ثنائي أشعة إكس في الفلك (X-ray binary) هي فئة من النجوم الثنائية تشع ضياء عبارة عن أشعة سينية. تنشأ الأشعة السينية عن سقوط مادة من أحد النجمين على قرين له، يسمى النجم القرين الذي يكون عادة نجما عاديا "العاطي" وأما الأخر الذي يجذب إليه مادة الآخر "المزوّد" وهذا يكون نجما منضغطا عظيم الكثافة، مثل: قزم أبيض أو نجم نيتروني أو ثقب أسود.
تتحرر من المادة المنهارة على النجم الجاذب طاقة وضع ثقالة تصل إلى عدة أعشار (1/10) من كتلة سكونها في هيئة أشعة سينية (بالمقارنة: عندما يندمج الهيدروجين يتحول 7و0 % فقط من كتلة السكون إلى طاقة.)
وتصدر خلال عملية ابتلاع مادة هذه نحو 1041 من البوزيترونات من ثنائي أشعة إكس صغير الكتلة LMXB.[1][2]
سقوط المادة
تسقط المادة على النجم الكثيف المنضغط بطريقتين:
- على هيئة ريح نجمية قادمة من القرين، تنجذب إلى النجم الكثيف. وتشاهد تلك الريح النجمية غالبا في نجوم النسق الأساسي وفي العمالقة العظام الفائقين.
- بالنسبة للنجوم التي تتعدى حد روش تنساب المادة عبر نقاط لاغرانج إلى النجم الكثيف المنضغط. وقد يستمر مثل هذا الانسياب المادي عدة ملايين السنين.
ونظرا لقانون انحفاظ الزخم الزاوي فلا تسقط المادة مباشرة على النجم الكثيف وإنما تشكل في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي قرصا مزودا حول النجم المنفطر (يكون النجم المنضغط فائقا الكثافة بحيث تنهار الذرات على نفسها وتضيع المسافة بين الألكترونات في الغلاف الذري وبين أنوية الذرات بشكل كبير، عندئذ تظهر ظاهرة الانفطار - وهي ظاهرة كمومية - على تلك المادة المنضغة الكثيفة).
وتؤدي اللزوجة إلى احتكاك في قرص المادة وتعمل على تسخينها، وعند وصول درجة الحرارة في القرص إلى درجات عالية تبدأ المادة في إصدار أشعة سينية. وعندما تسقط المادة من القرص على سطح قزم أبيض أو نجم نيوتروني فهي تعمل على رفع درجة حرارة سطحه فيشع هو الآخر أشعة إكس.[3].
وقد تعلمنا ذلك من مراصد مخصوصة على أقمار صناعية تلتقط صورا للأشعة السينية الصادرة من تلك الأجرام، مثل روسات وتلسكوب فضائي وتلسكوب شاندرا الفضائي للأشعة السينية. وأما المراصد الأرضية فهي لا تستطيع تسجيل الأشعة السينية القادمة من الأجرام السماوية بسبب امتصاص هواء الأرض لها (أنظر تلسكوب فضائي).
النجم المنضغط قزم أبيض
إذا كان النجم الذي يجذب المادة إليه في نظام نجم ثنائي قزما أبيضا فإنه يصدر أشعة سينية منخفضة الطاقة. والسبب في انخفاض طاقة الأشعة السينية هو الكبر النسبي لقطر القزم الأبيض الذي يبلغ في العادة 10.000 كيلومتر وهذا أكبر كثيرا عن قطر نجم نيوتروني أو ثقب أسود، ونظرا لانخفاض المجال الثقالي النسبي للقزم الأبيض فينتج بالتالي عن المادة الساقطة اشعة إكس قليلة الطاقة.
وإذا كان للقزم الأبيض مجالا مغناطيسيا فيصغر قرص المادة حول القزم الأبيض وتصدر منه أشعة أكس مستقطبة وكذلك يكون الضوء الصادر منه مستقطبا. وإذا كان المجال المغناطيسي للقزم الأبيض ضعيفا في تأثيره على المادة الساقطة تنتج أشعة سينية من انهيار مادة من القرص المزود على سطح القزم الأبيض. وهذا يحدث فيما يسمى مستعر قزم ويكون ذلك الإصار دوريا.[4].
النجم المنضغط نجم نيوتروني
إذا كان النجم المزود نجما نيوترونيا أو نجما مغناطيسيا Magnetar يكون انهيار المادة في المجال الثقالي الكبير انهيارا سريعا وتنطلق الطاقة الناشئة عنها عند اصتدامها بسطح النجم النيوتروني. ونظرا لكون المادة في القرص حول النجم النيوتروني في حالة بلازما فإنها تتأثر بالمجال المغناطيسي للنجم النيوتروني حيث تصل شدة مجاله المغناطيسي 1011 تسلا أو بالتالي 1015 جاوس (وحدة) وتتبلع المادة المتأينة مسار خطوط المغناطيسية وتهار عليه لذلك عند قطبيه. وبسبب الجاذبية الشديدة للنجم النيوتروني تصل سرعة الجسيات الساقطة إلى سرعات تبلغ 100.000 كيلومتر في الثانية، أي نحو ثلث سرعة الضوء. ولكن منطقة القوط تكون محدودة بمساحة عدة كيلومترات مربعة فتصل درجة الحرارة عندها إل 100 مليون كلفن، وتشع معظم الطاقة من هنا في هيئة أشعة إكس.
وتقدر القدرة الضيائية نحو 10.000 أشد من ضياء الشمس. ويتكون الضياء الشمسي من جميع الطاقة التي تشعها الشمس في كل الطيف (أي جميع أطوال الموجات الكهرومغناطيسية. ونظرا لدوران النجم النيوتروني حول محوره وانحصار الاشعة السينية الصادرة في قرص المادة فيكون الإشعاع محجوبا إلى حد ما عن انجاه الأرض. ولذلك تسمى ثنائيات أشعة إكس ذات نجم نيوتروني ومجال مغناطيسي قوي نباض اشعة إكس.
مثال على نباض إشعة إكس نشاهده في هركوليس إكس-1 وهو يبعد عنا نحو 15.000 سنة ضوئية. اكتشفه القمر الصناعي أوهورو Uhuru عام 1971، ومنذ ذلك الحين عثرنا على نحو 100 من تلك الأنظمة في مجرتنا، مجرة درب التبانة. كما نعرف مثالا آخرا نجم قنطور إكس-3 وهو نباض أشعة إكس.
وهناك تأثير آخر وهو انتقال عزم الدوران من المادة الساقطة على النجم النيوتروني. فهي تسرعه فتزيد سرعة دورانه حول محورة إلى معدلات قد تصل إلى عدة آلاف هرتز، مما يعني أن دورة كاملة للنجم النيوتروني تتم خلال 001و0 ثانية أو بعضا منها. ولذلك فإن أنظمة ثنائي أشعة إكس هي منشأ النباضات التي تنبض كل مللي ثانية.[5]. ونشاهد عند تزايد نشاط في تزويد المادة لتلك النجوم ارتفاعا سريعا في معدل دورانها حول محورها.
النجم المنضغط ثقب أسود
لا يوجد للثقب الأسود من الوجهة النظرية سطحا ولذلك تُشع الأشعة السينية من القرص المزود. وترتفع درجة الحرارة في اتجاه داخل القرص حتى تصل إلى درجة عالية مؤدي إلى إضدار أشعة سينية عالية الطاقة. ونظرا لكون الثقب الأسود ليس له مجال مغناطيسي فإن البلازما تسفط من القرص إلى الثقب الأسود خبر طبقة وسطية.
وتكون الطبقة الوسطية في نفس مستوى القرص المزود ولهذا تتغير شدة الإشعاع السيني تغيرات ليست دورية منتظمة كل ثانية أو مللي ثانية تبدو لنا في هيئة اهتزازية شبه دورية. وتستخدم هذه الصفة الاهتزازية الخاصة للإشعاع في المشاهدات الفلكية للتعرف على وجود ثقب أسود كأحد القرينين في ثنائي أشعة إكس.
من أحسن الامثلة على وجود ثنائي أشعة إكس فيه قرين أساسي عبارة عن ثقب أسود نجده في مصدر اشعة إكس نجم الدجاجة إكس-1 وهو نظام يبعد عنا نحو 14.000 سنة ضوئية - أي أنه في مجرتنا مجرة درب التبانة والتي يبلغ قطرها نحو 10.000 سنة ضوئية.[6].
المراجع
- Weidenspointner, Georg (2008-01-08). "An asymmetric distribution of positrons in the Galactic disk revealed by gamma-rays". Nature. doi:10.1038/nature06490. مؤرشف من الأصل في 18 يناير 201704 مايو 2009.
- "Mystery of Antimatter Source Solved – Maybe" by John Borland 2008 نسخة محفوظة 30 أكتوبر 2013 على موقع واي باك مشين.
- Walter H. G. Lewin, Jan van Paradijs, Edward P. J. van den Heuvel (1997) (in German), X-ray Binaries, Cambridge University Press, ISBN
- Brian Warner (1995) (in German), Cataclysmic Variable Stars, Cambridge University Press, ISBN
- Pablo Reig (2011), "Be/X-ray binaries" (in German), Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics, arXiv:1101.5036
- S.N.Shore, M. Livio, E.P.J van den Heuvel (1992) (in German), Interacting Binaries, Berlin: Springer-Verlag, ISBN