نبضات الميلي ثانية

النجم النابض ذو الفترة الميلي ثانية ( MSP ) هو نجم نابض ذو فترة دوران أقل من 10 ميلي ثانية تقريبًا . وقد تم رصد هذه النجوم في نطاقات الراديو والأشعة السينية وأشعة غاما من الطيف الكهرومغناطيسي . وتفترض الفرضية السائدة لأصل النجوم النابضة ذات الفترة الميلي ثانية أنها نجوم نيوترونية قديمة سريعة الدوران، تم تسريع دورانها أو "إعادة تدويرها" من خلال تراكم المادة من نجم مرافق في نظام ثنائي متقارب. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} ولهذا السبب، تُسمى هذه النجوم أحيانًا بالنجوم النابضة المعاد تدويرها .

يُعتقد أن النجوم النابضة ذات النبضات الميلي ثانية مرتبطة بأنظمة ثنائية منخفضة الكتلة تصدر أشعة سينية . ويُعتقد أن الأشعة السينية في هذه الأنظمة تنبعث من قرص التراكم لنجم نيوتروني ، والذي ينتج عن الطبقات الخارجية لنجم مرافق تجاوز فص روش الخاص به . ويمكن أن يؤدي انتقال الزخم الزاوي الناتج عن حدث التراكم هذا إلى زيادة معدل دوران النجم النابض إلى مئات المرات في الثانية، كما هو مُلاحظ في النجوم النابضة ذات النبضات الميلي ثانية.

ظهرت مؤخرًا أدلة تشير إلى أن النموذج التطوري القياسي عاجز عن تفسير تطور جميع النجوم النابضة ذات النبضات الميلي ثانية، وخاصةً النجوم النابضة الشابة ذات المجالات المغناطيسية العالية نسبيًا، مثل PSR B1937+21 . وقد أظهر بولنت كيزيلتان وإس إي ثورسيت ( جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز ) أن النجوم النابضة المختلفة ذات النبضات الميلي ثانية تتشكل عبر عمليتين متميزتين على الأقل. ^{[ 4 ]} إلا أن طبيعة العملية الأخرى لا تزال غامضة. ^{[ 5 ]}

توجد العديد من النجوم النابضة ذات النبضات الميلي ثانية في العناقيد الكروية . ويتوافق هذا مع فرضية تسارع الدوران لتكوينها، إذ تشير الكثافة النجمية العالية للغاية في هذه العناقيد إلى احتمالية أكبر بكثير لوجود نجم مرافق عملاق (أو استحواذه عليه) في النجم النابض. يوجد حاليًا ما يقارب 130 نجمًا نابضًا ذا نبضات ميلي ثانية معروفًا في العناقيد الكروية. ^{[ 6 ]} يحتوي العنقود الكروي تيرزان 5 على 37 نجمًا منها، يليه عنقود توكانا 47 الذي يضم 22 نجمًا، ثم عنقودا M28 و M15 اللذان يضم كل منهما 8 نجوم نابضة.

اكتُشف أول نجم نابض بالمللي ثانية، PSR B1937+21 ، عام 1982 على يد باكر وآخرون . ^{[ 7 ]} يدور هذا النجم بسرعة 641 دورة في الثانية تقريبًا، ولا يزال ثاني أسرع النجوم النابضة بالمللي ثانية دورانًا من بين ما يقارب 200 نجم نابض تم اكتشافها. ^{[ 8 ]} أما النجم النابض PSR J1748-2446ad ، الذي اكتُشف عام 2004، فهو أسرع النجوم النابضة دورانًا المعروفة حتى عام 2025، حيث يدور بسرعة 716 دورة في الثانية. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

تتوقع النماذج الحالية لبنية النجوم النيوترونية وتطورها أن النجوم النابضة ستتفكك إذا دارت بسرعة 1500 دورة في الثانية أو أكثر، ^{[ 11 ] [ 12 ]} وأنها ستفقد الطاقة عن طريق الإشعاع الجاذبي بسرعة أكبر من سرعة تسارعها بفعل عملية التراكم عند سرعة دورانها التي تتجاوز 1000 دورة في الثانية. ^{[ 13 ]}

في أوائل عام 2007، كشفت بيانات من مسبار روسي لتوقيت الأشعة السينية ومركبة INTEGRAL الفضائية عن نجم نيوتروني يُدعى XTE J1739-285 يدور بسرعة 1122  هرتز. ^{[ 14 ]} إلا أن هذه النتيجة غير ذات دلالة إحصائية، حيث بلغ مستوى الدلالة 3 سيجما فقط . ورغم أنه مرشح مثير للاهتمام لمزيد من الرصد، إلا أن النتائج الحالية غير حاسمة. ومع ذلك، يُعتقد أن الإشعاع الثقالي يلعب دورًا في إبطاء سرعة الدوران. ويُعد النجم النابض بالأشعة السينية IGR J00291+5934 ، الذي يدور بسرعة 599 دورة في الثانية ، مرشحًا رئيسيًا للمساعدة في رصد مثل هذه الموجات في المستقبل (إذ أن معظم النجوم النابضة بالأشعة السينية تدور بسرعة 300 دورة في الثانية تقريبًا).

تتمتع النجوم النابضة ذات النبضات الميلي ثانية، التي يمكن قياس توقيتها بدقة عالية، بثبات يُضاهي معايير التوقيت القائمة على الساعات الذرية عند حساب متوسطها على مدى عقود. ^{[ 15 ] [ 16 ]} وهذا ما يجعلها أيضًا أدوات بالغة الحساسية لاستكشاف بيئاتها. فعلى سبيل المثال، أي جسم يدور حولها يُحدث انزياحات دوبلر دورية في أوقات وصول نبضاتها إلى الأرض، والتي يمكن تحليلها للكشف عن وجود الجسم المرافق، ومع توفر بيانات كافية، يمكن الحصول على قياسات دقيقة للمدار وكتلة الجسم. هذه التقنية بالغة الحساسية لدرجة أنه يمكن رصد حتى الأجسام الصغيرة كالكويكبات إذا ما دارت حول نجم نابض ميلي ثانية. وقد تم اكتشاف أول كواكب خارجية مؤكدة ، قبل عدة سنوات من اكتشاف أول كواكب خارجية تدور حول نجوم شبيهة بالشمس "عادية"، في مدار حول نجم نابض ميلي ثانية، PSR B1257+12 . وظلت هذه الكواكب، لسنوات عديدة، الأجسام الوحيدة المعروفة بكتلة الأرض خارج المجموعة الشمسية . أحدها، PSR B1257+12 b ، له كتلة أصغر، أقل بقليل من ضعف كتلة القمر ، ولا يزال حتى اليوم أصغر جسم معروف من حيث الكتلة خارج النظام الشمسي. ^{[ 17 ]}

تُعدّ موجات الجاذبية تنبؤًا هامًا من نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، وهي ناتجة عن الحركة الكلية للمادة، والتقلبات التي حدثت خلال الكون المبكر، وديناميكيات الزمكان نفسه. أما النجوم النابضة فهي نجوم نيوترونية فائقة المغناطيسية تدور بسرعة كبيرة، وتتشكل خلال انفجارات المستعرات العظمى للنجوم الضخمة. وتعمل هذه النجوم كساعات دقيقة للغاية، ولها تطبيقات فيزيائية عديدة، بدءًا من الميكانيكا السماوية، وعلم الزلازل للنجوم النيوترونية، واختبارات الجاذبية في المجالات القوية، وصولًا إلى علم الفلك المجري .

طُرح اقتراح استخدام النجوم النابضة ككاشفات لموجات الجاذبية لأول مرة من قِبل سازين ^{[ 18 ]} وديتويلر ^{[ 19 ]} في أواخر سبعينيات القرن الماضي. تقوم الفكرة على اعتبار مركز ثقل النظام الشمسي ونجم نابض بعيد طرفين متقابلين لذراع افتراضية في الفضاء. يعمل النجم النابض كساعة مرجعية عند أحد طرفي الذراع، حيث يرسل إشارات منتظمة يرصدها مراقب على الأرض. ويتمثل تأثير مرور موجة جاذبية في إحداث اضطراب في مقياس الزمكان المحلي، مما يؤدي إلى تغيير في التردد الدوراني المرصود للنجم النابض.

قام هيلينغز وداونز ^{[ 22 ]} بتوسيع هذه الفكرة عام 1983 لتشمل مجموعة من النجوم النابضة، ووجدا أن خلفية عشوائية من موجات الجاذبية تُنتج ارتباطًا رباعي الأقطاب بين أزواج مختلفة من النجوم النابضة كدالة للفواصل الزاوية بينها في السماء. وقد حُدّت حساسية هذا العمل بدقة واستقرار ساعات النجوم النابضة في المجموعة. وبعد اكتشاف أول نجم نابض بالمللي ثانية عام 1982، حسّن فوستر وباكر [ ^{23 ] حساسية} رصد موجات الجاذبية بتطبيق تحليل هيلينغز-داونز عام 1990 على مجموعة من النجوم النابضة بالمللي ثانية عالية الاستقرار.

ساهم ظهور أنظمة جمع البيانات الرقمية، والتلسكوبات الراديوية الجديدة، وأنظمة الاستقبال، واكتشاف العديد من النجوم النابضة الجديدة ذات النبضات الميلي ثانية، في رفع حساسية مصفوفة توقيت النجوم النابضة للموجات الثقالية في المراحل الأولى من الجهود الدولية. ^{[ 24 ]} وقد وصف ديمورست وآخرون [25] في عام 2013 إصدار البيانات وتحليلها، بالإضافة إلى أول حدٍّ لبيانات مشروع NANOGrav على خلفية الموجات الثقالية العشوائية. ^{[ 25 ]} وتلا ذلك إصدار البيانات لمدة تسع سنوات، ثم لمدة إحدى عشرة سنة، في عامي 2015 و2018 على التوالي. وقد ساهم كل إصدار في الحدّ من خلفية الموجات الثقالية، وفي الحالة الثانية، تم تحسين تقنيات تحديد مركز ثقل النظام الشمسي بدقة.

في عام 2020، قدم الفريق البحثي بياناتٍ تغطي فترة 12.5 عامًا، تضمنت أدلةً قويةً على وجود عملية عشوائية تخضع لقانون القوة، ذات سعة إجهاد ومؤشر طيفي مشتركين عبر جميع النجوم النابضة، ولكن بيانات غير حاسمة إحصائيًا فيما يتعلق بالارتباط المكاني الرباعي القطبي الحرج لهيلينغز-داونز . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

في يونيو 2023، نشر مشروع NANOGrav بياناته التي جُمعت على مدى 15 عامًا، بالتزامن مع نشر بيانات مصفوفة التوقيت الأوروبية للنجوم النابضة ومصفوفة التوقيت الهندية للنجوم النابضة ، والإصدار الثالث من بيانات مصفوفة باركس للنجوم النابضة ، والإصدار الأول من بيانات مصفوفة التوقيت الصينية للنجوم النابضة . وقدّمت هذه البيانات أول دليل على وجود خلفية عشوائية من موجات الجاذبية . وعلى وجه الخصوص، تضمنت أولى قياسات منحنى هيلينغز-داونز، ^{[ 28 ]} وهو المؤشر الدال على أصل موجات الجاذبية في هذه الملاحظات. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} وفي ديسمبر 2024، نشرت مصفوفة ميركات للنجوم النابضة مزيدًا من الأدلة على منحنى هيلينغز-داونز. ^{[ 34 ]}

• "كتالوج النجوم النابضة بالمللي ثانية" . 30 سبتمبر 2013.
• " كيف تدور النجوم النابضة ذات النبضات الميلي ثانية بهذه السرعة؟ " مؤرشف بتاريخ 28-06-2006 في موقع Wayback Machine . موقع Universe Today .
• " نجم سريع الدوران قد يختبر موجات الجاذبية ". مجلة نيو ساينتست .
• " الدراويش الفلكيون المولوون يخفون أعمارهم جيداً ". مجلة علم الفلك الآن .
• الصوت: كاين/جاي - بودكاست علم الفلك عن النجوم النابضة - نوفمبر 2009.