تاريخ التقديم: 13 نوفمبر 2013
نقدّم نتائج دراستنا متعدّدة الأطوال الموجيّة (الراديو، ودون المِليميتر، وتحت الحمراء، والبصري، والأشعّة السينيّة) للنظام الثنائي للأشعّة السينيّة المُرشَّح لاحتواء ثقب أسود MAXI J1836−194 إبّان انفجاره عام 2011. نرصُد التطوّر الطيفي الكامل للانفجار عبر جميع الأطوال الموجيّة، ونتحرّى ما إذا كان تطوّر نقطة انكسار طيف النَّفاثة (الانتقال بين الانبعاث السنكروتروني السميك بصريًّا والرقيق بصريًّا) ناجمًا عن خصائص معيَّنة لتدفّق مادّة التراكم. تُظهر مشاهداتُنا أنّ هذا الانكسار لا يرتبط ببساطة بلمعان الأشعّة السينيّة ولا بنصف قُطر الحافة الداخليّة لقرص التراكم، بل يبدو أنّه يتحدَّد بعمليّات أشدّ تعقيدًا. وجدنا أنّ نصف قُطر منطقة تسريع الإلكترونات عند قاعدة النَّفاثة ينخفض من نحو \(\sim 10^6\) نصف القُطر الثقالي خلال الحالة المُتوسِّطة الصُّلبة إلى \(\sim 10^3\) نصف القُطر الثقالي مع خفوت الانفجار (بافتراض كتلة ثقب أسود قدرها \(8\, {\rm M_{\odot}}\))، ما يدلّ على أنّ الإلكترونات تتسارع على مسافات تفوق بكثير نصف قُطر القرص الداخلي، وأنّ خصائص النَّفاثة تتبدّل على نحو ملحوظ أثناء الانفجار. ومن خلال نمذجة الطيف العريض وقياساتنا الطيفيّة البصريّة عالية الدقّة، نستنتج أنّ انكسار التبريد السنكروتروني عند الطاقات العالية كان، في مطلع الانفجار، واقعًا في النطاق البصري بين \(\approx 3.2 \times 10^{14}\) هرتز و\(4.5 \times 10^{14}\) هرتز. نحسب أنّ للنَّفاثة قدرةً إشعاعيّةً كلّيةً تقارب \(\approx 3.1 \times 10^{36}\) إرغ/ث، أي نحو 6% من اللمعان الإشعاعي الإجمالي في ذلك الحين. نناقش كيف يمكن أن يتطوّر هذا الانكسار التبريدي خلال الانفجار، وكيف يحدّد هذا التطوّر القدرة الإشعاعيّة الكلّية للنَّفاثة. وبافتراض أنّ المصدر ثقبٌ أسود نجميّ الكتلة يمرّ بانتقالات حالاتيّة معياريّة، وانطلاقًا من الفيض المقاس ودرجة حرارة الذروة لمكوّن القرص، نُقدّر المسافة إلى المصدر بين 4 و10 كيلوفرسخ فلكي.
هناك ارتباطٌ واضح، لكنّه غير مفهومٍ جيّدًا، بين تدفّق مادّة التراكم إلى الداخل وتدفّق النَّفاثة إلى الخارج في الأجرام المُدمَجة المُتراكم عليها. توفّر أنظمة الأشعّة السينيّة الثنائيّة منخفضة الكتلة (LMXBs) مختبراتٍ ممتازة لدراسة هذه العلاقة، إذ تتطوّر عبر أنماط تراكم مميّزة خلال أسابيع أو أشهر، ما يتيح لنا دراسة جميع حالات تراكم المادّة في الجِرم نفسه ضمن أزمنةٍ بشريّة. ترتبط الانتقالات بين الحالات المعياريّة (انظر للمراجعة الكاملة) بتغيّراتٍ جذريّة في بُنية وقوّة النَّفاثات الخارجة . في الحالة الطيفيّة الصُّلبة، تُرصَد نَفاثةٌ مُتراصّة، وتوجد علاقة تناسبيّة بين تدفّق الراديو ولمعان الأشعّة السينيّة، يمكن تعميمها على نوى المجرّات النشطة (AGN) بأخذ الكتلة في الحسبان . لذا، فإنّ دراسة اقتران التدفق الداخل والخارج في هذه الأجرام تمنحنا فهمًا لكيفيّة انطلاق النَّفاثات في الأنظمة المُتراكِمة على جميع المقاييس الفيزيائيّة.
بينما تقضي الأنظمة الثنائيّة المؤقّتة المحتوية على ثقوب سوداء معظم حياتها في حالة خمود منخفضة اللمعان، تمرّ أحيانًا بمرحلة انفجار يرتفع فيها كلٌّ من لمعان الراديو والأشعّة السينيّة بصورة كبيرة. في بداية ونهاية مثل هذا الانفجار، تُرصَد هذه الأنظمة في الحالة الصُّلبة. خلال هذه الحالة، يهيمن على طيف الأشعّة السينيّة مكوّنٌ ذو قانون قوّة عريض مع مكوّن جسمٍ أسود ضعيف. في التصوّر التقليدي، يُعتقَد أنّ المكوّن الضعيف للجسم الأسود ينشأ من قرص تراكم مقطوع، في حين ينشأ قانون القوّة من تدفّق تراكم حارّ، سميك هندسيًّا، رقيق بصريًّا، وغير فعّال إشعاعيًّا في المناطق المركزيّة. وترتبط هذه الحالة أيضًا بنَفاثة مُتراصّة مستقرّة وذات امتصاص ذاتي جزئيّ بطيفٍ مسطّح أو مقلوب يُعتقَد أنّها تحمل جزءًا متزايدًا من طاقة التراكم مع انخفاض معدّل التراكم .
خلال انفجارٍ نموذجي، يبدأ النظام في الحالة الصُّلبة، ومع ازدياد لمعانه ينتقل عبر الحالة المُتوسِّطة الصُّلبة (HIMS) والحالة المُتوسِّطة اللَّينة (SIMS)، قبل أن يدخل الحالة اللَّينة. خلال هذا الانتقال، يتطوّر انبعاث النَّفاثة إلى عُقَدٍ منفصلةٍ لامعة وتُخمَد النَّفاثة المُتراصّة بما لا يقلّ عن 2.5 رتبة مقدار . في الحالة اللَّينة الكاملة، تُشِعّ معظم طاقة التراكم بكفاءة بواسطة قرص التراكم، ويهيمن على طيف الأشعّة السينيّة انبعاثٌ حراريٌّ لَيِّن من قرص تراكم رقيق هندسيًّا وسميك بصريًّا يمتدّ حتّى المدار الدائري المستقرّ الأدنى (ISCO) للثقب الأسود .
في نهاية الانفجار، ينخفض لمعان الأشعّة السينيّة على نحوٍ كبير ويعود المصدر عبر الحالات المُتوسِّطة إلى الحالة الصُّلبة. خلال هذا الانتقال، تتجدَّد النَّفاثة المُتراصّة تدريجيًّا، حيث تظهر أوّلًا في نطاق الراديو ثم في نطاق تحت الحمراء/البصريّ . قد يكون تعافي النَّفاثة التدريجي ناجمًا عن تطوّر قوّة النَّفاثة خلال الانفجار، كما يظهر من حركة نقطة انكسار طيف النَّفاثة، \(\nu_{\rm b}\) ، وهي الانتقال بين الانبعاث السنكروتروني السميك والرقيق بصريًّا.
وبينما لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت النَّفاثات تتكوّن من أزواج إلكترون/بوزيترون أم من مزيج إلكترون/بروتون ، فمن الواضح أنّ الإلكترونات مسؤولة عن معظم الإشعاع المرصود للنَّفاثة عبر عمليّات السنكروترون أو التبعثر كومبتون العكسي. يمتدّ الطيف الراديوي المسطّح أو المقلوب (أي \(\alpha \gtrsim 0\) حيث \(S_{\nu} \propto \nu^{\alpha}\)؛ )، والذي يُفسَّر بانبعاث سنكروتروني ذي امتصاص ذاتي جزئيّ من تجمّعات إلكترونيّة على مسافات مختلفة على طول النَّفاثة، حتّى تردّدٍ تصبح عنده النَّفاثة غير ذاتيّة الامتصاص. عند هذا التردّد، ينكسر طيف النَّفاثة السنكروتروني السميك بصريًّا إلى طيفٍ رقيق بصريًّا، حيث \(\alpha \approx -0.6\) .
يمثّل هذا الانكسار الطيفيّ المنطقةَ الأقرب إلى قاعدة النَّفاثة حيث تُسرَّع الإلكترونات أوّلًا من توزيعٍ حراري إلى توزيعٍ على قانون قوّة ، ربّما عبر التسريع بالصدمات الانتشاريّة ، وإن كانت الآليّة الدقيقة لا تزال غير معروفة. يُرصَد هذا الانكسار عادةً عند تردّدات الجيجاهرتز في نوى المجرّات النشطة وفي نطاق تحت الحمراء في أنظمة LMXB في الحالة الصُّلبة ، ويرتبط تردّد الانكسار ببُعد منطقة التسريع عن الثقب الأسود المركزي. وقد وُجد أنّه يقع في النطاق \(10 - 1000\, r_{\rm g}\) (حيث \(r_{\rm g}\) هو نصف القُطر الثقالي \(GM/c^2\)، مع \(G\) ثابت الجاذبيّة، و\(M\) كتلة الثقب الأسود، و\(c\) سرعة الضوء) من الثقب الأسود المركزي في الحالات الصُّلبة الأكثر لمعانًا .
تتنبّأ نظريّة النَّفاثة القياسيّة، سواء في نفاثات أنظمة LMXB أم AGN، بوجود ارتباطٍ إيجابي بين \(\nu_{\rm b}\) ولمعان المصدر، إذا كان موضع الانكسار مضبوطًا على المقياس نفسه (أي المسافة الطبيعيّة بوحدات \(r_{\rm g}\)) للنَّفاثة في جميع الأوقات . وبافتراض أنّ جزءًا ثابتًا من طاقة التراكم يُوجَّه إلى النَّفاثات ، يُتوقَّع أن يتناسب تردّد الانكسار الطيفي مع معدّل التراكم \(\dot{m}\) كالتالي: \(\nu_{\rm b} \propto \dot{m}^{2/3}\). في الحالة الصُّلبة غير الفعّالة إشعاعيًّا يكون لمعان الأشعّة السينيّة \(L_{\rm X} \propto \dot{m}^2\)، ما يؤدّي إلى علاقة \(\nu_{\rm b} \propto L_{\rm X}^{1/3}\) (انظر القسم 3.2 للمراجعة الكاملة).
أظهرت مشاهداتٌ حديثة أنّ نقطة انكسار طيف النَّفاثة تتحرّك نحو تردّداتٍ أدنى خلال الانفجار ، حيث يُفسَّر خمود انبعاث الراديو بأنّ نقطة الانكسار الطيفي تمرّ عبر نطاق الراديو من تردّداتٍ أعلى إلى أدنى قبل أن تعود في الانتقال العكسي.
عند تردّدات أعلى (فوق \(\nu_{\rm b}\)) يمكن أن يحدث انكسارٌ إضافي في طيف النَّفاثة (إلى ميلٍ أكثر انحدارًا بمقدار \(\Delta \alpha=0.5\)) بسبب فقدان الإلكترونات الأعلى طاقةً جزءًا كبيرًا من طاقتها عبر الإشعاع خلال أزمنةٍ أقصر من الزمن الديناميكي للمصدر . وقد اقتُرح أنّ هذا الانكسار التبريدي (\(\nu_{\rm c}\)؛ الذي لوحظ تطوّره مع الزمن من نطاق الأشعّة السينيّة إلى النطاق البصري في انفجارات أشعّة جاما ) ينتقل من طاقاتٍ فوق بنفسجيّة خلال حالات تراكم منخفضة في LMXBs إلى طاقات الأشعّة السينيّة عند حالات تراكم مرتفعة . ومع ذلك، قد يعتمد تطوّر \(\nu_{\rm c}\) أيضًا على عوامل أخرى مثل شدّة المجال المغناطيسي .
في هذا البحث نقدّم نتائج حملة رصدٍ شبه متزامنة في الراديو، ودون المِليميتر، وتحت الحمراء، والبصري، وفوق البنفسجي، والأشعّة السينيّة لمصدر MAXI J1836−194 خلال انفجاره عام 2011. اكتُشف المصدر في حالة انفجار يوم 30 أغسطس 2011 بواسطة MAXI/GSC على متن محطّة الفضاء الدوليّة ، وصُنِّف كمُرشّح لاحتواء ثقبٍ أسود مع دوران \(a = 0.88\pm0.03\) . المصدر منخفضُ المَيْل (بين \(4^{\circ}\) و\(15^{\circ}\)؛ انظر الورقة المصاحبة TDR13) وانتقل من الحالة الصُّلبة إلى الحالة المُتوسِّطة الصُّلبة يوم 11 سبتمبر 2011 . وبدلًا من الانتقال إلى الحالة اللَّينة الكاملة، بلغ أقصى حالةٍ طيفيّةٍ لَيّنة يوم 16 سبتمبر 2011، ليُصنَّف الانفجار لاحقًا على أنّه «فاشل» ؛ ثم عاد المصدر إلى الحالة الصُّلبة يوم 28 سبتمبر 2011 قبل أن يخفت نحو الخمود . قدّمت (DMR13) تطوّر طيف النَّفاثة المُتراصّة من الراديو وتحت الحمراء والبصري وفوق البنفسجي خلال الانفجار. هنا، نُضيف مشاهدات الأشعّة السينيّة ونقوم بنمذجة الطيف العريض الكامل، مع تفصيل التغيّرات في تدفّق مادّة التراكم التي قد تقود تطوّر النَّفاثة المُتراصّة.
في القسم 2 نصفُ جمع البيانات ومعالجتها. ونُفصّل النموذج الطيفيّ المستخدم في القسم 3. في القسم 4 نعرض أفضل النماذج لجميع تواريخ الرصد، ونفصّل تطوّر معلمات المصدر خلال الانفجار والانخفاض حتّى لمعان أشعّةٍ سينيّة أدنى بمرتبة مقدار من الذروة. في القسم 5 نناقش تطوّر تدفّق مادّة التراكم والتغيّرات المصاحبة في النَّفاثة خلال الانفجار، كما نقارن مشاهداتنا بالعلاقات المتوقّعة ونُقدّر المسافة إلى المصدر. ويُعرض ملخّص النتائج في القسم 6.