نجم ثنائي

في سحابة كثيفة من الغاز والغبار، حيث تولد النجوم الضخمة، مرّ نجمان شابان قريبين جدًا من بعضهما مؤخرًا. رقصتهما تستمر حوالي ستين عامًا فقط، ولأول مرة تمكن علماء الفلك من رؤيتها بالتفصيل. يقع النظام IRAS 07299−1651 على بعد 1.4 كيلو فرسخ فلكي منا، وخلال ثماني سنوات من الرصد، تحرك مكوناه في السماء مسافة لا تستطيع العين تمييزها، لكن الأجهزة سجلتها بدقة تصل إلى جزء من عشرة آلاف من الثانية القوسية.

أخطبوط ينتظر باسطًا أذرعه. لا أحد يتحكم في أذرعه من مركز واحد، لكن بمجرد أن تلمس الفريسة إحداها، تلتف الأذرع الثمانية حولها. وقد أعاد الفيزيائيون إنتاج حيلة مشابهة في المختبر باستخدام جسم لا يملك خلايا عصبية ولا عضلات: بوليمر نجمي بأذرع ذاتية الحركة. صُنع البوليمر من روبوتات اهتزازية أسطوانية صغيرة على لوحة مهتزة.

ألبوم العائلة لهذا الثنائي النجمي ظل يُحدَّث على مدى 45 سنة، لكن الصور كانت ضبابية والتعليقات متناقضة. الآن، أخرج علماء الفلك الصور القديمة، والتقطوا لقطات جديدة واضحة، وأعادوا ترتيب الجميع في أماكنهم الصحيحة. غاما قيفاوس نجم لامع يُرى بالعين المجردة، وله رفيق غير مرئي يدور حوله كل 70 سنة. تبيّن أن الرفيق نجم خفيف كتلته 0.396 من كتلة الشمس، وليس كوكبًا ثقيلًا كما كان يُعتقد سابقًا.

في العنقود النجمي الكثيف NGC 6791، الذي هو أقدم من الشمس وغني بالعناصر الثقيلة، يندمج ضوء النجوم المتعددة في توهج واحد. قرر علماء الفلك تفكيك هذا الضوء إلى نجوم فردية باستخدام بيانات التلسكوب الفضائي Gaia.

يدور نجمان حول مركز كتلة مشترك، مثل راقصين يقتربان تارة ويتباعدان تارة أخرى. مع مرور الوقت، ينتفخ أحدهما، وتنتقل طبقاته الخارجية - الغلاف الغازي المخلخل - إلى جاره. النجم الذي يستقبل المادة الغريبة لا يمكن تمييزه ظاهريًا عن النجم المنفرد: لا من حيث لمعانه ولا كتلته يمكن التعرف مباشرة على طبيعته الثنائية. ومع ذلك، فإن سطحه يحتفظ بذاكرة الغاز المنقول.

قمتان تدوران قريبتين جدًا حتى تكادان تلامسان بعضهما. إحداهما زرقاء محمّاة، والأخرى بيضاء خافتة. معًا يكملان دورة كاملة خلال عشرين ساعة. هذا هو زوج فيغه 64: نجم أزرق كتلته ثلث كتلة الشمس فقط، وقزم أبيض — نواة باردة لنجم سابق — أثقل من شمسنا بمقدار مرة ونصف. النجم الأزرق يبدو حارًا جدًا بالنسبة لكتلته. درجة حرارته خمسة عشر ألفًا وخمسمائة درجة، مثل أسخن خيط في مصباح.

يدور نجمان حول مركز كتلة مشترك، مثل راقصين يقتربان تارة ويتباعدان تارة أخرى. مع مرور الوقت، ينتفخ أحدهما، وتنتقل طبقاته الخارجية - الغلاف الغازي المخلخل - إلى جاره. النجم الذي يستقبل المادة الغريبة لا يمكن تمييزه ظاهريًا عن النجم المنفرد: لا من حيث لمعانه ولا كتلته يمكن التعرف مباشرة على طبيعته الثنائية. ومع ذلك، فإن سطحه يحتفظ بذاكرة الغاز المنقول.

جمرتان متوهجتان بقيتا من نار مشتعلة تدوران في الظلام، تقتربان تدريجيًا. مع كل دورة تفقدان قليلًا من الطاقة التي تتحول إلى تموجات غير مرئية في نسيج الزمكان. هكذا يبدو النظام eRASSU J060839.5−704014 — زوج من الأقزام البيضاء (بقايا نجوم فائقة الكثافة استنفدت وقودها النووي)، تفصل بينهما مسافة تعادل قطر الأرض.

النجوم تشبه القمم الدوّارة: تولد سريعة الدوران، ثم تتباطأ مع الزمن. هذه العملية مثل الساعة الرملية: كلما كان دوران النجم أبطأ، كان أكبر سنًا. يستخدم علماء الفلك هذه القاعدة لتحديد أعمار النجوم، لكنهم يحتاجون إلى مجموعات مرجعية من النجوم ذات أعمار معروفة. العنقود المفتوح NGC 752 هو مجموعة من النجوم وُلدت معًا قبل حوالي 1,3 مليار سنة.

في نظام KH 15D يدور نجمان شابان حول مركز الكتلة المشترك، وبينهما وبين المراقب الأرضي يوجد قرص غبار واسع — نوع من الستار الكوني الذي يغطي النجوم أو يكشفها بشكل دوري. على مدى خمسة وسبعين عامًا، تابع علماء الفلك هذا «مسرح الظلال»: أحيانًا كان ضوء النظام يكاد ينطفئ، وأحيانًا يتوهج بقوة متجددة.

بالون يهرب منه الهواء على دفعات متقطعة، فيندفع في أرجاء الغرفة — النفاثة تضرب تارة في اتجاه وتارة في آخر. هكذا يتصرف نجم يحتضر عندما يطرح غلافه المتضخم. لكن بدل الهواء، هناك غاز شديد الحرارة، وبدل البالون، هناك قزم أبيض مستقبلي (بقايا نجم كثيفة بحجم الأرض، حيث المادة مضغوطة إلى كثافات قصوى). أظهرت ملاحظات حديثة أن الأقزام البيضاء تتلقى ركلة تبلغ حوالي كيلومتر واحد في الثانية.

على بُعد 1900 فرسخ فلكي منا، في كوكبة الثعلب، ينبض النجم V420 Vul — وهو متغير من نوع ميرا (Mira). هذه النجوم، في نهاية عمرها، تنتفخ وتطرح طبقاتها الخارجية. لكن حول V420 Vul، رأى علماء الفلك ليس مجرد غلاف مطروح، بل شيئًا أكثر دهاءً.

في مكان ما في أعماق درب التبانة، تظهر من حين لآخر ومضات راديوية — نادرة ومنتظمة، كأنها دقات بندول بعيد. هذه الومضات الراديوية الطويلة الدورة اكتُشفت مؤخرًا فقط، وقد أربكت علماء الفلك على الفور.

في نظام نجمي ثنائي، يسحب نجمٌ المادة من جاره. على مر القرون، تستقر هذه المادة على سطح النجم النيوتروني — البقايا فائقة الكثافة لنجم ميت، حيث تزن ملعقة صغيرة من مادته مليارات الأطنان. هذه العملية، المسماة بالتراكم (accretion)، تجري عادةً بسلاسة: تتراكم المادة تدريجيًا، وتتصرف الجاذبية كما تتنبأ النظرية النسبية العامة لأينشتاين، دون مفاجآت.

نجمان يدوران حول بعضهما البعض، ويقتربان تدريجيًا. رقصتهما تفقد طاقة، وهذه الطاقة تذهب إلى الفضاء — على شكل موجات جاذبية، وأحيانًا مجالات أخرى. تساءلت مجموعة من الفيزيائيين بقيادة ستيفن هوكينج (رغم أنه ليس مؤلف هذا العمل، إلا أن اسمه مألوف للكثيرين): ما مقدار الدوران الذي يحمله كل جسيم من هذا الإشعاع بالضبط؟ اتضح أن الحساب دقيق للغاية.

عندما يموت نجم يفوق كتلة الشمس بعدة مرات، ينكمش ثم ينفجر كمستعر أعظم. ليس هذا مجرد وميض ضوئي؛ فالعملية برمتها، من انهيار النواة إلى تطاير الغلاف، تُحدث ارتعاشًا في نسيج الفضاء نفسه. تُعرف هذه الموجات باسم الموجات الثقالية (gravitational waves).

في مركز مجرتنا المجرة يقع الثقب الأسود فائق الكتلة الثقب الأسود المعروف باسم القوس A* — جسم بجاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منه. إذا كان هناك رفيق غير مرئي يدور حوله — على سبيل المثال، ثقب أسود ثانٍ — فيمكن اكتشاف رقصتهما المدارية من خلال سلوك ضوء النجوم البعيدة.

تصادم المجرات يشبه رقصة بطيئة يتقارب فيها الشريكان تدريجيًا. وفي مركز كل مجرة يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة — دولاب موازنة غير مرئي كتلته تعادل ملايين أو مليارات الشموس. بعد اندماج المجرات، تبدأ هذه الثقوب السوداء بالتحرك نحو بعضها البعض، فاقدةً الطاقة بسبب الاحتكاك بالنجوم والغاز.

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.

في مجرة NGC 1052 DF2 تتحرك النجوم بسرعة 8 كيلومترات في الثانية فقط — وكأنه لا توجد كتلة غير مرئية حولها. للمقارنة: في مجرتنا درب التبانة، تصل سرعة النجوم البعيدة إلى 200 كيلومتر في الثانية، محتجزة بهالة ضخمة من المادة المظلمة.

1799 كيلومترًا في الثانية — بهذه السرعة يغادر النجم S5-HVS1 المجرة إلى الأبد. قبل 4.8 مليون سنة، قُذف من مركز درب التبانة أثناء اقتراب قريب من الثقب الأسود فائق الضخامة Sgr A*. يترك مثل هذا الحدث أثرين أحفوريين: نجم هارب فائق السرعة ورفيقه الذي تم أسره في مدار بيضاوي. ربما تم العثور على الأثر الثاني.

التجمع النجمي الفتي يشبه أوركسترا قبل الحفل: كل آلة تُضبط بطريقتها الخاصة، والطنين العام يبدو فوضى. لكن إذا أنصتنا جيدًا، يمكننا تمييز النغمات الفردية. هكذا تقريبًا يدرس علماء الفلك النجوم المتغيرة من نوع دلتا الترس (δ Scuti) — يتغير سطوعها بفترات تتراوح بين نصف ساعة وعدة ساعات، وفي هذا النبض تُشفَّر الكتلة والعمر والبنية الداخلية.

مجرة درب التبانة وقمرها سحابة ماجلان الكبرى تدوران ببطء حول بعضهما البعض. جاذبيتهما المتبادلة تهز الأطراف البعيدة لدرب التبانة، كما أن إلقاء حصاة في بركة يجعل الماء يتموج.

قبل ألف عام، كان الفايكنغ يأخذون معهم في البحر بلورة الصاري الأيسلندي. كانت البلورة شبه الشفافة تشق الضوء إلى شعاعين. ومن خلال سطوعهما، حتى في الضباب، كانوا يجدون الشمس. الانكسار المزدوج — المصطلح الفيزيائي لهذه الظاهرة — يساعد الآن في مطاردة أكثر قوى الكون خفاءً. بلورة الصاري الأيسلندي — نوع شفاف من الكالسيت (calcite) — استخدمها الفايكنغ بالفعل للملاحة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون حساءً ساخنًا من الجسيمات. بينها كانت تسبح نيوترينوات فائقة الثقل — أثقل بآلاف المرات من نظيراتها الخفيفة التي تخترقنا اليوم. كانت كتلتها شبه متطابقة، وكأنها ثلاثة توائم، وليست عابري سبيل عشوائيين. هذه الصورة رسمها تناظر رياضي — المجموعة المعيارية غير الاعتيادية A₄. إنها تربط كتل الجسيمات بشكل صارم، دون ترك حرية للضبط.

يحتاج الزوج النجمي J05+50 إلى شهرين تقريبًا لإكمال دورة واحدة حول المركز المشترك. من الأرض، يظهر كنقطة خافتة في كوكبة هرقل — على بعد 4625 فرسخًا فلكيًا منا. فوتومتري (photometry) من نجم ثنائي (binary star) يسجل فقط تذبذبًا منتظمًا في السطوع، مثل نبض قلب عملاق.

يحتاج الزوج النجمي J05+50 إلى شهرين تقريبًا لإكمال دورة واحدة حول المركز المشترك. من الأرض، يظهر كنقطة خافتة في كوكبة هرقل — على بعد 4625 فرسخًا فلكيًا منا. فوتومتري (photometry) من نجم ثنائي (binary star) يسجل فقط تذبذبًا منتظمًا في السطوع، مثل نبض قلب عملاق.

النجم النيوتروني هو نواة نجم ضخم سابق، انضغطت حتى صارت بحجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن بقدر جبل. لكن داخل هذه الكرة فائقة الكثافة قد يختبئ مفاجأة: تحت ضغط لا يمكن تصوره، تتفكك النيوترونات إلى كواركات، فيكتسب النجم نواة جديدة أكثر انضغاطًا. عندها قد توجد في الكون أزواج من النجوم لها الكتلة نفسها لكن أنصاف أقطار مختلفة — تُسمى النجوم النيوترونية-التوأم.

في مايو 2020، سجل كاشفا LIGO وVirgo دفقة ثقالية GW200105. من بين العديد من الموجات الثقالية المشابهة، تميزت هذه الغرابة: مدار النجم النيوتروني والثقب الأسود المتصادمين لم يكن دائرة مثالية، بل قطعًا ناقصًا ممدودًا. الانحراف المركزي القابل للقياس نادر جدًا في مثل هذه الأنظمة.

متزلجان على بحيرة متجمدة حتى الأفق. إنهما بعيدان جدًا لدرجة أن صورتيهما الظليتين تحولتا إلى نقطتين، وجاذبيتهما المتبادلة تكاد تكون مفهومًا لاهوتيًا. وفق تعاليم نيوتن، ينبغي أن يدورا في رقصة فالس بطيئة تخيلية. لكن التلسكوبات ترى شيئًا مختلفًا. الأزواج تدور أسرع، وكأن الجليد نفسه يتنفس تحتهما، مانحًا تسارعًا لا ينبغي أن يكون هناك.

17 دقيقة — بهذا التردد ينبض قلب نجم السلوقيان AM، ضارباً الإيقاع لكامل فئة الثنائيات فائقة الانضغاط. في هذه الأنظمة، يدور قزمان أبيضان في رقصة أخيرة، ضاغطين المدار تحت همس الموجات الثقالية الذي لا يُسمع بعد. كل زوج هو ميترونوم كوني، يقرع إيقاعاً فريداً. لكن الفلكيين حتى الآن لم يميزوا سوى وهج باهت، بلا طابع زمني.

في مركز درب التبانة، يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة — الرامي A* — محاطًا بالغبار والوهج. حوله، كالفراشات حول اللهب، تدور عشرات النجوم الدالة. اثنان منها، S2 و S38، بمدارين بيضاويين وفترات دوران تستغرق بضع سنوات، أصبحا بطلين رئيسيين في اختبار القوانين الأساسية للكون.

في مراكز العديد من المجرات، تنام ثقوب سوداء فائقة الكتلة، محاطة بـ أقراص تراكمية ونشاط نوى مجرية نشطة. عندما يدور حولها جرم مضغوط — مثل ثقب أسود نجمي الكتلة — يتكون ثنائي ثقالي. تنتشر 'أنغامه' عبر الكون على شكل موجات ثقالية.

موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء تُسمع كأوتار جهيرة، والنجوم النابضة تضبط الإيقاع، ويحمل الإشعاع الخلفي الكوني أصداء الانفجار العظيم. لكن هناك لاعب صامت — المادة المظلمة، التي لا يُكشف عن وجودها إلا عبر تأثيرات الجاذبية.

كرتان فائقتا الكثافة، كل منهما بحجم مدينة، تدوران في رقصة. كتلتهما أقل من كتلة الشمس، لكن بداخلهما مادة مضغوطة إلى حدود لا يمكن تصورها. إحداهما نجم نيوتروني، والأخرى نجم غريب يتكون بالكامل من الكواركات (الجسيمات الأولية التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات). عندما يصطدمان، يصبح الفرق مسموعًا. النجم الغريب يحافظ على شكله حتى اللحظة الأخيرة.

ظلّ مشروع SETI عقودًا يطارد كُرات دايسون — تلك الأغلفة الافتراضية التي تلتقط ضوء النجم وتُعيد إشعاعه في نطاق الأشعة تحت الحمراء. لكن الكون يصمت. ربما يتصرّف الذكاء الآخر بأناقةٍ أكثر: لا يجمّع الضوء، بل يُروّض دوران النجم كما يُروّض دولاب موازنة عملاق. يحتوي الالتواء المحوري على طاقة مقدارها 2.3×10³⁵ جول — تكفي لتزويد حضارة بالطاقة مليارات السنين.

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.

ظلت الرقصات الثقالية للأجرام السماوية صامتة أمام علماء الفلك لزمن طويل. تعلمنا التقاط ظلال الكواكب أمام نجومها باستخدام طريقة العبور — وهو إنجاز أهدانا آلاف العوالم بفضل ويليام بوروكي وتلسكوبه "كيبلر". لكن أقمارها كانت تفلت منا — فهي صغيرة جدًا وباهتة جدًا. جاءت نقطة التحول عندما حوّل علماء الفلك تركيزهم من البصر إلى السمع.

في مركز تجمع نجمي كثيف تسود ورشة حدادة حقيقية: هنا النجوم، مثل القطع المعدنية المتوهجة، تتصادم وتندمج تحت تأثير الجاذبية، وهذه الاندماجات ليست كارثة، بل فرصة. كل طرق من مطرقة النجوم ينقل دورانًا إلى الثقب الأسود المستقبلي.

في قلب كل مجرة تقريبًا، يسبت ثقب أسود هائل ثقب أسود — قائد غير مرئي لأوركسترا النجوم. عندما تتصادم مجرات، تقترب وحوشها المركزية من بعضها، ملتفة في رقصة جذبية. أحيانًا ينضم شريك ثالث إلى الثنائي، وعندها تبدأ رقصة فالس ثلاثية، نتائجها غير متوقعة. عمل جديد قام بأداء هذه المسرحية لأول مرة داخل محاكاة حية تتنفس بالغاز والمادة المظلمة، واكتشف: الثالث ليس زائداً على الإطلاق.