تمثل الانفجارات الراديوية السريعة (FRBs)، وهي انفجارات من الطاقة الراديوية المكثفة، لغزًا فلكيًا محيرًا. وجدت الأبحاث الحديثة التي أجرتها جامعة طوكيو أوجه تشابه بين الدفقات الراديوية السريعة والزلازل، مما يشير إلى أنها قد تكون ناجمة عن “الهزات النجمية” في النجوم النيوترونية. يمكن لهذه الأفكار أن تُحدث ثورة في فهمنا للزلازل، والمواد عالية الكثافة، والفيزياء النووية.

تربط الأبحاث التي أجرتها جامعة طوكيو بين الانفجارات الراديوية السريعة (FRBs) و”الهزات النجمية” في النجوم النيوترونية، مما يوفر رؤى جديدة حول الزلازل والفيزياء النووية.

الانفجارات الراديوية السريعة أو FRBs هي لغز فلكي، ولا يزال سببها وأصلها غير مؤكدين. هذه الانفجارات المكثفة من الطاقة الراديوية غير مرئية للعين البشرية، ولكنها مرئية بوضوح في التلسكوبات الراديوية. وقد لاحظت الدراسات السابقة مرارًا وتكرارًا أوجه تشابه واسعة بين توزيع الطاقة للتدفقات الراديوية السريعة والزلازل والتوهجات الشمسية.

ومع ذلك، بحث بحث جديد في جامعة طوكيو في توقيت وطاقة الدفقات الراديوية السريعة ووجد اختلافات واضحة بين الدفقات الراديوية السريعة والتوهجات الشمسية، ولكن أيضًا العديد من أوجه التشابه المذهلة بين الدفقات الراديوية السريعة والزلازل. وهذا يدعم النظرية القائلة بأن الدفقات الراديوية السريعة تنتج عن “الهزات النجمية” على سطح النجوم النيوترونية. سيساعد هذا الاكتشاف على فهم جوانب الزلازل وسلوك المواد عالية الكثافة والفيزياء النووية بشكل أفضل.

التلسكوب الراديوي الكروي ذو الفتحة الخمسمائة متر الصيني (FAST). تم توفير بيانات FRB بواسطة تلسكوب كروي ذو فتحة خمسمائة متر (FAST) في الصين وتلسكوب أريسيبو في بورتوريكو، وهما من أكبر التلسكوبات ذات الطبق الواحد في العالم. ولسوء الحظ، تعرض تلسكوب أريسيبو للتلف وتم تعطيله في عام 2020. الائتمان: بوجون وانغ، جينتشن جيانغ وكيشينغ كوي

لغز FRBs

اتساع الفضاء يحمل العديد من الألغاز. في حين أن القليل من الناس يحلمون بالجرأة على الذهاب إلى مكان لم يذهب إليه أحد من قبل، إلا أن هناك الكثير مما يمكننا تعلمه من وسائل الراحة التي توفرها الأرض. بفضل التقدم التكنولوجي، يمكننا استكشاف السطح يوم الثلاثاءمفاجأة قعدحلقات، والتقاط إشارات غامضة من الفضاء السحيق. الدفقات الراديوية السريعة عبارة عن رشقات نارية عالية الطاقة ومشرقة يمكن رؤيتها في موجات الراديو.

تم اكتشاف هذه الدفقات لأول مرة في عام 2007، ويمكنها السفر لمليارات السنين الضوئية، ولكنها عادةً ما تستمر لجزء من الألف من الثانية فقط. تشير التقديرات إلى أن 10000 تدفق FRB يمكن أن يحدث كل يوم إذا تمكنا من مراقبة السماء بأكملها. على الرغم من أن معظم مصادر الدفقات المكتشفة حتى الآن يبدو أنها تبعث حدثًا واحدًا، إلا أن هناك حوالي 50 مصدرًا للتدفقات الراديوية السريعة التي تبعث رشقات متكررة.

تم أخذ بيانات الزلازل من منطقة كانتو اليابانية (بما في ذلك طوكيو وناريتا) وإزومو في منطقة تسوكوكو (شمال هيروشيما). تشير النقاط السوداء إلى بؤر الزلازل المسجلة في الفترة ما بين 6 مايو 2010 و31 ديسمبر 2012. الائتمان: ©2023 T. Totani & Y. Tsuzuki

النظريات وراء سبب FRBs

سبب الدفقات الراديوية السريعة غير معروف، ولكن تم طرح بعض الأفكار التي قد تكون أصلها. ومع ذلك، فإن النظرية السائدة حاليًا هي أن بعض التدفقات الراديوية السريعة على الأقل تنبعث من النجوم النيوترونية. تتشكل هذه النجوم عندما ينهار نجم عملاق من كتلة تبلغ ثمانية أضعاف كتلة شمسنا (في المتوسط) إلى مركز يبلغ عرضه 20-40 كيلومترًا. Magnetos عبارة عن نجوم نيوترونية ذات مجالات مغناطيسية قوية جدًا ويُلاحظ أنها تنبعث منها FRBs.

وقال تومونوري توتاني، الأستاذ في قسم علم الفلك بكلية الدراسات العليا للعلوم: “لقد كان من المفترض أن سطح المغناطيس سيتعرض لزلزال نجمي، وهو إطلاق طاقة مشابه للزلازل على الأرض”. “لقد أدت التطورات الرصدية الأخيرة إلى اكتشاف الآلاف من الدفقات الراديوية السريعة الأخرى، لذلك أتيحت لنا الفرصة لمقارنة مجموعات البيانات الإحصائية الكبيرة المتاحة الآن للتدفقات الراديوية السريعة مع بيانات من الزلازل والتوهجات الشمسية لاستكشاف أوجه التشابه المحتملة.”

قام الباحثون بتحليل توقيت وتوزيع الطاقة للتدفقات الراديوية السريعة وأحداث الزلازل، ومن خلال رسم احتمالات الانحدار كدالة للتأخير الزمني، وجدوا أن الاثنين متشابهان للغاية. الائتمان: ©2023 T. Totani & Y. Tsuzuki

التحليل الإحصائي والنتائج

حتى الآن، ركز التحليل الإحصائي للتدفقات الراديوية السريعة على توزيع أوقات الانتظار بين دفقتين متتاليتين. ومع ذلك، يشير توتاني والمؤلف المشارك يويا سوزوكي، وهو طالب دراسات عليا في نفس القسم، إلى أن حساب توزيع وقت الانتظار فقط لا يأخذ في الاعتبار الارتباطات الموجودة عبر حالات التفشي الأخرى. ومن خلال تحليل التوقيت وطاقة الانبعاث لما يقرب من 7000 دفقة من ثلاثة مصادر مختلفة لـ FRP للمكررات، قرر الفريق حساب الارتباط في الفضاء ثنائي الأبعاد. ثم استخدموا نفس الطريقة لدراسة الارتباطات بين الزمن والطاقة للزلازل (باستخدام بيانات من اليابان)، والتوهجات الشمسية (باستخدام السجلات). هينوت البعثة الدولية لدراسة الشمس)، ومقارنة نتائج ثلاث حالات أخرى.

وخلافًا لدراسات أخرى، أظهر تحليلهم تشابهًا مذهلاً بين الدفقات الراديوية السريعة وبيانات الزلازل، لكن تفاجأ توتاني وتسوزوكي بإيجاد فرق واضح بين الدفقات الراديوية السريعة والتوهجات الشمسية.

وأوضح توتاني: “تُظهر النتائج أوجه تشابه كبيرة بين الدفقات الراديوية السريعة والزلازل بالطرق التالية: أولاً، احتمال حدوث هزة ارتدادية لحدث ما هو 10-50%؛ ثانيًا، كقوة زمنية، يتناقص معدل حدوث الانحدار بمرور الوقت؛ ثالثًا، على الرغم من أن نشاط الزلازل FRB (المعدل المتوسط) يتغير بشكل كبير، إلا أن معدل الانحدار يظل ثابتًا؛ ورابعاً، لا توجد علاقة بين طاقات الهزة الرئيسية والهزة الارتدادية.

يشير هذا بقوة إلى وجود قشرة صلبة على سطح النجوم النيوترونية، ويطلق التذبذب النجمي المفاجئ في هذه القشور كميات كبيرة من الطاقة، والتي نراها على شكل تدفقات FRB. ويعتزم الفريق مواصلة تحليل البيانات الجديدة حول الدفقات الراديوية السريعة للتحقق من أن أوجه التشابه التي وجدوها عالمية.

وقال توتاني: “من خلال دراسة الزلازل النجمية في النجوم البعيدة فائقة الكثافة، والبيئات المختلفة تمامًا عن الأرض، يمكننا الحصول على رؤى جديدة حول الزلازل”. “الداخلية أ النجم النيوتروني وهو المكان الأكثر كثافة في الكون، مقارنة بالجزء الداخلي للنواة. فتحت الزلازل النجمية للنجوم النيوترونية إمكانية الحصول على رؤى جديدة للقوانين الأساسية للمادة فائقة الكثافة والفيزياء النووية.

ملحوظة: “تؤدي الانفجارات الراديوية السريعة إلى حدوث هزات ارتدادية مشابهة للزلازل، ولكن ليس التوهجات الشمسية” بقلم تومونوري توتاني ويويا سوزوكي، 11 أكتوبر 2023، الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
دوى: 10.1093/منراس/ستاد2532