معدل التراكم

وحش صغير يختبئ في مجرة قزمة، وجاره يطعمه. المجرة التابعة تندمج ببطء مع جارتها الضخمة، والغاز من المناطق الخارجية يسقط نحو المركز حيث يقع الثقب الأسود. إنه ليس كبيرًا بمقاييس الكون: فقط من ثمانمائة إلى خمسة آلاف كتلة شمسية، لكن شهيته وحشية.

نحات يشكل الجبال من المجالات المغناطيسية والحرارة، لكن الحجر يقاوم. النجم النيوتروني — بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم — في نظام ثنائي يسحب المادة من النجم المجاور. هذه المادة الساقطة تسخن قشرة النجم بشكل غير متساوٍ، بينما يسحبها المجال المغناطيسي من الداخل.

ضوء المنارة البعيدة لا ينطفئ فجأة: أولاً يتوهج بشدة، ثم يغرق ببطء في الظلام. هكذا يتصرف النجم النابض بالأشعة السينية 4U 0115+63 — نجم نيوتروني يشتعل من وقت لآخر عندما يسقط عليه غاز من نجم عادي مجاور. النجم النيوتروني هو بقايا نجم ضخم انفجر، وانضغط حتى أصبح بحجم مدينة، ويملك مجالاً مغناطيسياً أقوى بمليارات المرات من مجال الأرض.

الدوامة تبتلع الماء، لكنها ترش معظمه حولها. هذا تقريبًا سلوك الثقب الأسود عندما يسقط عليه الكثير من المادة. في دراسة جديدة، أجرى علماء الفيزياء الفلكية 32 محاكاة حاسوبية لفهم كيف تتحكم معلمات الثقب - الكتلة والدوران و"الشهية" - في هذه النوافير الكونية. اتضح أن كتلة الثقب (في نطاق من 5 إلى 30 كتلة الشمس) لا تؤثر تقريبًا على أي شيء.

انفجار المستعر الأعظم المستعر الأعظم يقذف الطبقات الخارجية للنجم المحتضر. ويبقى اللب - نجم نيوتروني النجم النيوتروني، معبأ في كرة بحجم مدينة. تنبأ بوجود هذه النجوم في عام 1934 العالم Fritz Zwicky.

انهيار نواة النجم يشبه انضغاط نابض: المادة تسقط إلى الداخل، وفي المركز يولد نجم نيوتروني. لكن السقوط لا يكون مستقيمًا تمامًا. في الطبقات الخارجية المغلية، تنقل الدوامات العشوائية الدوران إلى الغاز الساقط — فيلتف قرص حول الجسم المركزي. هذا القرص ليس نهرًا هادئًا. إنه ينبض: يقوى تارة ويخفت تارة أخرى. المادة التي لا تملك دورانًا تستمر في السقوط عليه من الأعلى، لكن القرص لا يختفي.

النجم النيوتروني هو مرجل يغلي بقطر مدينة وكتلة تعادل كتلة الشمس ونصف. في أعماقه، المادة مضغوطة لدرجة أن النوى الذرية تفقد معناها. هناك تولد أشكال غريبة من المادة: مكثف كاونات (يشبه سائلًا فائق الميوعة) والنجوم النيوترونية التي تحتوي على هيبيرونات (جسيمات ثقيلة).

كان الكون المبكر عند انزياح أحمر z>7 ميدانَ نموٍّ لا يُكبح: ثقوبٌ سوداء تبلغ كتلها مليار كتلة شمسية كانت تشعّ بالفعل على هيئة كوازارات، تبتلع الغاز بسرعة هائلة. كيف استطاع هؤلاء العمالقة النمو في هذا الوقت القصير هو أحد أكثر ألغاز الفيزياء الفلكية إثارة.

الدوامة: تدوير الخفيفة أسهل من الثقيلة. هذا ما تفعله النجوم النيوترونية تقريبًا — وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. نظر علماء الفلك إلى نحو خمسين نظامًا ثنائيًا يدور فيه نجم نيوتروني حول آخر، فلاحظوا: كلما زادت كتلة النجم، طال زمن دورانه. العلاقة ليست حتمية، لكنها ملحوظة إحصائيًا. معامل الارتباط (مقياس العلاقة الإحصائية) حوالي -0.26، ومع احتمال 96% يكون أقل من الصفر.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون مليئًا ببلازما ساخنة شبه متجانسة. لكن في بعض الأماكن، قد تكون الكثافة أعلى قليلاً بالصدفة. إذا اكتسب هذا التجمع كتلة حرجة، فإنه ينهار ليشكل ثقبًا أسود — هكذا وُلدت الثقوب السوداء البدائية.

الكوكب العملاق الرضيع ما زال يجذب بقايا مواد البناء من السحابة المحيطة به. هذا هو المشهد الذي التقطه تلسكوب هابل الفضائي موجّهًا كاميراته نحو الجسم المعروف بالاسم الفهرس SR 12 c. هذا الكوكب المرافق يدور حول نجم شاب ويبعد عنه مسافة كبيرة — أبعد من نبتون عن الشمس. في طيفه، وكأنه قوس قزح ممتد عبر الأطوال الموجية، تظهر حافة مميزة — قفزة بالمر.

في مكان ما في الانتفاخ المجري، يتربص نجم ضخم خامل، على وشك استبدال احتراقه الهادئ بانهيار. يستنفذ لبّه وقوده، وفي جزء من الثانية يولد نجم نيوتروني أو ثقب أسود، قاذفًا 10⁵⁸ نيوترينو – أي معظم طاقة الانفجار تقريبًا.

مترجم في مفاوضات مهمة يتحول فجأة إلى لغة أخرى، فيتغير المعنى كليًا. هذا ما تفعله النيوترينوات في أعماق نجم يحتضر. تولد هذه الجسيمات الخفية بأعداد هائلة عندما ينضغط قلب النجم إلى كتلة بحجم مدينة. لكن في طريقها إلى الخارج، قد تغير النيوترينوات نوعها — يسمي الفيزيائيون هذا بتحول النكهة (flavor). ومن كيفية تحولها يعتمد ما إذا كان النجم سينفجر أم ينهار بصمت إلى ثقب أسود.

الموجات الثقالية — تموّجات في نسيج الزمكان تنبأ بها أينشتاين — كشفت هاوية: الثقوب السوداء التي تتراوح كتلتها بين 60 و120 كتلة شمسية لا تولد تقريبًا.

النجوم التي تفوق كتلة شمسنا بعشرات المرات لا تموت كما كنا نعتقد سابقًا. فقد أظهرت النمذجة الحاسوبية أن نواها غالبًا لا تنفجر على هيئة مستعر أعظم، بل تنهار سريعًا إلى ثقب أسود. الأمر أشبه بكعكة ينهار وسطها فجأة، فتنسحب معظم العجينة إلى الداخل كما لو كانت في قمع، ولا تتطاير إلا بضع قطرات إلى الخارج. وهذا حال النجم أيضًا: معظم المادة تسقط فيه، ولا تتناثر.

الكثافة في مركز النجم النيوتروني هائلة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته تزن مثل وزن جبل. يحاول الفيزيائيون منذ زمن طويل فهم مقدار الكتلة التي يمكن أن يصل إليها مثل هذا النجم قبل أن ينهار إلى ثقب أسود. اعتمد الحد الكلاسيكي، الذي اشتُق في السبعينيات (1970)، على افتراض أن المادة في النواة تصبح غير قابلة للانضغاط (صلبة) فقط عند كثافات عالية جدًا.

النجم النيوتروني هو نواة ميتة لنجم انفجر يومًا ما، مضغوطة إلى حجم مدينة. إذا كان هناك نجم عادي قريب، يقوم النجم النيوتروني بسحب المادة منه مثل المكنسة الكهربائية. تسقط هذه المادة على السطح وتشكل قشرة — طبقة صلبة من النوى الذرية الغنية بالنيوترونات. في هذه القشرة تحدث تحولات نووية: تتحلل بعض العناصر وتتحول إلى عناصر أخرى، وتصدر جسيمات تسمى النيوترينوات.

النمو السريع للثقوب السوداء — وهي مناطق من الزمكان تتمتع بجاذبية لا تفلت منها حتى الضوء — في الكون المبكر يظل أحد أعظم ألغاز الفيزياء الفلكية. ربما تقدم الكوازي-نجوم حلاً محتملاً: فهي شرانق غازية عملاقة تختبئ في أعماقها ثقوب سوداء .

بعض الثقوب السوداء هي بقايا من الانفجار العظيم. عادةً ما تتلاشى عبر تسرب إشعاعي بطيء، تنبأ به ستيفن هوكينغ. لكن مفتاحًا كموميًا قد يقلبها لتصبح ثقوبًا بيضاء، مطلقةً كل طاقتها بشكل انفجاري مثل حبات الفشار التي تنفجر فجأة.

كانت الأرض في شبابها تشبه خلية نحل: كانت تنمو بالتصاق عدد لا يحصى من الكتل الصخرية. وعندما انتهى البناء الأساسي، تعرض الكوكب الفتي لسرب نيزكي متأخر — ما يُسمى بالكسوة المتأخرة. هذه الاصطدامات، كما ظن العلماء، جلبت إلى الطبقات العليا من الأرض البلاتين والذهب ومعادن نادرة أخرى. وفائضها في الوشاح ظل لفترة طويلة دليلاً: ها هي آثار الزوار الكونيين. لكن دراسة جديدة تقلب هذه الصورة.

نجمان خافتان يدوران في مدار متقارب لدرجة أن أحدهما يسحب المادة من الآخر، مثل ملعقة تزيل الرغوة بحذر من مرق. لأول مرة، حسب علماء الفلك مصير مثل هذه الأزواج — الأقزام فائقة البرودة والأقزام البنية، أبرد وأخفت سكان المجرة. كان يُعتقد سابقًا أن تبادل الكتلة بينها مستحيل: فهي هشة للغاية.

النيوترينوات (neutrinos) جسيمات صغيرة لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. فهي تمر عبر النجم دون عوائق، مثل الرصاص عبر الضباب. عندما يستعد نجم ضخم للانفجار، تنضغط نواته، وترتفع درجة الحرارة، وتبدأ النيوترينوات بالانطلاق منه. ولأول مرة، تتبع الفيزيائيون الفلكيون هذه العملية بشكل مستمر، من الأيام الأخيرة في حياة النجم حتى اللحظات الأولى بعد انهيار نواته.

في أعماق النجم المحتضر قبل انفجار المستعر الأعظم، تجري تفاعلات نووية تحدد أي العناصر الكيميائية ستنتشر في الفضاء. أحد هذه التفاعلات هو اصطدام نواة الأكسجين مع بروتون، ينتج عنه نواة النيتروجين وجسيم ألفا (نواة الهيليوم).

في مصادم الهادرونات الكبير، تُصطدم البروتونات بنوى الرصاص. لحظة الاصطدام تولد مئات الجسيمات الجديدة، وبعضها يخرج في حزم ضيقة — نفاثات. داخل هذه النفاثة، كما في تيار كثيف، يمكن للبروتونات والنيوترونات أن تلتصق معًا لتكوين نوى أكبر، مثل الديوترون — نواة الهيدروجين الثقيل.

في ليلة على طريق صحراوي، يضيء المصباح نادرًا، لكنه فورًا بكامل قوته. هكذا تتصرف النجوم من نوع WZ Sge: تظل خافتة بالكاد لسنوات، ثم تتوهج دفعة واحدة بمئات المرات أكثر سطوعًا. قرر علماء الفلك التحقق مما يحدث في أقراصها الغازية خلال الفترات الهادئة — فوجدوا فيها فراغًا تقريبًا. القرص حول مثل هذا النجم يشبه سحابة رقيقة جدًا: إنه شفاف للضوء مثل زجاج النافذة.

في مصادم الهادرونات الكبير، لا تُصطدم البروتونات فحسب، بل أيضًا نوى الذرات كاملة. عند اصطدام نواتين بسرعة هائلة، ينشأ حجم ضئيل من مادة فائقة الحرارة — ساخنة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات فيها تذوب وتتحول إلى «حساء» من الكواركات والغلوونات. وعبر هذا الحساء، كما لو كان وسطًا كثيفًا، تشق الجسيمات السريعة طريقها.

قبل ذلك بوقت طويل، فريتز زفيكي توقع أنه بعد انفجار مستعر أعظم يولد نجم صغير جدًا نجم نيوتروني. بعد سنوات، التقطت جوسلين بيل بورنيل نبضاته، مكتشفةً النجوم النابضة.

الثقوب السوداء هي بالوعات كونية، دوامات جاذبية تسحب المادة من الفضاء المحيط. هذه العملية، التي تسمى التراكم، لا تسير دائمًا بسلاسة: جزء من الغاز الساقط قد يُقذف مرة أخرى على شكل نفاثات نسبوية ضيقة — نفاثات.

في النظام الثنائي 4U 1700-37، يفقد النجم العملاق الفائق HD 153919 رياحًا نجمية قوية. هذه الرياح، مثل تيار غير مرئي، تندفع نحو الجار المضغوط — على الأرجح النجم النيوتروني. عند سقوطها، تسخن المادة إلى ملايين الدرجات وتتوهج في نطاق الأشعة السينية. وجه علماء الفلك تلسكوب NuSTAR المداري نحو هذا الثنائي لفحص تفاصيل التوهج.

في السحب الداكنة من الغاز بين النجوم حيث تولد النجوم، تتجمع المادة في عقد كثيفة — مهد النجوم المستقبلي. يقيس علماء الفلك المسافات بين هذه العقد من خلال صور السماء، لكن الصورة مسطحة بينما السحابة حجمية. التحويل من المستوى إلى الحجم ليس بالمهمة السهلة كما يبدو. عادةً يُفترض أن المسافة المسطحة بين العقد المتجاورة يجب ضربها في 4/π ≈ 1,27 للحصول على المسافة الحجمية.

الضوء القادم من مصدر بعيد، عند مروره بجوار نجمة نيوترونية، ينحني مثل شعاع مصباح يدوي في مرآة ملتوية. أجرى الفيزيائيون الفلكيون تجربة عددية: أطلقوا أشعةً بالاتجاه المعاكس من الراصد نحو النجمة، وراقبوا الصورة التي سيراها التلسكوب. داخل النجمة، المادة مضغوطة لدرجة أن سلوكها يوصف بمعادلة بسيطة — كلما زاد الضغط، زادت الصلابة في المقاومة. النجمة النيوترونية هي بقايا انفجار نجمة ضخمة.

الألومنيوم-26 هو نظير لا يعمر طويلاً بالمقاييس الكونية: حوالي مليون سنة فقط. عندما ينفجر نجم ضخم كمستعر أعظم، يقذف هذا الألومنيوم إلى الفضاء. لاحقًا، يتحلل باعثًا أشعة غاما يمكن التقاطها بالتلسكوبات. أعاد الباحثون حساب كمية الألومنيوم-26 التي يجب أن يقذفها نجم كتلته 20 كتلة شمسية.

في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين (حوالي عام 2010)، لاحظ علماء الفلك أمرًا مذهلاً: الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مراكز المجرات، على الرغم من الاختلاف الهائل في الأحجام والسطوع، تصطف على خط مستقيم واحد عند رسم علاقة توهجها في نطاق المليمترات بأشعة إكس وكتلتها. وقد أُطلق على هذا الخط اسم "المستوى الأساسي المليمتري لتراكم الثقوب السوداء".

تخيل غرفة مكتظة: كل شخص جديد يدخل يزيد الضغط على الجدران. مبدأ مشابه يعمل في النجم النيوتروني — بقايا نجم ضخم فائقة الكثافة، حيث تكون المادة مضغوطة إلى كثافات نووية. زيادة الكثافة تؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية — الضغط، الذي يصفه الفيزيائيون بنسبة الضغط إلى كثافة الطاقة (الكمية φ).

ارتفع بالون ATIC فوق القارة القطبية الجنوبية والتقط جسيمات أقدم من الأرض نفسها. من بينها نوى ذرية من الكبريت إلى الكروم، وكلما زادت طاقتها، زادت نسبتها مقارنة بالحديد. النموذج القياسي "الصندوق المثقوب" توقع العكس: كان يجب أن تذوب النوى الثقيلة مثل الملح في الماء. لكن البيانات أصرت على الارتفاع.