مُلَخَّص

في جبال شمال الهند، يقع تلسكوب المرآة السائلة الدولي (ILMT)، وهو تلسكوب بمرآة دوّارة قطرُها 4 أمتار مصنوعة من الزئبق السائل. على مدى 10 سنوات، سيُجري هذا التلسكوب مسحاً ضوئياً لمساحة تبلغ 117 درجة مربّعة من السماء لدراسة التغيُّرات الفلكية والفوتومترية لجميع الأجسام المُكتشَفة. ومن البرامج العلمية الرئيسة في هذا المسح رصدُ النجوم المتغيّرة. ستُستَخدَم البيانات المجمَّعة لإنشاء فهرس شامل لمنحنيات الضوء، وهو ما سيكون ضرورياً للفلكيين الذين يدرسون تكوّن وتطوّر النجوم، وبنية وديناميكا مجرّة درب التبانة، وخصائص الكون ككل. سيُسهِم هذا الفهرس في تقدّمنا نحو فهمٍ أعمق للعمليات الأساسية التي تُشكِّل كوننا. في هذا العمل، نصف المسح ونستعرض بعض الأمثلة على النجوم المتغيّرة التي برزت في بيانات التشغيل المُبكِّرة للتلسكوب.

مقدمة

تلعب النجوم المتغيّرة دوراً أساسياً في مجالات عدّة من علم الفلك، بما في ذلك قياس المسافات، ودراسة بُنية النجوم وتطوّرها، والبحث في الأجرام المُدمجة والأنظمة الثنائية القريبة. تُعرَّف النجوم المتغيّرة بأنها الأجرام الفلكية التي يتغيّر سطوعها مع الزمن؛ فبعضها يُظهِر دوريّةً منتظمة بينما يتّسم بعضها الآخر بعدم الانتظام. تُعَدّ النجوم المتغيّرة الدورية مهمّةً على نحوٍ خاص لأنها تُتيح التنبؤ بمقدار سطوعها مستقبلاً. تشمل هذه الفئة عدداً من الأجسام مثل النجوم النابضة، والثنائيات الكسوفية، والمستعرات (نوفا). وتوفّر هذه المتغيّرات معلومات ثمينة حول طبيعة النجوم وتطوّرها ضمن مجرّة درب التبانة. وتؤدّي القيفاويّات ونجوم آر آر لايرا دور الشموع المعيارية، إذ يمكن حساب المسافات عبر معرفة قدرها المطلق. وتوفّر القيفاويّات معلوماتٍ حاسمة في تحديد مقياس الكون وعمره. كما تُسهِم دراسات أقراص التراكُم في المتغيّرات الكارثية في فهم فيزياء التراكُم في النظم النشطة التي تحتوي على ثقوب سوداء فائقة الكتلة. تمتلك دراسات النجوم المتغيّرة (Pietrukowicz_2009) القدرة على إلقاء الضوء على العديد من الظواهر في الفيزياء الفلكية.

في شمال الهند، تقع قمّة ديفاستال (\(79^{\circ} 41' 04''\) شرقاً، \(29^{\circ} 21' 40''\) شمالاً) على ارتفاع 2450 متراً، وتحتضن عدداً من المرافق البصرية، أبرزها تلسكوب المرآة السائلة الدولي (Surdej_2018) المُخصَّص للرصد السمتوي، وقطر مرآته 4 أمتار. يُكرَّس هذا التلسكوب الفريد لإجراء مسح ضوئي واسع النطاق يركّز على دراسات التغيُّرات. يعتمد التلسكوب على مرآة دوّارة مغطّاة بالزئبق السائل؛ وتدور المرآة بفترة 8.02 ثانية مع تحكّم دقيق يبلغ بضعة أجزاء في المليون. يُصوِّر التلسكوب المنطقة التي تمرّ فوقه باستخدام جهاز استشعار مُقترِن بالشحنة (CCD) بدقّة \(4096 \times 4096\) بكسل في وضع التكامل المؤجّل (Gibson_1992). ويُتيح ذلك تصويراً شبه مستمر للسماء العابرة بزمن تكامل قدرُه 102.4 ثانية (الزمن الذي يستغرقه جرم فلكي لعبور جهاز الاستشعار بفعل دوران الأرض). ويُعالِج المُصحِّح البصري المكوّن من خمسة عناصر الزيغات البصرية للتلسكوب وانحناء السطح البؤري. يمتلك التلسكوب مجالَ رؤية يبلغ \(22.4' \times 22.4'\)، وهو مُجهَّز بمرشِّحات لمسح السماء في نطاقات سِلون \(g'\) و\(r'\) و\(i'\) (Kumar_2022). تتمثّل الأهدافُ العلميةُ الرئيسة للتلسكوب في دراسة التغيُّرات الفلكية والفوتومترية لجميع الأجرام القابلة للكشف ضمن هذه المساحة.

الملاحظات والتحليل

يُعَدّ كتالوج «المسح الآلي لجميع السماء للمتغيّرات» (ASAS-SN) (Christy_2022) نقطةَ انطلاقٍ مفيدة لدراسات المتغيّرات. وبالاستناد إلى البيانات المُتاحة على موقع ASAS-SN الإلكتروني، أُنشِئت مجموعةٌ فرعيةٌ مُخصَّصة تضم بيانات جميع الأجسام الواقعة ضمن مجال مسح ILMT. كانت المعيارُ الرئيس للاختيار هو وقوعُ الأجسام داخل هذا المجال، مع مراعاة المتغيّرات ذات الفترات الطويلة والقصيرة. وبفضل الملاحظات طويلة الأمد لـ ILMT بات بالإمكان جمعُ بياناتٍ تُغطّي عدّةَ دورات. صُنِّفت الأجسام حسب نوع المتغيّر: القيفاويّات، نجوم آر آر لايرا، نجوم ميرا، المتغيّرات الدورانية، الثنائيات الكسوفية، والمتغيّرات شبه المنتظمة/غير المنتظمة. وتتوفر بياناتُ المجموعة بصيغة ملفات مفصولة بفواصل (CSV) تحتوي على: (i) اسم ASAS-SN، (ii) الصعود المستقيم (J2000)، (iii) الميل (J2000)، و(iv) قدر Gaia G. ثم حُوِّلت هذه الملفات إلى تنسيق FITS باستخدام مكتبة Astropy.

تكوّنت مجموعةُ البيانات من الصور المُلتقَطة في 1 و2 نوفمبر 2022، بالإضافة إلى صورٍ في أوائل مارس 2023، وذلك خلال مرحلة التشغيل التجريبي. وعلى الرغم من صغر حجم هذه العيّنة، فإنها كافيةٌ لتطوير تقنيات التحليل والتحقّق من الأداء. خضعت هذه الصور لمعالجةٍ أوليّة، ثم لمعايرةٍ فلكية وفوتومترية باستخدام نجوم Gaia في المجال. بلغت الدقّةُ الفلكية النموذجية نحو 0.3 ثانيةٍ قوسيّة، بينما تراوحت الدقّةُ الفوتومترية بين 0.05 و0.10 قدر في الليالي الصافية.

بعد ذلك، استُخدِم برنامج التحليل الفوتومتري بلغة Python SunPhot (SunEProceedings) لاستخراج أقدار الأجسام المُدرجة في صور ILMT. نُطابِق مواقع الصعود المستقيم والميل للنجوم المُدرجة في الكتالوج مع مواقعها في الصور العلمية المُعايرة. عند تحديد موقع الجسم، تُطبَّق فتحةٌ دائرية متمركزة على النجم، وحلقةٌ مُتّحدة المركز تحيط به لقياس الخلفية المحلية. تُستعمَل القيمةُ المتوسّطة للكثافة داخل الحلقة لتقدير خلفية السماء، التي تُطرَح من كل بكسل ضمن الفتحة لحساب تدفّق النجم. بعد ذلك، يُحوَّل التدفّق إلى قدرٍ فلكي اعتماداً على نقطة الصفر الفوتومترية المُستخلَصة من قياسات نجوم Gaia في الصورة.

النتائج

يوجد ما يقرب من 417 نجماً متغيّراً معروفاً ضمن مجال رؤية ILMT. وفي مجموعة البيانات المحدودة لدينا، رُصِد 23 من متغيّرات آر آر لايرا، من أصل 69 في كامل منطقة المسح. تتراوح فترات هذه النجوم عادةً بين 0.2 و2 يوم، ما يجعلها عُرضةً لقيود في أخذ العيّنات عند التواتر اليوميّ لرصد ILMT. ومع ذلك، يمكن للمتغيّرات الدورية بناءُ منحنياتٍ ضوئية من بيانات عدّة ليالٍ عبر طيّ البيانات على فترة النجم. ويمكن استخدام هذا الأسلوب لتحديد الفترة بدقّة عن طريق تقليل تشتّت النقاط بعد الطيّ. على سبيل المثال، تُظهِر بيانات ILMT القدرة على تتبّع منحنيات الطور حتى للنجوم ذات الفترات التي تقلّ عن يوم واحد. لذلك، من المتوقّع ملاحظة تغيّرٍ ضئيل في القدر عندما يُراقَب النجم في الليلة التالية بعد 0.997 يوم (يوم نجميّ واحد)، حيث يكون النجم في مرحلة شبه متطابقة. ومع ذلك، فإن المراقبة اليومية على مدى أسبوع تُوفّر تغطيةً كاملةً للطور، وستُسهم الملاحظات الإضافية في تحسين عينات منحنى الضوء المطويّ.

سجّلنا ما مجموعه 73 متغيّراً دورانياً ضمن منطقة المسح، وقد راقبنا حتى الآن 31 منها. وتمثّل هذه المتغيّرات فرصةً ممتازة لدراسة خصائص أسطح النجوم من خلال متابعة التغيّرات الزمنية في سطوعها. علاوةً على ذلك، رُصِد 11 متغيّراً من نوع ميرا، وقد تمّت متابعة واحدٍ منها حتى الآن.

الفئة الأخيرة في هذه الدراسة هي المتغيّرات شبه المنتظمة وغير المنتظمة، التي تحدث تغيّراتها على مدى زمني يتراوح بين أشهر وسنوات ولا تُظهِر نمطاً دورياً واضحاً. حتى الآن، رصد ILMT 40 من هذه المتغيّرات ضمن منطقة المسح، من أصل 73 نجماً مُسجَّلاً.

المناقشة

استُخدِمت القيفاويّات منذ فترةٍ طويلة في قياسات المسافة بفضل العلاقة المعروفة بين فتراتها وسطوعها المطلق. ومن حيث المبدأ، يمكن لملاحظات ILMT أن توفّر قياساتٍ دقيقة للفترات، وبالاقتران مع قياسات المنظر (البارالاكس) من Gaia، سيُتيح ذلك تقليل عدم اليقين في علاقة الفترة–السطوع. وتتّبع نجوم آر آر لايرا أيضاً علاقةً بين الفترة واللون والسطوع، وبالتالي تُعَدّ مؤشّراً بديلاً موثوقاً للمسافة. وعلى الرغم من أنها أقل إشراقاً من القيفاويّات، فإنها تبقى أدواتٍ قيّمة لتحديد المسافات إلى المجرّات القريبة.

يتمتّع ILMT بقدرةٍ على اكتشاف القيفاويّات ونجوم آر آر لايرا حتى عند مسافاتٍ كبيرة، مع العلم أن حدود الكشف الفعلية تعتمد على عوامل عدّة، مثل السطوع الذاتي للنجم وظروف الرصد الجوي.

وبما أنّ ILMT لا يزال في مرحلته التجريبية، فإن كميّة البيانات المتاحة حالياً محدودة، لكنها في تزايدٍ مستمر. وقد أسهمت التحسينات في محاذاة التلسكوب وتوازن المرآة في رفع جودة الصورة إلى نحو 1.4 ثانية قوسيّة (العرض الكامل عند نصف الشدّة العُظمى)، مع توقّع المزيد من التحسّن مع اكتساب الفريق خبرةً أكبر في تشغيل النظام. لقد عرضنا هنا أداء ILMT، ونَتوقّع أن يكون هذا المشروع مورداً قيّماً لدراسات النجوم المتغيّرة والمجرّات والكوازارات والعدسات الجاذبية.

ينشأ مشروع تلسكوب المرآة السائلة الدولي بقطر 4 أمتار (ILMT) عن تعاونٍ بين معهد علم الفلك والجيوفيزياء (جامعة لييج، بلجيكا)، وجامعات كولومبيا البريطانية، لافال، مونتريال، تورونتو، فيكتوريا ويورك، ومعهد أريابهاتا لعلوم الرصد (ARIES، الهند). يشكر المؤلفون هيتيش كومار، هيمانشو راوات، خوشال سينغ وغيرهم من طاقم الرصد على مساعدتهم في تشغيل تلسكوب ILMT. ويقدّر الفريقُ مساهمات أعضاء ARIES السابقين والحاليين من العلماء والمهندسين والإداريين في إنجاز هذا المشروع. يودّ JS أن يشكر خدمة الجمهور وآلوني، F.R.S.–FNRS (بلجيكا) وجامعة لييج على تمويل بناء ILMT. ويقدّر PH الدعم المالي من المجلس الوطني للعلوم والهندسة في كندا (RGPIN-2019-04369)، كما يشكر PH وJS معهد ARIES على حفاوة الاستقبال أثناء زيارتهما إلى ديفاستال. يقدّر BA زمالة مجلس البحوث العلمية والصناعية (CSIR) (09/948(0005)/2020-EMR-I) لهذا العمل، ويقدّر MD جائزة زمالة برنامج الابتكار في متابعة العلوم المُلهِمة (INSPIRE) (DST/INSPIRE Fellowship/2020/IF200251) لهذا العمل. يدعم هذا العمل الشبكة البلجيكية الهندية للأبحاث الفلكية (BINA) المعتمدة من قبل القسم الدولي بوزارة العلوم والتكنولوجيا (DST، حكومة الهند؛ DST/INT/BELG/P-09/2017) ومكتب السياسة العلمية الفدرالية البلجيكية (BELSPO، حكومة بلجيكا؛ BL/33/IN12).

يأتي هذا العمل نتيجةَ تعاونٍ طويل الأمد قدّم فيه جميع المؤلفين إسهاماتٍ جوهرية.

يُعلِن المؤلفون خُلُوَّهم من تضارب المصالح.