رصد و آشکارسازی بخار آب و کربن مونوکسید چه اهمیتی در شناخت محیط‌های میان‌ستاره‌ای دارد؟

رصد خط‌های طیفی مولکول‌هایی مثل کربن مونوکسید و بخار آب، پنجره‌ای به دنیای نامرئی گازهای درون کهکشان‌ها باز می‌کند. مولکول دو اتمی هیدروژن، که فراوان‌ترین نوع مولکول در ابرهای میان‌ستاره‌ای است، در دماهای بسیار پایین (۱۰- ۵۰ کلوین) در این ابرها، تابش قابل آشکارسازی ندارد. مولکول کربن مونوکسید، که دومین مولکول با فراوانی بالا در محیط‌های میان‌ستاره‌ای است، به خاطر خاصیت دوقطبی‌ای که دارد، تابش قابل توجهی در طول موج میلیمتری از خود نشان می‌دهد. به همین خاطر منجّمان با رصد مولکول کربن مونوکسید در طول موج میلیمتری می‌توانند مقدار جرم، چگالی و توزیع گاز مولکولی در محیط میان‌ستاره‌ای را به دست بیاورند -حتی در منطقه ستاره‌زای شلوغی مثل سحابی شکارچی.

بخار آب امّا داستان متفاوتی دارد. در مناطق ستاره‌زا، بخار آب از ذوب شدن لایه‌ی نازک یخ روی دانه‌های غبار میان‌ستاره‌ای در اثر گرما یا شوک ناشی از شروع همجوشی در ستاره‌های تازه متولّد شده به وجود می‌آیند. به همین خاطر، آشکارسازی خط نشری مولکول بخار آب در طول موج میلیمتری در مناطقی از سحابی شکارچی نشان می‌دهد که در آن مناطق، دانه‌های غبار میان‌ستاره‌ای دمای بالاتری را تجربه می‌کنند. این تابش مولکول‌های بخار آب، که در اثر ترازهای چرخشی این مولکول ایجاد می‌شود، مولکول بخار آب را به یک منبع موثر برای سرد کردن گاز مولکولی گرم (حدود ۱۰۰ کلوین) در محیط میان‌ستاره‌ای تبدیل می‌کند، چرا که به گاز مولکولی اجازه می‌دهد با تابش این انرژی اضافه، به حالت پایه برگردد. آشکارسازی تابش مولکول‌های بخار‌آب در طول موج میلیمتری به ما این امکان را می‌دهد که بفهمیم محیط میان‌ستاره‌ای در چه مناطقی و با چه بازدهی در حال از دست دادن گرمای خود است.

برای مثال در این پژوهش مشخص شد که در سحابی شکارچی، فقط در مناطق مرکزی تابش مولکول بخار آب آشکارسازی شده است که نشان می‌دهد فقط در این ناحیه‌ی مرکزی یخ‌زدایی غبار و سردشدگی محیط در حال رخ دادن است. به طور خلاصه، تابش کربن مونوکسید به ما مخازن گاز مولکولی را نشان می‌دهد و در مقابل، تابش بخار آب به ما فرایند‌های گرمایی محیط میان ستاره‌ای مثل گرم شدن غبار و سردشدگی گاز را نشان می‌دهد و در کنار هم می‌تواند تصویر کاملی از دینامیک پیچیده‌ی محیط میان‌ستاره‌ای در گوشه‌ای از کهکشان ما را به نمایش بگذارد.

شما در این پژوهش از چه ابزار رصدی و تلسکوپی استفاده کردید؟ چه سحابی‌ای را مطالعه کردید؟

در این مطالعه از داده‌هایی که دو تلسکوپ گردآوری کرده‌اند استفاده شده است:

۱-  ابزار کنسرتو (CONCERTO) که روی تلسکوپ ۱۲ متری اَپِکس (APEX) در شیلی نصب شده است و از سال ۱۴۰۰ تا ۱۴۰۲ (۲۰۲۱ تا ۲۰۲۳م) فعالیت داشته است. این دوربین که بازه‌ی طول موجی حدود ۱ تا ۲ میلی‌متر را پوشش می‌دهد، با میدان دید حدود ۱۷ دقیقه‌ی کمانی و توان تفکیک حدود نیم دقیقه‌ی کمانی، از ۴۰۰۰ آشکارساز با فناوری القای جنبشی استفاده می‌کند و قادر است هم تابش پیوستار و هم تابش طیفی را ثبت کند.

۲-  ابزار نیکا۲ (NIKA2) که روی تلسکوپ ۳۰ متری آیرام (IRAM) در اسپانیا نصب شده است.  این دوربین با فناوری مشابهی در طول موج‌های یک و دو میلی‌متر با میدان دید ۶.۵ دقیقه‌ی کمانی و با توان تفکیک بالاتر ۱۲ ثانیه‌ی کمانی فعالیت می‌کند. 

تمرکز این پژوهش بر یک ناحیه‌ی درخشان ستاره‌زا در قسمت شمالی ابرمولکولی بزرگ شکارچی بوده است. این سحابی که در فاصله‌ی ۴۱۴ پارسکی از خورشید قرار دارد نمونه‌ی مناسبی برای بررسی اثر ستاره‌زایی در محیط میان‌ستاره‌ای است. در این پژوهش، برای اولین بار و فقط در طول مدّت زمان ۲.۵ ساعت، هم‌زمان تابش پیوستار ناشی از غبار، تابش طیف نشری مولکول‌های کربن مونوکسید و تابش طیف نشری مولکول‌های بخار آب، در سحابی شکارچی در یک دوره‌ی رصد با دوربین کنسرتو ثبت شده است. با استفاده از این داده‌ها و ترکیب آن با داده‌های نیکا۲ و استفاده از مدل‌های فیزیکی غبار میان‌ستاره‌ای، ضریب تابش مربوط به غبار در پهنه‌ی این سحابی اندازه‌گیری و تغییرات آن در نواحی مختلف سحابی بررسی شده است. مقدار ضریب تابش غبار می‌تواند دیدگاه ما را نسبت به تحول غبار میان‌ستاره‌ای در محیط‌های مختلف داخل یک کهکشان کامل‌تر کند و به ما کمک کند مدل‌های فیزیکی توصیف غبار را بهبود ببخشیم. 

بر پایه مقاله زیر :

https://arxiv.org/abs/2504.20487

نقشهٔ نورسنجی صورت‌فلکی شکارچی با ابزارهای کنسرتو (سمت چپ) و نیکا۲ (سمت راست)، در در فرکانس ۲۵۰ گیگاهرتز. هر دو نقشه با تفکیک‌پذیری زاویه‌ای ۴۰ ثانیه‌ی کمانی هم‌تراز شده‌اند.