كشف النجوم الثنائية

كاشفات الموجات الثقالية هي، في جوهرها، «آذان» فائقة الحساسية للكون: فهي تلتقط ارتعاش الزمكان الناتج عن اصطدام الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية. لكن حتى أفضل «الآذان» لا تسمع كل شيء. مشروع LIGO A# الجديد يشبه استبدال طبلة الأذن بغشاء أدق وأكثر حساسية. الفكرة الأساسية هي جعل مرايا الكاشف أثقل، وتعليقاتها التي تتدلى منها أكثر هدوءًا.

في الأطراف المظلمة لمجرتنا، بعيدًا عن التجمعات النجمية الساطعة، تختبئ ملايين الثقوب السوداء — وهي أجسام لا تشع ولا تبتلع المادة تقريبًا. الطرق التقليدية للبحث، المصممة للحقول النجمية القريبة، عاجزة هنا. نحتاج إلى نهج مختلف. اقترح علماء الفلك استخدام نسيج الفضاء نفسه ككاشف.

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.

في أغسطس 2019، رصد كاشفا LIGO وVirgo الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج جرمين مضغوطين في نظام نجم ثنائي. كان أحدهما يزن 23 كتلة شمسية — ثقبًا أسود عاديًا. أما الآخر فكانت كتلته 2.5–2.67 M⊙.

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.

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.

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.

يقترب نجمان نيوترونيان من بعضهما في مسار حلزوني ويصطدمان. يولد ذلك موجة ثقالية — تموجًا في الزمكان، وومضة غاما قصيرة، وتوهجًا خافتًا يسميه الفلكيون كيلونوفا. لكن أحيانًا تمر الإشارة بالقرب من مجرة ثقيلة. تعمل جاذبيتها كعدسة: تنحني مسار الضوء والموجات الثقالية، مما يخلق صدى — صورة مكررة أو مكبرة.

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.

يتحدث الكون بلغة الموجات الجذبية — ارتجاف نسيج الزمكان ذاته. عندما يندمج نجمان نيوترونيان، وهما البقايا فائقة الكثافة لانفجارات مستعر أعظم خبت منذ زمن بعيد، في رقصة أخيرة، يصدران تغريدةً ممتدة تتزايد في ترددها.

زوج من النجوم النيوترونية، متداخلان بقفل الجاذبية، يرسمان دوائر غير مرئية في الفراغ. منذ مائة عام، وصف ألبرت أينشتاين هذه الرقصة بأنها تموجات هندسة منحنية، لكننا طويلاً لم نتمكن من متابعتها إلا بطرف العين — من خلال الوميض المحموم للنبضات الراديوية.

في وقت سابق، اكتشف إدوين هابل أن المجرات تتباعد عن بعضها، وربط جورج لومتر ذلك بتوسع الفضاء. اليوم، يفترض نموذج ΛCDM، المستند إلى الطاقة المظلمة والمادة المظلمة، أن الكون مسطح كلوحة قماشية مشدودة بإتقان.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده، قد يؤدي انهيار النواة إلى إنتاج مُستعر أعظم و نجم نيوتروني، لكن مع كتلة كافية لا شيء يوقف الانضغاط — فينشأ ثقب أسود.

تخيّلوا أوركسترا وهي تضبط آلاتها: ترتفع آلات الكمان إلى الأعلى – هذا هو "التشيرب" المألوف لاندماجات الثقوب السوداء في كواشف ليغو. والآن تخيّلوا لحنًا جنائزيًا: صوت يهبط إلى الأسفل، مثل صفارة إنذار تخفت تدريجيًا. هذا بالضبط هو البصمة الموجية الثقالية التي ينبغي أن يتركها نظام حيث تكون إحدى الكتلتين سالبة.

بعض العمالقة الحمراء — وهي نجوم قديمة ضخمة — تغيّر سطوعها ببطء شديد: قد تستغرق الدورة الواحدة أكثر من عام. لم يتمكن علماء الفلك لفترة طويلة من فهم السبب. إحدى الفرضيات: وجود رفيق غير مرئي يدور قريبًا ويحجب جزءًا من الضوء بشكل دوري. فرضية أخرى: النجم نفسه ينبض مثل القلب، لكن ببطء شديد — حيث تنقبض طبقاته الخارجية وتتمدد. العملاق الأحمر أكبر بمئات المرات من الشمس.

ومضات إيقاعية لمنارة وسط ضباب كثيف — هكذا يبدو البحث عن النجوم النابضة. المنارة تدور، وشعاعها يصل إلى التلسكوب بشكل دوري. لكن الضباب يشتت الضوء، فتبدو الفترة مختلفة قليلًا. إذا رُصدت نفس المنارة مرتين، يمكن المقارنة: يجب أن تتطابق الفترات تقريبًا، وأن يكون التشتت متشابهًا. هذا بالضبط ما تفعله الخوارزمية الجديدة للبحث عن النجوم النابضة — نجوم نيوترونية سريعة الدوران تُصدر نبضات راديوية.

في كوكبة الحوت نجم رآه الناس منذ آلاف السنين، لكنهم لم يتبينوا بنيته الداخلية إلا الآن. ألفا الحوت ليس نجمًا واحدًا ولا حتى نجمين، بل عائلة كاملة: زوجان من النجوم مرتبطان بالجاذبية. سابقًا، اشتبه علماء الفلك في أن الزوج الثاني يخفي نجمًا آخر، لكنهم لم يتمكنوا من رؤيته — فهو قريب جدًا. للنظر إلى هذا القرب الشديد، استخدم العلماء عدة تلسكوبات موصولة في هوائي عملاق واحد.

النجم الشبيه بالشمس لا يضيء فحسب، بل يطن بهدوء. في داخله تغلي البلازما، وهذه الحركات تجعل السطح يرتفع وينخفض بشكل إيقاعي. يكاد يكون من المستحيل التقاط هذا الاهتزاز من الأرض: فهو يغرق في ضوضاء الغلاف الجوي والجهاز نفسه. لذلك يستمع علماء الفلك إلى النجوم من الفضاء، حيث يكون الجو أكثر هدوءًا. لفهم ما إذا كان النجم مسموعًا، يحسبون قوة "صوته" على خلفية التشويش.

نجم حار في أنفاسه الأخيرة يرتجف كوتر بعد نقرته. سطحه يهتز بسعة تبلغ أجزاء من الألف من القدر النجمي — وهذا مثل ملاحظة أن مصباحاً في الغرفة ومض بنسبة 0.3% من سطوعه. بالنسبة لتلسكوب فضائي، هذه الدقة مألوفة، لكن من الأرض يعيق الغلاف الجوي.

عندما تصطدم مجرتان، يبدأ الثقبان الأسودان في مركزيهما رقصة اقتراب طويلة. وإلى أن يندمجا في ثقب واحد، يمكننا رؤية زوج من الكوازارات — أضواء ساطعة تتوهج عندما يبتلع الثقب الأسود الغاز والغبار. هذه الأزواج في السماء أشبه بمنارتين متقاربتين، لكن كل واحدة تضيء من مرفئها الخاص. دقق علماء الفلك في بيانات مسوحات السماء الكبرى ووجدوا 17 زوجًا من هذا القبيل.

في العنقود النجمي NGC 2158، الذي يتجاوز عمره مليار سنة، أحصى علماء الفلك مدى شيوع النجوم التي تعيش في أزواج. وقد وجّه تلسكوب هابل نظره إلى العنقود لفترة طويلة جدًا ليرصد حتى أبهت النجوم — تلك التي كتلتها أقل من ثلث كتلة الشمس. واتضح أن الأزواج تختلف في انتشارها: فنجوم بكتلة الشمس لها رفيق في نصف الحالات، بينما النجوم الخفيفة التي كتلتها خمس كتلة الشمس — واحد من كل عشرة فقط.

رصد كاشفا الموجات الثقالية — تموجات الزمكان التي تنبأت بها النسبية العامة — LIGO وVirgo دويًا خافتًا: إشارة ناتجة عن اندماج جسمين غير مرئيين. كانت كتلتهما الإجمالية أقل من كتلة الشمس، مما يحيّر العلماء: فـالتطور النجمي لا ينتج ثقوبًا سوداء بهذه الخفة — مناطق من الفضاء ذات جاذبية لا تسمح حتى للضوء بالهروب.

كشّافان ضوئيان متلاصقان: من بعيد يندمج ضوءهما في بقعة واحدة، فيبدو المصدر واحدًا. وهكذا في الفضاء: حوالي 10–20% من النجوم الخافتة هي في الواقع أزواج متلاصقة من نجمين متطابقين. لا يمكن تمييزهما منفردين، لكنهما معًا يضيئان بشكل أكثر سطوعًا من نجم مفرد له نفس الخصائص.

في أغسطس 2017، التقطت كاشفات الموجات الثقالية إشارة من اندماج نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. في تلك اللحظة بالذات، كانت الحياة تسير كالمعتاد في جميع أنحاء الأرض: طائرات تهبط، سيارات تسير، وأجهزة الملاحة تحسب المسارات. عملها يعتمد على ساعات ذرية على أقمار GPS الصناعية — تدق بدقة مذهلة، تقيس الوقت عبر اهتزازات الذرات.

في جيب سترة قديمة، قد تجد أحيانًا تذكرة سينما عمرها ثلاث سنوات. لا يمكنك استعادة الزمن منها، لكن يمكنك معرفة أين ذهب صاحبها. هكذا هي الأقزام الساخنة — نجوم صغيرة في مرحلة متأخرة من حياتها، تلمع معظمها في الأشعة فوق البنفسجية. ضوءها مثل تلك التذكرة: يحكي عن الماضي، لكن قراءته صعبة. أخذ علماء الفلك خريطة السماء من تلسكوب Gaia، حيث يترك كل نجم بصمته — طيفه مقسمًا إلى ألوان.

مولّف البيانو في قاعة صاخبة لا يستمع إلى كل الأصوات بشكل عشوائي، بل يميز وترًا واحدًا بين عشرات الأوتار. ومهمة مشابهة يحلها الرادار الليزري الجديد: فبين العديد من الأشعة المنعكسة، يجد تلك التي تحمل معلومات عن اهتزاز الهدف. الرادار العادي يرسل نبضة قصيرة وينتظر الصدى. لكن إذا كان الجسم يهتز، فإن الصدى يتشوش.

نجمان يدوران في مدارين متقاربين لدرجة أن طبقاتهما الخارجية تندمج في غلاف مشترك. تتدفق المادة من أحدهما إلى الآخر، مثل الماء الفائض من كوب ممتلئ إلى الكوب المجاور. في هذه الرقصة الكونية، حيث تلامس النجوم بعضها حرفيًا، اكتشف علماء الفلك مجالات مغناطيسية بشكل جماعي لأول مرة.

في مراكز جميع المجرات تقريبًا المجرات تختبئ الثقوب السوداء فائقة الكتلة الثقوب السوداء — عمالقة خفيّة بجاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها. عندما تتصادم مجرتان المجرات، يصبح ثقباهما الأسودان الثقوب السوداء زوجًا محكومًا عليه بالرقص حول بعضهما البعض.

النجم النيوتروني كرة بحجم مدينة، لكنه يزن مثل نجم ونصف بحجم الشمس. داخل هذه الكرة، المادة مضغوطة لدرجة أن ملعقة صغيرة منها تزن مليارات الأطنان. لكن الفيزيائيين لا يعرفون تمامًا مما تتكون هذه المادة بالضبط.

النجم النابض هو نجم ميت يدور ويطلق نبضات راديوية، مثل المنارة. إذا كان للنجم النابض رفيق، فإنهما يدوران حول مركز الثقل المشترك. عندما يكون المدار قريبًا، تكون الفترة المدارية أقل من يوم، وتبدأ إشارة النجم النابض في "الاهتزاز": بسبب الحركة، يقترب النجم منا تارة ويبتعد تارة أخرى، ويتغير تردد النبضات مثل صفارة سيارة عابرة.

الكون مليء بكتلة غير مرئية - المادة المظلمة - والتي لا تظهر إلا من خلال الثقالة. تفترض إحدى الفرضيات أن المادة المظلمة تتكون من ثقوب سوداء بدائية - أجسام تشكلت في ظروف قصوى مباشرة بعد الانفجار العظيم. قد تبلغ كتلة هذه الثقوب السوداء كتلة كويكب، ويكون حجمها أصغر من نواة الذرة.

عثر الفلكيون في الكون على جسم غير مرئي لا يتجاوز وزنه مليون شمس – وهو تافه للغاية بمقاييس الكون، وأخف بمئة مرة من أي شيء تمكنوا من «وزنه» على مثل هذه المسافات. الجسم نفسه لا يصدر ضوءًا، لكنه كشف عن نفسه عن طريق حني ضوء مجرة أبعد مجرة.