُتشابكاً، فإنّ تبايُن زوايا الضوء المُستقطَب يُقلِّل من الاستقطاب المتوسّط المرصود. ويبلغ الحدّ الأقصى للكسر الخطي للاستقطاب \( \sim 70\!-\!80 \)% في حالة المجال المُنظَّم تماماً ، ويعتمد فقط على درجة انتظام المجال وتوزيع طاقة الإلكترونات (انظر أيضاً القسم 3). عندما يكون انبعاثُ الراديو في BHXBs متوافقاً مع سِنكروترونٍ رقيق بصريّاً (وغالباً ما يحدث ذلك أثناء انتقالات الحالة في الأشعّة السينيّة)، يُكتشَف هذا التوقيعُ الاستقطابي عند مستوياتٍ مُرتفعة نسبيّاً؛ \( \sim 10\!-\!30 \)% ، حيث يكون الانبعاثُ من قذائف نفاثةٍ منفصلة أو من تفاعلاتٍ مع الوسط بين النجمي، وغالباً ما تُرى هذه القذائف مفصولةً في صور الراديو. تكون زاويةُ الموضع (PA) للاستقطاب في هذه القذائف كثيراً (لكن ليس دائماً) موازيةً تقريباً لمحور النفاثة الراديويّة المرصودة، ما يعني أنّ متّجهَ المجال الكهربائي موازٍ لمحور النفاثة وأنّ المجالَ المغناطيسي مُتعامدٌ مع محور النفاثة. وقد يكون ذلك بسبب ضغط خطوطِ المجال المغناطيسي المتشابكة في الصدمات أسفل التدفّق أو التصادمات مع مناطق كثيفة من الوسط بين النجمي، ما يُفضي إلى مجالٍ عرضيٍّ مُنظَّم جزئيّاً.

من المعروف أنّ النفاثاتِ المخروطيّة المُدمجة تُنتج طيفاً مُسطَّحاً أو مقلوباً قليلاً من الراديو إلى التردّدات تحت الحمراء في BHXBs . هذه النفاثاتُ المُنطلِقة باستمرار تختلف عن القذائف المنفصلة؛ إذ تتكوّن أطيافُها من مكوّناتٍ سِنكروترونيّة متداخلة وممتصّة ذاتيّاً (سميكة بصريّاً) تنشأ من توزيعات إلكتروناتٍ بطاقاتٍ مختلفة تتحرّك على طول النفاثة، على غرار ما يحدث في نوى المجرّات النشطة . في BHXBs، تُنتج هذه النفاثاتُ المُدمجة عندما يكون المصدر في الحالة الصلبة للأشعّة السينيّة . وقد كُشف استقطابٌ خطّي من هذا الطيف المُسطَّح السميك بصريّاً عند مستوى بضعةٍ في المئة عند التردّدات الراديويّة في بعض BHXBs . وعند تردّدٍ مُعيَّن، غالباً ما يقع في النطاق تحت الأحمر، ينكسر هذا الطيفُ السِنكروتروني إلى طيفٍ رقيق بصريّاً، مع \( -1 \leq \alpha_{\rm thin} \leq -0.4 \). وقد عُزل طيفُ قانون القوّة للانبعاث الرقيق بصريّاً في عدّة BHXBs في النطاق تحت الحمراء/البصري ، كما كُشف هذا الكسرُ نفسه في بعض BHXBs في النطاق تحت الحمراء المُتوسّطة .

حتى الآن لم تُحاول سوى دراساتٍ قليلة الكشفَ عن التوقيع الاستقطابي للانبعاث السِنكروتروني الرقيق بصريّاً من النفاثات المُدمجة في الحالة الصلبة في BHXBs. ينشأ هذا الانبعاثُ بالقرب من قاعدة النفاثة، في منطقةٍ يُحتمل أن تكون مرتبطةً ببداية تسريع الجُسيمات في النفاثة . وقد يكون الاستقطابُ المرصود من هذه المنطقة أعلى انتظاماً مقارنةً بالمناطق الأبعد في النفاثة، حيث قد يحافظ المجالُ على درجةٍ كبيرة من الانتظام فوق منطقةِ انبعاثٍ أصغر . لذلك تُوفِّر قياساتُ الاستقطاب لطيفِ قانون القوّة الرقيق بصريّاً أداةً قويّة لاستقصاء طبيعةِ بُنية المجال المغناطيسي في هذه المنطقة، وهو أمرٌ مهمّ لنماذج ومحاكاة إنتاج النفاثات. في النطاق البصري/تحت الحمراء للأنظمة الثنائيّة للأشعّة السينيّة، كثيراً ما تهيمن مكوّناتٌ أخرى مثل قرص التراكم والنجم المرافق، ما يُضعِف أيَّ مساهمةٍ سِنكروترونيّة في الاستقطاب؛ لكن عندما تكون مساهمةُ السنكروترون قويّة، فقد كُشف استقطابٌ ذاتي . ويبلغ الكسرُ الخطي للاستقطاب (FLP) نحو \( \sim 1\!-\!10 \)%، مع دلائلَ على تغيّراتٍ سريعة في بعض المصادر على مقاييسَ زمنيّة من ثوانٍ إلى دقائق. وغالباً ما تكون زاويةُ الموضع مُتعامدةً تقريباً مع محور النفاثة الراديويّة المرصودة عندما تكون هذه الزاوية معروفة، ما يعني أنّ المجالَ المغناطيسي موازيًا لمحور النفاثة. وتتوافق الملاحظاتُ حتى الآن مع هندسةِ مجالٍ مغناطيسي مُتغيِّر وغالباً مُتشابك، مع خطوطِ مجالٍ مُوجَّهةٍ تفضيليّاً على طول محور النفاثة.

نُقدِّم هنا قياساتِ استقطابٍ جديدة عالية الدقّة في تحت الأحمر القريب لـ Cyg X–1، وهو نظامٌ ثنائي نشِط دائماً في الأشعّة السينيّة ومعروفٌ بإطلاق نفاثةٍ قويّة . نجمع توزيعاتِ الطاقة الطيفيّة (SEDs) الأرشيفيّة وجميع قياسات الاستقطاب المنشورة للمصدر حتى الآن، ونسعى إلى نمذجة طيفِ الفيض متعدّد الأطوال الموجيّة، وطيفِ الكسر الخطي للاستقطاب، وطيفِ زاويةِ الموضع على نحوٍ مُتَّسقٍ ذاتيّاً. يصف القسم 2 تجميعَ البيانات ومعالجتَها، ويُعرَض النموذجُ والنتائج في القسم 3. ويأتي النقاشُ في القسم 4، بما في ذلك تنبّؤاتٌ للكشف المُستقبلي عن استقطاب الأشعّة السينيّة في الأنظمة الثنائيّة. وتُختَم الدراسةُ بالاستنتاجات في القسم 5.

\( ^{a} \) PWV هو بخارُ الماء الراسب (مم).