نواة مجرية نشطة

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة. فهو لا يلتهم الغاز الساقط فحسب، بل يقذف جزءًا منه مجددًا عبر نفاثات قوية. تعمل هذه النفاثات، مثل مكابس عملاقة، على دفع الغاز المحيط وتسخينه. لطالما اشتبه علماء الفلك في أن الثقوب السوداء بهذه الطريقة تمنع المجرات من البرودة والتحول إلى مصانع نجوم باردة.

جسيم بطاقة $$10^{18}$$ إلكترون فولت يخترق الغلاف الجوي للأرض، وكأن كرة تنس تطير بسرعة 200 كيلومتر في الساعة وتصطدم بجدار. من أين تأتي هذه القذائف؟ يتناقش علماء الفيزياء الفلكية في ذلك منذ عقود. انفجارات أشعة غاما، وهي انفجارات قوية قصيرة الأمد لأشعة غاما، كانت منذ زمن طويلة مرشحة لدور المسرعات.

في أعماق النجم النيوتروني، حيث تكون المادة مضغوطة إلى كثافة النواة الذرية، تشكل النيوترونات سائلًا فائق الميوعة، بينما تشكل البروتونات موصلًا فائقًا. الدوامة النيوترونية هي دوامة كمية في السائل فائق الميوعة، تشبه دوامة مائية مصغرة لا يمكن أن تتوقف. أنبوب التدفق البروتوني هو خيط كمي من التدفق المغناطيسي، أنبوب رفيع يخترق المجال المغناطيسي من خلاله الموصل الفائق.

المجرة Mrk 590 تتصرف مثل مستقبل راديوي تارةً يلتقط الموجة وتارةً يغرق في الضجيج. ثقبها الأسود فائق الضخامة ظلّ لعقود يشتعل حينًا ويخفت حينًا آخر، وكان الفلكيون يترقبون كل "تشغيل" من هذا القبيل. في عام 2017 عاد المستقبل إلى الحياة من جديد، لكن التلسكوب الراديوي VLA لم يسمع الإشارة التي كانوا ينتظرونها.

في مركز المجرات القزمة فائقة الكثافة (وهي أنظمة نجمية كثيفة جدًا يبلغ حجمها عشرات السنوات الضوئية) تعمل مكنسة كهربائية. لكن بدلًا من الغبار، تمتص الغاز الذي تُطلقه النجوم المحتضرة. هذا الغاز لا يتطاير في كل اتجاه، بل يلتف في قمع: قرص دوّار يستقر تدريجيًا على الثقب الأسود.

في مركز درب التبانة، حيث يحرك الثقب الأسود الهائل "القوس A*" سحب الغاز كما تحرك الطاحونة أحجارها، رصد علماء الفلك نبضًا غير منتظم. أشعة غاما، وهي أكثر أشكال الضوء طاقةً في الكون، تصل إلينا من هناك ليس كموجة منتظمة، بل مع انكسار، وكأن قلب المجرة ينبض بعدم انتظام.

السماء الليلية في ضوء النيوترينو تشبه لوحة يعمل عليها يدان. إحداهما تحمل فرشاة عريضة ناعمة، وهي بقايا المستعرات العظمى، الأغلفة المتبقية بعد انفجارات النجوم. والأخرى تضغط على قلم رفيع صلب، وهي الميكروكويزارات، أنظمة ثنائية حيث يلف الثقب الأسود المادة في نفاثات ضيقة.

رصد تلسكوب الأشعة السينية الفضائي XMM-Newton المجرة Mrk 1044 بشكل متواصل لمدة ساعتين. في مركزها يوجد ثقب أسود يدور حوله قرص تراكمي من الغاز شديد الحرارة. يصدر هذا الغاز إشعاعًا سينيًا، وسطوعه غير مستقر — فهو يتقلب: تارة يشتد، وتارة يضعف. في أول نصف ساعة من الرصد، كانت التغيرات في الإشعاع السيني الطري (ذي طاقة فوتونات أقل) والصلب (ذي طاقة أعلى) متزامنة.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة — جسم كتلته أكبر من كتلة الشمس بملايين أو مليارات المرات، وجاذبيته لا تطلق حتى الضوء. عادةً ما يكون في حالة سكون، لكنه أحيانًا، مثل بركان يستيقظ فجأة، يقذف نفاثات ضيقة من البلازما — نفاثات راديوية (jets).

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة — جسم كتلته أكبر من كتلة الشمس بملايين أو مليارات المرات، وجاذبيته لا تطلق حتى الضوء. عادةً ما يكون في حالة سكون، لكنه أحيانًا، مثل بركان يستيقظ فجأة، يقذف نفاثات ضيقة من البلازما — نفاثات راديوية (jets).

في السماء الجنوبية، خلف حجاب كثيف من الغبار الكوني، يختبئ مصدر لأشعة غاما — وهي أكثر أشكال الضوء طاقةً في الكون. إنه يضيء بسطوع شديد لدرجة أن إشعاعه يخترق هذا الحجاب، لكن الجسم نفسه يظل غير مرئي للتلسكوبات البصرية. وجّه علماء الفلك تلسكوب ALMA الراديوي نحو السحب الغازية المجاورة ورصدوا نمطًا كشف النقاب عن هذا الجسم الخفي.

ثقب أسود كتلته 35,000 كتلة شمسية يتحرك عبر غاز المجرة، مثل بارجة تشق الضباب. جاذبيته — انحناء الزمكان — تجمع المادة أمامه، وتشكل خلفه ذيلًا كثيفًا، وهو تيار من الغاز في أعقابه. جزء من هذا الغاز يلتقطه الثقب الأسود عبر التراكم (accretion) — يسحبه إلى داخله، مما يزيد كتلته.

انفجار النجم الضخم، المستعر الأعظم، ليس مجرد وميض ساطع، بل هو ضربة قوية للغاز المحيط، يمكن أن تطلق موجات من تشكل النجوم. ومع ذلك، لم يدرس أحد حتى الآن كيف يتحرك الغاز نفسه في مواقع هذه الانفجارات. الآن، جمع علماء الفلك بيانات عن 33 مستعرًا أعظم قريبًا مستعرًا أعظم وقاسوا لأول مرة اضطراب الغاز الجزيئي البارد حولها.

في مركز عنقود المجرات في كوكبة برشاوس تقع المجرة NGC 1275. تمكن علماء الفلك لأول مرة من رصد تفاصيل الرياح المنبعثة من الغاز الساخن في نواتها. تُرى هذه الرياح من خلال توهج الهيدروجين والأكسجين — وهما عنصران يصدران إشعاعًا مميزًا عند درجات الحرارة المرتفعة. تبلغ سرعة الرياح 570 كيلومترًا في الثانية — أسرع من سرعة الرصاصة.

بدأت القصة البوليسية الكونية بوميض هادئ في النطاق البصري. كان الجسم AT2019wzc يتوهج ويخفت ببطء مثل جمرة متوهجة. لكن بداخله كان يختبئ شيء أكثر طاقة — نبضات متكررة من الأشعة السينية اللينة، يسميها علماء الفلك ثورانات شبه دورية — انبعاثات قصيرة ولكن منتظمة من الإشعاع عالي الطاقة. تستمر هذه الثورانات لدقائق أو ساعات وتتكرر كل بضع ساعات أو أيام.

في مجرة السيجار البعيدة، هناك منارة غير عادية. إنها لا تضيء بالمعنى المألوف — بل تولد أشعتها في سحابة ملتهبة حول ثقب أسود يبتلع مادة نجم مجاور. تُسمى هذه الأجسام مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع. لمعانها في الأشعة السينية قوي لدرجة أنه يطغى على مجرات بأكملها. هذه السحابة — الهالة — تشبه مرجلًا يغلي. فيه تتخبط جسيمات البلازما بسرعات هائلة، وتتصادم وتتسارع.

في مجرة السيجار البعيدة، هناك منارة غير عادية. إنها لا تضيء بالمعنى المألوف — بل تولد أشعتها في سحابة ملتهبة حول ثقب أسود يبتلع مادة نجم مجاور. تُسمى هذه الأجسام مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع. لمعانها في الأشعة السينية قوي لدرجة أنه يطغى على مجرات بأكملها. هذه السحابة — الهالة — تشبه مرجلًا يغلي. فيه تتخبط جسيمات البلازما بسرعات هائلة، وتتصادم وتتسارع.

الثقب الأسود ليس كيسًا أسود تمامًا. في عام 1974، أظهر ستيفن هوكينج أنه يضيء — بشكل خافت لكن مستمر. هذا إشعاع هوكينج يولَد ليس من الداخل، بل من الخارج، عند الحدود ذاتها — أفق الحدث، حيث لا يفلت حتى الضوء. عمل جديد يوضح الصورة.

التجمع الكروي (globular cluster) — سرب كثيف من مئات الآلاف من النجوم — يخترق المجرة مثل رصاصة تخترق الماء. في المادة المظلمة العادية (الكتلة غير المرئية التي تمسك المجرات)، يجب أن يفقد سرعته بسرعة بسبب الاحتكاك المدّي (dynamical friction). لكن في المجرة القزمة الكور، العديد من هذه التجمعات لم تسقط بعد نحو المركز. يسمي علماء الفلك هذا "مشكلة الزمن".

في أعماق السحب الجزيئية تختبئ مضخمات طبيعية — مازرات كونية. تعمل مثل الليزر، لكن في نطاق الراديو: جزيئات مثارة تبعث معًا موجات بنفس التردد، منتجة شعاعًا ساطعًا. المشكلة أن هذه الجزيئات غالبًا ما تملك عدة مسارات لتفريغ الطاقة. أحدها يؤدي إلى التضخيم، والآخر — مثل ثقب في دلو — يفرغ المخزون بسرعة دون فائدة. كان يبدو أن التسرب السريع يجب أن يفرغ المستوى العلوي ويطفئ المازر. لكن الحياة أعقد من ذلك.

في مراكز العديد من المجرات تختفي ثقوب سوداء عملاقة. يحيط بها سحابة كثيفة من البلازما الحارقة، التي تطلق توهجًا قويًا للأشعة السينية. في منطقة ضيقة، على بعد بضعة أنصاف أقطار جذبية فقط (وتُعرف بأنصاف أقطار Karl Schwarzschild — الحد الذي يختفي عنده حتى الضوء)، تتسارع البروتونات إلى طاقات هائلة. هنا مدخل المصنع الطبيعي.

في مراكز العديد من المجرات تختفي ثقوب سوداء عملاقة. يحيط بها سحابة كثيفة من البلازما الحارقة، التي تطلق توهجًا قويًا للأشعة السينية. في منطقة ضيقة، على بعد بضعة أنصاف أقطار جذبية فقط (وتُعرف بأنصاف أقطار Karl Schwarzschild — الحد الذي يختفي عنده حتى الضوء)، تتسارع البروتونات إلى طاقات هائلة. هنا مدخل المصنع الطبيعي.

يقول المثل: المصباح الساطع في الضباب الكثيف يبدو خافتًا، بينما يُرى ضوء صغير في الهواء الشفاف من مسافة كيلومتر. شذوذ مماثل حيّر علماء الفيزياء الفلكية قبل نصف قرن تقريبًا.

سباق ماراثوني طوله 13 مليار سنة بدأ بأوزان مختلفة. مئة كتلة شمسية — أخف من بعض السحب الغازية. مئة ألف — هيمنة جاذبية، مقارنة بفيل بين قطط صغيرة. هكذا بدت أجنة الثقوب السوداء التي كان عليها أن تتحول إلى عمالقة فائقة الكتلة بحلول وقتنا. تلسكوب جيمس ويب صادفها في طفولتها وتعجب: مجرات صغيرة، وفي مركزها ثقب كتلته مليارات الشموس.

قرص غازي بوزن أربعمائة ألف شمس يحيط بـ الثقب الأسود فائق الكتلة في مركز درب التبانة. يعمل جاذبيته كدفة ثقالية: يدير مدارات النجوم الثنائية ببطء ولكن بحتمية، دافعاً إياها إلى المنطقة حيث القوى المديّة تمزق الزوجين.

295 000 متر في الثانية. حتى الجسيمات في الانبعاثات الإكليلية للشمس لا تندفع بهذه السرعة. لكن في مركز العنقود المجري H1821+643، يتحرك الغاز الساخن بهذه الطريقة تمامًا. الكوازار في قلبه يزفر - وأنفاسه تحرك كل شيء حوله على مسافة 60 ألف سنة ضوئية.

في الحقل العميق لـ جيمس ويب، بين آلاف المجرات، تأمل علماء الفلك المصدر JADES-GS 209777 — ورأوا فرخًا كونيًا. 'قشرته' هي غلاف سميك من الغاز والغبار الكوني (cosmic dust) الذي طالما أخفى الثقب الأسود المتنامي في المركز. ولكن على انزياح أحمر (redshift) قدره 3,711 (بعد 1,8 مليار سنة من الانفجار العظيم) تشققت القشرة.

أسرع ريح في الكون تندفع بسرعة 0,58 من سرعة الضوء. تقطع المسافة من الأرض إلى القمر في ثانيتين. هذه الريح ليست نفاثة ضيقة، بل تيارًا عريضًا من الغاز ينفث من مركز المجرة. ليست كل الثقوب السوداء تعمل بنفس الطريقة: بعضها يولد مثل هذه الأعاصير، والبعض الآخر يطلق أشعة بلازما ضيقة. الإجابة تشبه تعشيق التروس.

بعد ثمانمائة مليون سنة من الانفجار العظيم، وفي قلب مجرة فتية، ينبض محرك هائل. ثقب أسود كتلته عشرة مليارات شمس يلتهم المادة بنهم شديد بحيث ينبغي لإشعاعه أن يطغى على كل ما حوله. لكن الهدوء يخيم على الخارج. فالكشاف القوي محجوب خلف ستار كثيف من الغاز والغبار الكوني - ضباب كوني لا يسمح بنفاذ شعاع واحد.

غصن يسقط في دوامة مائية. يدور ويتكسر، لكن أحيانًا ينطلق من المركز نافورة ماء قوية. تقريبًا هكذا يمزق الثقب الأسود نجمًا يمر بجانبه، وأحيانًا بعد ذلك ينطلق في الفضاء نفاث بلازما مبهر — النفاث.

في الكون المبكر، بعد بضع مئات من ملايين السنين فقط من الانفجار العظيم، يرصد الفلكيون أجساماً غريبة: نقاطاً حمراء صغيرة. إنها مدمجة وحمراء، وفي أطيافها تصرخ خطوط بالمر العريضة بوجود ثقوب سوداء فائقة الكتلة.

كرة البلياردو تصطدم بأخرى في ظلام دامس. صوت الاصطدام وقعقعة الكرات الساقطة في الجيوب — هذا كل ما يُسمع. هكذا تقريبًا يدرس الفيزيائيون تفاعلات الجسيمات الأولية عند طاقات لا يستطيع أي مسرع أرضي إنتاجها. في العمل الجديد، حوّل الفيزيائيون الفلكيون مجرات بأكملها إلى مختبرات عملاقة، وأصبحت الكيلومترات المكعبة من الجليد في القارة القطبية الجنوبية ومياه البحر الأبيض المتوسط كواشف.

في أبريل 2021، صوّبت هوائيات تلسكوب أفق الحدث (EHT) — الشبكة العالمية من المقاريب الراديوية المليمترية — نحو نقطة صغيرة في كوكبة العذراء. إنها النواة النشطة للمجرة 3C 279، الواقعة على بُعد 16,5 ميغا فرسخ، وهي واحدة من ألمع البلازارات وأكثرها تغيرًا.

في قلب مجرة هيدرا-أ العملاقة، يغلي العمل. يطلق الثقب الأسود فائق الكتلة نفاثتين قويتين من البلازما تُعرفان بالجيتات (jets). تخترقان سحابة الغاز الحارق المحيطة وتنفخان فيها فقاعات هائلة. ولأول مرة، أتاح التلسكوب الياباني الجديد XRISM قياس السرعة التي يرتجف بها هذا الغاز ويتحرك. XRISM مرصد للأشعة السينية أُطلق عام 2023.

المادة المظلمة لا تُرى بالتلسكوبات، لكن جاذبيتها كشفتها فيرا روبين منذ نصف قرن. منذ ذلك الحين، درس الفيزيائيون عشرات الفرضيات، ومن أكثرها أناقةً الثقوب السوداء الأولية التي نشأت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

في أعماق النجم النيوتروني، تكون المادة مضغوطة بشدة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات المألوفة تفسح المجال للاعبين جدد. هناك تولد الهايبرونات (hyperons) — وهي جسيمات يعيش داخلها كوارك غريب. السؤال عن مقدار الطاقة اللازمة لإخراج مثل هذا الهايبرون من الوسط النووي ليس سؤالاً عابراً: فالإجابة عليه تحدد ما إذا كان النجم سيصمد أم ينهار ليتحول إلى ثقب أسود.

في مركز العديد من المجرات يختبئ سحاب غير مرئي — هالة من المادة المظلمة. إذا كانت هذه المادة باردة وخفيفة بما يكفي، فإنها تتصرف مثل سائل فائق السيولة: يتدفق دون احتكاك، وأي دوران فيه يلتف إلى دوامات كمية صغيرة — خيوط بحجم نواة الذرة. في هالة عرضها آلاف السنين الضوئية، قد يكون هناك عدد لا يحصى من هذه الدوامات.

الكون يعيد كتابة تاريخه مراراً وتكراراً. فبينما لا يرى الفلك التقليدي سوى نقطة — ثقب أسود — تنتزع الموجات الثقالية طبقات الماضي الرقيقة، كما نفعل مع طِرس أثري. وفكرة أن الثقوب السوداء يمكنها أن تنمو بابتلاع بعضها بعضاً، وأن تندمج ذريتها في تحالفات جديدة، يناقشها علماء الفيزياء الفلكية منذ نصف قرن.

اليد الخفية لـ المادة المظلمة تضغط المجرات في أحضان الجاذبية، لكن طبيعتها تظل مراوغة منذ قرابة قرن. كان فريتز زفيكي قد اشتبه بوجود كتلة مخفية في العناقيد، وأظهرت فيرا روبين أن النجوم عند الأطراف تدور بسرعة كبيرة - وكأن قائد أوركسترا خفي يدفعها.

عرض كوني يُعرض على مسرح مجرة قنطورس أ. في الدور الرئيسي، ثقب أسود فائق الكتلة بنفاثه العاتي الذي يخترق الفضاء لمئات الآلاف من السنين الضوئية. لكن، إن أدرت بصرك عن ضوء النواة الساطع وأمعنت النظر في الكواليس — القرص الغباري الملتوي — فستكتشف عملاً هادئًا ودؤوبًا: ولادة نجوم جديدة.