رصد الأشعّة السينيّة الصلبة ودراسة مُتعدّدة الأطوال الموجية
لسديم رياح النابض المرشّح كمسرّع بيڤاتروني "اليعسوب"

جو يون وو

هونغجون آن

جوزيف د. جيلفاند

تشارلز ج. هايلي

كايا موري

ريشمي موكيرجي

سمر صافي حرب

تيا تيميم

الملخّص

درسنا الطبيعة البيڤاترونية لسديم رياح النابض G75.2+0.1 ("اليعسوب") ضمن حملتنا الرصدية باستخدام NuSTAR لسُدُم رياح النابض النشطة. يتزامن موضع "اليعسوب" مع المصدر LHAASO J2018+3651 الذي رُصِدت فيه طاقة فوتونية قصوى مقدارها 0.27 بيڤ. رصدنا سديمًا داخليًّا مُدمجًا (نصف قطره \(1\arcmin\)) لليعسوب، من دون ظهور انكسار طيفي في نطاق \(3-20\) keV باستخدام NuSTAR. أظهر التحليل المُشترَك للسديم الداخلي اعتمادًا طيفيًّا على قانون قُوّي بمؤشِّر فوتوني \(\Gamma=1.49\pm0.03\) استنادًا إلى أرشيفَيْ Chandra وXMM-Newton. ولوحظ تلاشي سنكروتروني مع تناقص حجم السديم المرصود بـNuSTAR عند الطاقات الأعلى؛ ومن ذلك استنتجنا أن شدّة المجال المغناطيسي في السديم الداخلي تبلغ نحو 24 \(\mu\)G عند مسافة 3.5 كيلوبارسيك. كما يؤكّد تحليلُنا لبيانات XMM الأرشيفية ومعها 13 سنة من بيانات Fermi-LAT اكتشافَ سديم خارجي ممتد (\(\sim10\arcmin\)) في نطاق \(2-6\) keV (\(\Gamma=1.82\pm0.03\))، وعدم اكتشاف سديم عند طاقات الجيڤ (GeV)، على التوالي. باستخدام بيانات VLA وXMM وHAWC، قمنا بنمذجة التوزيع الطيفي للقدرة مُتعدّد الأطوال الموجية (SED) لليعسوب بوصفه مسرّعًا بيڤاترونيًّا لبتونيًّا (leptonic). وتشير طاقة الجسيمات المحقونة القصوى ــ 1.4 بيڤ ــ في نموذجنا إلى أنّ "اليعسوب" على الأرجح مسرّع بيڤاتروني. ويتوافق توقّع نموذجنا لمجال مغناطيسي منخفض (2.7 \(\mu\)G) في السديم الخارجي، ولتفاعل حديث مع الصدمة العكسية لبقايا المستعرّ الأعظم المضيفة (قبل نحو 4 آلاف سنة)، مع السمات الشائعة لسُدُم الرياح النابضية البيڤاترونية. إنّ أصل الشكل الهندسي شديد اللاتناظر، والحركة الذاتية للنابض، وتفاعل السديم مع بقايا المستعرّ الأعظم، والمسافة إلى المصدر، كلّها تتطلّب دراسات لاحقة، بما في ذلك دراسات مُتعدّدة الأطوال الموجية في الراديو والأشعّة السينيّة وأشعّة غاما.

مقدّمة

سُدُم رياح النابض (PWNe) المرتبطة بنوابض متوسّطة العمر وذات قدرة عالية (\(\dot{E}>10^{36}\) erg s\(^{-1}\)، وعمر مميّز \(\tau=10-100\) ألف سنة) غالبًا ما تقترن بمصادر ذات طاقة عالية جدًّا (VHE، فوق 1 تيرا-إلكترون-فولت) (مثال: ). كثيرٌ منها ساطع حتّى مئات التيرا-إلكترون-فولت من دون دلالة على انقطاع طيفي (مثال: و). ومؤخرًا، كُشف الجزء الأعلى طاقة من أطياف بعض هذه المصادر بواسطة مرصد LHAASO، وهو أوّل مرصد لأشعّة غاما حسّاس لفوتونات البيتا-إلكترون-فولت (PeV)، حيث تم اكتشاف 14 مصدرًا مجريًّا فائق الطاقة (UHE، فوق 100 تيرا-إلكترون-فولت) (، ، ). تتراوح أعلى طاقات الفوتونات المرصودة من هذه المصادر بين بضع مئات التيرا-إلكترون-فولت إلى أكثر من 1 بيڤ؛ وهو دليلٌ قاطع على تسريع الجسيمات إلى ما فوق 1 بيڤ سواء في السيناريو الهدروني (انحلال البيون المحايد) أو اللَّبتوني (تبعثر كومبتون العكسي). إنّ تحديد هذه "البيڤاترونات" المجرية أساسيّ لفهم أصل أعلى طاقات الأشعّة الكونية المرصودة على الأرض (في الحالة الهدرونية)، وكذلك لفهم أفضل لآليات تسريع الجسيمات وإشعاعها ونقلها (في كلتا الحالتين).

الغالبية العظمى من مصادر LHAASO تتزامن مكانيًّا مع PWNe متوسّطة العمر وذات قدرة عالية، وهي مسرّعات جسيمات لبتونية معروفة. وتهدف حملتنا الرصدية باستخدام NuSTAR لسُدُم رياح النابض النشطة إلى استكشاف الطبيعة المتطرّفة لهذه السُدُم (). توفّر رصديات الأشعّة السينيّة الصلبة واسعة النطاق بواسطة NuSTAR نافذة فريدة إلى نهاية طيف جسيمات المنشأ عبر رصد إشعاع السنكروترون من دون تلوّث بالإشعاع الحراري. وبالاقتران مع نمذجة التوزيع الطيفي للقدرة (SED) عبر نحو عشرين مرتبة في الطاقة، يمكن استنتاج المعلمات الفيزيائية الأساسية الحاكمة لهذه الأنظمة، مثل طاقة الجسيمات القصوى والمجال المغناطيسي. وقد أثبتت رصديات NuSTAR ونمذجة SED فاعليتها كأدوات قويّة لدراسة PWNe بوصفها مسرّعات للأشعّة الكونية اللَّبتونية في مجرّتنا (مثال: ، ، ).

يُعدّ G75.2+0.1 ("اليعسوب") أحد ثمانية أهداف في حملتنا الرصدية باستخدام NuSTAR، ويرتبط على الأرجح مع LHAASO J2018+3651. يُغذّى "اليعسوب" بالنابض PSR J2021+3651 (RA = 20:21:05.40، Dec = +36:51:04.5) الذي اكتُشف أوّلًا كنبّاض راديوي بزمن دوران \(P \cong 104\) مللي ثانية ()، وذلك عقب اكتشاف مصدر أشعّة سينيّة غير معروف AX J2021.1+3651 () ضمن متابعة لمصدر أشعّة غاما غير معروف GeV J2020+3658 (). وكِنبّاض متوسّط العمر بعمر مميّز \(\tau \equiv P/2\dot{P} \sim 17\) ألف سنة، ما يزال PSR J2021+3651 نشطًا، إذ \(\dot{E} \sim 3.4 \times 10^{36} \textrm{ erg s}^{-1}\). وقد رُصد PSR J2021+3651 في الأشعّة السينيّة كمصدر نقطي ذي مكوّن حراري (غالبًا) ناعم (\(kT_{BB} = 0.16\pm0.02\) keV) بواسطة Chandra ( و)، مع عدم دلالة إحصائية لرصد نبضات سينيّة في كلا العملين. ورُصد سديم رياح النابض G75.2+0.1 الخاص بـPSR J2021+3651 أوّل مرة في الأشعّة السينيّة بواسطة ، وسمّاه "اليعسوب" لِبنيته ثنائية الفصوص. كما رصد Fermi-LAT (Fermi) () نبضات عند الجيڤ من PSR J2021+3651، لكن طيفه ينقطع قطعًا حادًّا دون 10 جيڤ من دون دليل على انبعاث سديمي أعلى طاقة.

يقع PSR J2021+3651 و"اليعسوب" في كوكبة الدجاجة، وهي منطقة نشطة لتشكُّل النجوم. وكان أوّل مصدر أشعّة غاما بتيرا-إلكترون-فولت متزامن مكانيًّا مع PSR J2021+3651 و"اليعسوب" هو MGRO J2019+37 (). يُعد MGRO J2019+37 ثاني أكثر مصادر التيرا-إلكترون-فولت سطوعًا في نصف الكرة الشمالي بعد سديم السرطان، وهو ممتد على نحوٍ كبير (توزيع غاوسي ثنائي الأبعاد دائري مع \(\sigma=0.32^{\circ} \pm 0.12^{\circ}\)). ومنذ اكتشافه، أُجريت رصديات متعدّدة الأطوال الموجية لتعيين أصل هذا الانبعاث العالي الطاقة. وقد رصد المنطقة باستخدام VLA في الراديو (20 سم) وXMM-Newton (XMM) في الأشعّة السينيّة الناعمة، فكشفت الرصدتان معًا صورةً أشمل لـG75.2+0.1 تتجاوز البنى الفرعية التي رصدها Chandra — سديمٌ منتشر مخروطي يرتكز عند PSR J2021+3651 ويمتدّ حتى \(\sim 20\arcmin\) (راديو) و\(\sim 10\arcmin\) (أشعّة سينيّة ناعمة) غربًا مع تناقص في السطوع السطحي. وفي هذا العمل نُشير إلى البنية الكاملة للسديم باسم "اليعسوب".

استخدم منظومة تلسكوبات تصوير إشعاع غاما العالي جدًّا (VERITAS) لفصل MGRO J2019+37 إلى مصدرين منفصلين: VER J2019+368 وVER J2016+371. فبينما يهيمن VER J2016+371 على الانبعاثات منخفضة الطاقة (أقل من 1 تيرا-إلكترون-فولت) قرب بقايا مستعرّ أعظم (SNR) CTB 87، يسطع VER J2019+368 (RA = 20:19:25، Dec = 36:48:14، توزيع غاوسي بيضوي ثنائي الأبعاد بمحور رئيسي \(\sigma_{maj}=0.34^{\circ} \pm 0.03^{\circ}\) ومحور ثانوي \(\sigma_{min}=0.13^{\circ} \pm 0.02^{\circ}\)) فوق 1 تيرا-إلكترون-فولت. ومع إضافة 120 ساعة من البيانات، أشار إلى أنّ VER J2019+368 قد يُفصَل إلى مصدرين مرشّحين، VER J2020+368\(^{\ast}\) وVER J2018+367\(^{\ast}\). ووجد مرصد HAWC أنّ الانبعاث العالي الطاقة من VER J2019+368 ذو دلالة حتّى فوق 56 تيرا-إلكترون-فولت وسمّى المصدر eHWC J2019+368 (). كما يؤكّد رصد LHAASO للمصدر فوق 100 تيرا-إلكترون-فولت مع طاقة فوتونية قصوى \(0.27 \pm 0.02\) بيڤ () وجودَ واحد أو أكثر من المسرّعات البيڤاترونية ذات الأصل المجرّي في هذه المنطقة. هذا المصدر المجرّي المتطرّف، LHAASO J2018+3651، يتزامن مكانيًّا مع عدّة مسرّعات محتملة للأشعّة الكونية، بما فيها نجم وولف–رايت (WR) 141، ومنطقة H II Sh 2-104، والنابض PSR J2021+3651، و"اليعسوب".

في هذا العمل، نهدف إلى تقييم إمكان "اليعسوب" كمسرّع بيڤاتروني لبتوني. نقدّم أوّل رصدٍ للأشعّة السينيّة الصلبة لليعسوب باستخدام NuSTAR، ونُحلّل بيانات Chandra وXMM الأرشيفية، و13 سنة من بيانات Fermi الخاصة باليعسوب. ونُدمج الأطياف المستخرجة من تحليلاتنا مع أطياف الراديو والتيرا-إلكترون-فولت من أعمال سابقة لنمذجة SED مُتعدّد الأطوال الموجية لليعسوب. ونناقش السمات المشتركة لسُدُم الرياح النابضية البيڤاترونية، والمسافة إلى المصدر، والمجال المغناطيسي.