الأرصاد الراديوية للنَّفّاث في الحالة الصلبة خلال انفجار 2011 للمصدر MAXI J1836-194

ت. د. رَسِل،\(^{1}\) ج. سي. إيه. ميلر-جونز،\(^{1}\) ب. إيه. كُوران،\(^{1}\) ر. سوريا،\(^{1}\) د. ألتاميرانو،\(^{2}\)

س. كُوربيل،\(^{3,4}\) م. كُورْيَا،\(^{5}\) أ. موين،\(^{6,7}\) د. م. رَسِل،\(^{6}\) ج. ر. سيفاكوف،\(^{8}\)

ت. ج. سلافِن-بلير،\(^{1}\) ت. م. بيلوني،\(^{9}\) ر. ب. فِندَر،\(^{10}\) س. هاينز،\(^{11}\) ب. ج. جونكر،\(^{12,13,14}\)

ه‍. أ. كْرِمّ،\(^{15,16}\) إ. ج. كوردينغ،\(^{14}\) د. مايترا،\(^{17}\) س. ماركوف،\(^{18}\) م. مِدلتون،\(^{19}\)

س. ميغلياري،\(^{20}\) ر. أ. رِميلارد،\(^{21}\) م. ب. رُوبِن،\(^{22,23}\) س. ل. سارازين،\(^{24}\) أ. ج. تيتارينكو،\(^{8}\)

م. أ. ب. تورّيس،\(^{12,14}\) ف. تُدوسِه،\(^{25}\) وأ. ك. تسيوميس،\(^{26}\)
\(^{1}\)المركز الدولي لأبحاث الفلك الراديوي – جامعة كِرْتن، بيرث، أستراليا
\(^{2}\)مدرسة الفيزياء والفلك، جامعة ساوثهامبتون، إنجلترا
\(^{3}\)مختبر AIM ‏(CEA/IRFU - CNRS/INSU - جامعة باريس ديدرو)، فرنسا
\(^{4}\)محطة الراديوفلك في نانسي، مرصد باريس، فرنسا
\(^{5}\)قسم الفلك، جامعة كيب تاون، جنوب أفريقيا
\(^{6}\)جامعة نيويورك أبوظبي، الإمارات العربية المتحدة
\(^{7}\)مرصد شانغهاي الفلكي، الصين
\(^{8}\)قسم الفيزياء، جامعة ألبرتا، كندا
\(^{9}\)المعهد الوطني للفلك – مرصد بريرا، إيطاليا
\(^{10}\)قسم الفيزياء، جامعة أكسفورد، المملكة المتحدة
\(^{11}\)قسم الفلك، جامعة ويسكونسن–ماديسون، الولايات المتحدة
\(^{12}\)معهد SRON الهولندي لأبحاث الفضاء، هولندا
\(^{13}\)مركز هارفارد–سميثسونيان للفيزياء الفلكية، الولايات المتحدة
\(^{14}\)قسم الفيزياء الفلكية/‏IMAPP، جامعة رادبود، هولندا
\(^{15}\)مركز جودارد لرحلات الفضاء، ناسا، الولايات المتحدة
\(^{16}\)USRA، الولايات المتحدة
\(^{17}\)قسم الفيزياء والفلك، كلية ويتون، الولايات المتحدة
\(^{18}\)معهد الفلك «أنتون بانّوك»، جامعة أمستردام، هولندا
\(^{19}\)معهد الفلك، جامعة كامبريدج، المملكة المتحدة
\(^{20}\)قسم الفلك والأرصاد الجوية ومعهد علوم الكون، جامعة برشلونة، إسبانيا
\(^{21}\)معهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الولايات المتحدة
\(^{22}\)مجلس البحوث الوطني، كندا
\(^{23}\)المرصد الوطني للفلك الراديوي، الولايات المتحدة
\(^{24}\)قسم الفلك، جامعة فيرجينيا، الولايات المتحدة
\(^{25}\)معهد علوم الفضاء، رومانيا
\(^{26}\)علوم الفلك والفضاء، CSIRO، أستراليا

تمّ القبول في 30 مارس 2015.

الملخّص

يُعَدّ المصدر MAXI J1836-194 مُرَشَّحًا لثقبٍ أسودَ في مجرّة درب التبانة ضمن نظام ثنائي للأشعّة السينيّة، وقد تم اكتشافه عام 2011 عند دخوله طور الانفجار. نقدّم هنا أرصادًا راديوية شاملة لهذا النظام خلال انفجاره «الفاشل»، إذ لم يُتمّ جميع التحوّلات الطيفية المتوقَّعة، بل انتقل فقط حتى الحالة المتوسطة الصلبة. أظهرت أرصاد مصفوفة كارل جانسكي الكبيرة جدًّا (VLA) ومصفوفة أستراليا المدمجة (ATCA) أنّ خصائص النَّفّاث تغيّرت بشكل ملحوظ أثناء الانفجار. رصدت VLA استقطابًا خطّيًا للانبعاث بنِسَب تقارب \(\sim 1\%\) في بداية الانفجار، وارتفعت إلى \(\sim 3\%\) عند الذروة. كما كشفت صور عالية الدقّة باستخدام مصفوفة VLBA امتدادًا نَفّاثيًا بحجم زاوي نحو \(\sim 15\) ملّي ثانية قوسيّة وبزاوية موضع \(-21\pm2^\circ\)، وهو ما يتّسق مع زاوية موضع متجه المجال الكهربائي المستنتجة من نتائج الاستقطاب (\(-21\pm4^\circ\))، مما يُشير إلى أنّ المجال المغناطيسي متعامد على محور النَّفّاث. وتدلّ القياسات الفلكية (علم القياس الفلكي) على أنّ النظام تطلّب «ركلة ولادية» غير متناظرة لتفسير سرعته الفضائيّة المرصودة. وبمقارنة الأرصاد المتقاربة زمنيًا في الأشعّة السينيّة مع أرصاد VLA عند 5 جيجاهرتز خلال انفجار 2011، يظهر ارتباط راديو/أشعّة سينيّة في الحالة الصلبة أكثر حدّة من المعتاد \(L_{\rm R} \propto L_{\rm X}^{1.8\pm0.2}\)، حيث يرمز \(L_{\rm R}\) و\(L_{\rm X}\) إلى اللمعان الراديوي والسيني على الترتيب. ومن خلال أرصاد ATCA وسويفت أثناء إعادة السطوع عام 2012، نُظهر أنّ النظام بقي على المسار الحادّ نفسه. ونظرًا لانخفاض ميلان النظام، نبحث احتمال أن يكون الانحدار المرصود ناجمًا عن تغيّر في التعزيز الدوبلري.


الأشعّة السينيّة: أنظمة ثنائية — الموجات الراديوية: استمرارية — نجوم: (MAXI J1836-194) — الوسط بين النجمي: نَفّاثات وتدفّقات خارجة

مقدّمة

تُرصَد النَّفّاثات النسبية الصادرة عن الثقوب السوداء النشطة على جميع المقاييس، من الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية في الأنظمة الثنائية منخفضة الكتلة (LMXB) إلى الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مراكز المجرّات. وهناك علاقة واضحة، وإن كانت غير مفهومة تمامًا بعد، بين هندسة النَّفّاث وطيفه وبنية تدفّق التراكم . وتُعَدّ أنظمة LMXB مختبرات مثالية لدراسة النَّفّاثات وصلتها بتدفّق التراكم، إذ تتطوّر خلال دوراتها كاملةً في أزمنة قابلة للرصد البشري. تقضي هذه الأنظمة معظم حياتها في حالة خمود منخفضة اللمعان، وتدخل أحيانًا طور انفجار أكثر سطوعًا (نتيجة ازدياد التراكم على الجسم المُضغَط المركزي)، حيث تتغيّر خصائص النَّفّاث بشكل كبير مع انتقال النظام عبر حالات الأشعّة السينيّة المعيارية المتعدّدة (انظر لمراجعة شاملة).

في انفجار نموذجي، تُرصَد أنظمة LMXB بدايةً في الحالة الصلبة (HS)، والتي ترتبط بانبعاث راديوي مستمر من نَفّاث مُدمَج ثابت وجزئيّ الامتصاص الذاتي ، يتميّز بطيف راديوي مسطّح أو مقلوب (سميك بصريًا) (\(\alpha \gtrsim 0\)، حيث \(S_{\nu} \propto \nu^{\alpha}\)؛ ). ومع تقدّم الانفجار، يزداد معدّل التراكم وقد يمرّ النظام عبر حالات وسيطة عدة أثناء اقترابه من الحالة اللّيّنة. وخلال الانتقال إلى الحالة اللّيّنة الكاملة، يتحوّل انبعاث النَّفّاث إلى عُقَد منفصلة ساطعة تتحرّك بسرعات نسبية، بطيف راديوي رقيق بصريًا . ويُخمَد النَّفّاث المُدمَج بما لا يقلّ عن 2.5 مرتبة قدر مع انتقال كسر طيف النَّفّاث إلى تردّدات أدنى ، ويبدو أن تسريع الجسيمات يحدث في مواقع مختلفة داخل النَّفّاث . وفي نهاية الانفجار، ينخفض لمعان الأشعّة السينيّة ويعود المصدر إلى الحالة الصلبة، حيث يُعاد بناء النَّفّاث المُدمَج تدريجيًا (يظهر أوّلًا في نطاق الراديو ثم في نطاق الأشعّة تحت الحمراء/البصري؛ )، ما يشير إلى احتمال تراكم هياكل لتسريع الجسيمات بالقرب من الثقب الأسود.

العمليات المسؤولة عن إطلاق النَّفّاث ليست مفهومة تمامًا. ومع ذلك، توجد علاقة مدروسة جيدًا بين لمعان الراديو والأشعّة السينيّة في أنظمة LMXB خلال الحالة الصلبة، وقد لوحِظت هذه العلاقة في مصادر فردية (مثل GX 339-4؛ ) وفي العيّنة الكاملة للأنظمة الثنائية لثقوب سوداء سينية . وعلى الرغم من أن دراسات حديثة شكّكت في عمومية هذه العلاقة ، فإنها غالبًا ما تُوصَف بمسارين مميّزين في مستوى لمعان الراديو/الأشعّة السينيّة: مسار علوي وآخر سفلي أكثر انحدارًا «خافت راديويًا» . ولا يبدو أن المسار الذي يتّبعه مصدر معيّن مرتبطٌ بخاصية فيزيائية محدّدة (مثل الدوران؛ )، كما توجد دلائل على أن بعض المصادر تنتقل بين المسارين مع خفوت لمعان الأشعّة السينيّة . وقد اقتُرح أيضًا أن هذه العلاقة الثنائية قد تظهر في نوى المجرّات النشطة (AGN)، ما يدعم فرضية تشابه آليات استخراج الطاقة من تدفّق التراكم عبر جميع المقاييس الكتلية .

يمكن أن تكشف الأرصاد عالية الدقّة باستخدام تداخل القاعدة الطويلة جدًّا (VLBI) عن معلومات مهمّة حول تغيّر خصائص النَّفّاث أثناء الانفجار؛ إذ يمكن للتصوير المباشر تحديد اتجاه محور النَّفّاث، والحركة الكتلية وبنية النَّفّاث، وكيفية تغيّر ذلك مع تطوّر تدفّق التراكم. وبينما رُصِدت عُقَد منفصلة في عدد من الأنظمة خلال الانفجار ، لم تُحلّ بنيويًا النَّفّاثات المُدمَجة في الحالة الصلبة إلا في نظامين فقط، هما GRS 1915+105 وCygnus X-1 ، وكلاهما ليس من أنظمة LMXB التقليدية. ويمكن للأرصاد المتكرّرة للعُقَد المنفصلة تحديد حركتها الظاهرية، ومن خلال الاستقراء الزمني يمكن ربط لحظة الإطلاق بتغيّرات في تدفّق التراكم لتحديد الآليات المسؤولة عن الإطلاق . كما تتيح القياسات الفلكية على مدى زمني احتساب «الحركة الخاصّة» للنظام، والتي بدورها تُقيِّد آليات تشكّل الثقوب السوداء .

المصدر MAXI J1836-194

تمّ اكتشاف المصدر MAXI J1836-194 في بداية انفجاره في أغسطس 2011، ما أطلق حملة أرصاد متعددة الأطوال الموجية. صُنّف مُرَشَّحَ ثقبٍ أسودَ استنادًا إلى خصائصه الراديوية والسينية ، حيث انتقل من الحالة الصلبة إلى الحالة المتوسّطة الصلبة (HIMS) في 11 سبتمبر 2011. وقد «فشل» الانفجار في الدخول إلى الحالة اللّيّنة الكاملة، وبقي في HIMS (انظر لمزيد من النقاش حول الانفجارات الفاشلة)، وبلغ أقصى درجة من الليونة في 16 سبتمبر، ثم عاد إلى الحالة الصلبة في 28 سبتمبر وتلاشى نحو الخمود. وفي مارس 2012 شهد النظام فترة نشاط متجدّد قبل أن يعود إلى الخمود بحلول 5 يوليو 2012 . والنظام منخفض الميل (بين 4^\circ و15^\circ؛ )، ويقع على مسافة بين 4 و10 كيلوفرسخ فلكي ، وقد أثبت أنه نظام مثالي لدراسة تطوّر النَّفّاث الراديوي بسبب سطوعه الراديوي العالي . نقدّم في هذا البحث نتائج حملة أرصاد راديوية مكثّفة باستخدام VLA وATCA وVLBA للمصدر MAXI J1836-194، بدأت في المراحل المبكّرة للانفجار (3 سبتمبر 2011) واستمرّت حتى أصبح المصدر مقيدًا بالشمس (آخر رصد راديوي كان في 3 ديسمبر 2011). كما نقدّم أرصاد ATCA وسويفت متقاربة زمنيًا خلال إعادة السطوع في 2012. ونركّز بخاصة على تطوّر استقطاب النَّفّاث الراديوي، وشكل النَّفّاث، والقياسات الفلكية عالية الدقّة خلال انفجار 2011، بالإضافة إلى ارتباط الراديو/الأشعّة السينيّة في الحالة الصلبة مع تلاشي النظام إلى الخمود.