تطور كيميائي للنجوم

على بعد 40 سنة ضوئية منا، يعيش نجم لم يُلاحظ لفترة طويلة: يبعث TRAPPIST-1 في الفضاء ضوءًا أقل بألفي مرة من ضوء الشمس. لكنه يمتلك سبعة كواكب بحجم الأرض، وثلاثة منها تدور في المنطقة التي يمكن أن يظل فيها الماء سائلًا. لكن عن النجم نفسه، وعن تركيبته الكيميائية، لم نكن نعرف سوى القليل.

المجرات الباهتة المنتشرة في عنقود برشاوس تشبه أشباحًا بين جيرانها الساطعة: فهي منتثرة إلى درجة تتخللها الأجسام البعيدة، وعدد نجومها أقل بمئات المرات من نجوم مجرتنا درب التبانة.

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.

حول النجوم الفتية تدور سحب مسطحة من الغاز والغبار — أقراص كوكبية أولية، مهد الأنظمة الكوكبية المستقبلية. في بعضها، تخلو المنطقة المركزية: يُكنس الغاز والغبار وكأن أحدهم خفف منتصف أسطوانة فينيل. يطلق علماء الفلك على هذه الأقراص ذات التجاويف الداخلية اسم الأقراص الانتقالية. للنظر داخل هذه السحب، يحلل العلماء إشعاع الجزيئات.

القزم الأبيض هو نواة نجم قديم مثل الشمس، انضغطت حتى حجم الأرض. ملعقة صغيرة من مادته تزن عدة أطنان. النجم النيوتروني هو بقايا أكثر كثافة: مدينة بحجم مانهاتن، لكن كتلتها أكبر من كتلة الشمس. يبدو الجسمان مختلفين، لكن بينهما جسر: عندما يكتسب القزم الأبيض كتلة، تتحول مادته تدريجيًا إلى مادة نيوترونية. درس الفيزيائيون هذا الجسر باستخدام نموذج موحد.

النجم ليس مجرد شمس بعيدة. إنه مهد للكواكب، يحفظ في ضوئه قصة ولادة النظام بأكمله. التركيب الكيميائي للنجم هو حمضه النووي (DNA). يتأمل علماء الفلك في هذا الحمض النووي لفهم سبب دوران كرات صخرية مثل الأرض حول بعض النجوم، بينما تدور عمالقة غازية حول أخرى. في دراسة جديدة، أخذ العلماء عينة ضخمة — أكثر من 28 ألف نجم — راقبتها تلسكوبات «كيبلر» وLAMOST وGaia.

في فرن تشكل النجوم تصل الحرارة إلى 900 درجة – مثل فرن الصهر المتوهج. في مثل هذا الأتون تولد البلورات الكونية. تمكن علماء الفلك لأول مرة من رصد لحظة ظهور الغبار البلوري مباشرة أثناء توهج تراكمي (يبتلع النجم الغاز المحيط دفعة واحدة) عند نجم فتي جدًا هو EC 53، لا يزال يلفه شرنقة كثيفة من الغاز.

وجود كوكب في المنطقة الصالحة للسكن لا يضمن وجود الحياة. كما يقود قائد الأوركسترا العازفين، يفرض النجم على مدى مليارات السنين إيقاع وطبيعة تطور أغلفة الكواكب. تطور السطوع يحرك حدود منطقة الماء السائل، بينما النشاط المغناطيسي في نطاقي الأشعة السينية وفوق البنفسجية (XUV) يمكن أن يمزق الغلاف الغازي عن الكوكب.

النجم AB Aur نجمٌ فتِيّ يبلغ عمره حوالي 4 ملايين سنة. يدور حوله قرص كثيف من الغاز والغبار. مؤخرًا، اصطدم به ذراع غازي طويل — تدفق من المادة قادم من السحابة المحيطة. وجّه علماء الفلك التلسكوب الراديوي NOEMA نحو هذا القرص، فرأوا أن كيميائيته ليست موحّدة: فالجزء الشمالي يغلب عليه الكبريت، بينما يغلب على الجنوبي الهيدروكربونات.

يشبه القرص المجري تموجات متجمدة على سطح الماء: كل اضطراب يترك أثرًا يمكن قراءته بعد مليارات السنين. عندما تمر مجرة قزمة تابعة أو يحدث اندماج مباشر، تبدأ النجوم في القرص بالتأرجح — مثل عوامات حركتها موجة. وبمرور الوقت تخمد هذه التذبذبات، لكن مدى الحركات العمودية للنجوم من مختلف الأعمار يظل مختلفًا.

ملعقة صغيرة ممتلئة — والميزان يشير إلى مليار طن. هذا تقريبًا وزن مادة النجم النيوتروني لو أمكننا غرفها ووزنها. تولد هذه الأجرام بعد انفجار مستعر أعظم: ينضغط لب النجم إلى كرة بقطر مدينة، وتصبح الكثافة أعلى من كثافة النواة الذرية. داخل هذه الكرة، تختفي الذرات المألوفة لدينا. تنضغط البروتونات والإلكترونات في بعضها البعض، مشكّلة سائلًا نيوترونيًا.

إرفين شرودنغر تأمل كيف تحافظ الحياة على النظام رغم القانون الثاني للديناميكا الحرارية. لم يخطر بباله أن جزءًا من الإجابة يكمن في عدم استقرار النجوم العملاقة. أثبتت تجارب شين-شيونغ وو أن التفاعل الضعيف ينتهك التناظر المرآوي.

تشكيل مجرة درب التبانة هو حدث كوني عظيم، حيث اندماجات المجرات التابعة كانت تُنسج في نوتة موسيقية واحدة. كل حدث ترك أثرًا في ديناميكية النجوم وتركيبها الكيميائي، كما تثبت النوتات مقصد المؤلف. لكن على مدى مليارات السنين، قام الخلط الجذبي — المرتجل الكوني — على ما يبدو بتحويل اللحن الأصلي إلى فوضى.

في المهد الكوني العملاق — سديم الرتيلاء — تفحّص علماء الفلك 122 نجمًا ضخمًا، كلٌّ منها أثقل من الشمس بـ30 مرة أو أكثر. قاسوا محتوى النيتروجين في أغلفتها الجوية، فكانت الصورة مفاجئة. جميع النجوم التي تزيد كتلتها عن مئة كتلة شمسية تقريبًا أصبحت «أبطالًا في النيتروجين»: مستوى هذا العنصر فيها تجاوز توقعات النماذج القياسية بنسبة تتراوح بين 5 و10 أضعاف.

الفضاء السحيق، مركز المجرة. ثقب أسود فائق الكتلة محاط بقرص ملتهب من الغاز والغبار. وفجأة، عبر هذا الحجاب الناري، يمر نجم كل بضع ساعات — كسهم أُطلق من قوس الجاذبية. كل عبور له ينتج توهجاً سينياً مبهراً يخفت لبضع لحظات سطوع نواة المجرة بأكملها.

لطالما أثارت الشمس حيرة علماء الفيزياء الفلكية. ففي غلافها الجوي، كانت العناصر المقاومة للصهر — مثل البهارات في وصفة أساسية — أقل قليلاً مما هي عليه في النجوم التوأم المتطابقة تقريبًا.

عندما يصطدم نجمان نيوترونيان — النوى فائقة الكثافة لنجوم ميتة — يولد كيلونوفا: انفجار أكثر سطوعًا بألف مرة من المستعر العادي. إنه مسبك كوني حقيقي. داخل سحابة ملتهبة تندفع بسرعات تقارب سرعة الضوء، يقوم سيل هائل من النيوترونات بتحويل أنوية الذرات إلى ذهب وبلاتين وأوزميوم. لكن المرحلة المتأخرة من هذه الأحداث ظلت لغزًا طويلًا.

الماء في الكوب يبدو بسيطًا، لكن لتقسيمه إلى أكسجين وهيدروجين بضوء الشمس، لا يكفي مجرد نقل الإلكترونات — بل يجب أن "تتفق" أيضًا على اتجاه دورانها. يولد جزيء الأكسجين بإلكترونين غير متزاوجين يدوران في الاتجاه نفسه. هذه القاعدة الكمومية أعاقت المهندسين طويلًا، حتى وجد فريق من الباحثين الحل مستوحى من الطبيعة نفسها.

في تجميع النظام الشمسي، كما في وصفة طبخ متقنة، لا يكون المزيج ثابتاً مسبقاً دائماً — أحياناً يُضاف المكوّن الأخير بينما الطبق على النار. هذا المكوّن بالنسبة للكواكب الخارجية كان تياراً من المواد من السحابة الجزيئية، تم حقنه في القرص الكوكبي الأولي بعد ملايين السنين من بدء التراكم.

كشفت صور تلسكوب «جيمس ويب» الفضائي عن توهج شديد بشكل غير متوقع من المجرات الأولى — أنظمة نجمية هائلة تشكّلت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. تخيّل: المحمصة تُحمّر شريحة الخبز في دقيقة، بينما يحتاج الفرن إلى ساعة كاملة لخبز رغيف — والنتيجة، في جوهرها، متشابهة.

شارع بُنيت فيه منازل للتو. بعضها يلمع بنوافذ نظيفة، وبعضها الآخر يغطيه غبار البناء. هكذا تقريباً كانت تبدو المجرات عندما كان عمر الكون بضع مئات الملايين من السنين فقط. نظر التلسكوب الجديد «جيمس ويب» إلى تلك الحقبة ورأى عشرات الجزر النجمية الساطعة. لم يكن العدد هو المفاجئ، بل مدى اختلافها. بعض المجرات كانت تتوهج بضوء أزرق نقي – لم يكن فيها غبار تقريباً.

قدرٌ يغلي فيه عصيدة، وبدلًا من الحبوب توجد طبقات من الأكسجين والسيليكون، والنار تحته على وشك أن تنطفئ، فينهار النجم على نفسه. حتى الآن، كان طهاة الفيزياء الفلكية يستخدمون وصفة مبسطة: يفترضون أن الفقاعات والدوامات في العصيدة تخضع لنفس متوسط درجة الحرارة عبر العمق كله. لكن العصيدة الحقيقية اتضح أنها أكثر نزقًا.

في حديقة المدينة، تنمو الأشجار أسرع منها في الغابة الكثيفة. ليس لأن التربة أفضل، بل لأنها هنا تتصادم أغصانها وتتبادل البذور في كثير من الأحيان. تقريبًا هكذا تتصرف المجرات في العنقود البدائي «العنكبوت» — كتلة هائلة من المادة ستتحول بعد مليارات السنين إلى عنقود ناضج.

نجمان يدوران حول بعضهما البعض، كراقصين في رقصة الفالس البطيئة. هذه الرقصة ليست أبدية: يقترب الشريكان تدريجياً حتى يصطدما ويندمجا في كيان واحد. في تلك اللحظة بالذات يولد المستعر الأحمر الجديد — وميض يتوهج في السماء لعدة أسابيع، ثم يخفت ببطء، مغلفاً بسحابة كثيفة من الغبار. المستعر العادي هو عندما يسقط المادة على قزم أبيض (نجم كثيف جداً وحار بحجم الأرض).

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.

المستعر الأعظم هو الانفجار النهائي لنجم ضخم، يقذف المادة عبر سنوات ضوئية حوله. داخل الغلاف المتوسع يبقى نجم نيوتروني، ويستمر الغلاف نفسه في الاندفاع عبر الغاز بين النجمي لآلاف السنين. وفي مثل هذا الغلاف، الذي خلّفه انفجار، تمكن تلسكوب ALMA لأول مرة من رصد نوى جزيئية ساخنة — وهي كتل غازية متراصة تولد فيها نجوم جديدة.

سجّل تلسكوب جيمس ويب في الكون الفتيّ عددًا كبيرًا من المجرات الساطعة. إشعاعها فوق البنفسجي لم يكن تقريبًا يُمتص بواسطة الغبار الكوني – وهو جسيمات صلبة متناهية الصغر منتشرة في الفضاء بين النجوم – خلافًا للتوقعات السابقة.

ثقبان أسودان الثقبان الأسودان — جسمان فائقا الكتلة، لا تطلق جاذبيتهما الجاذبية حتى الضوء — عندما يدوران حول بعضهما، يتصرفان كقارب يجدف بالنجوم. كل نجم يمرّ بالقرب منهما، يلتقطه جاذبية الثنائي، يُقذف بعيدًا كما لو كان ضربة مجذاف، وينقل إلى النظام دفعة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذه العملية ببساطة تقرّب الثقبين الأسودين، مما يقلل نصف قطر مدارهما.

في حديقة لا تكتفي أزهارها الأولى بالتفتح فحسب، بل تتناثر بذورها بعيدًا خارج السياج، هناك شيء من الكرم المذهل. شيء مشابه كان يحدث في الكون الفتيّ. المجرات التي نشأت بعد حوالي 500 إلى 700 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم كانت محاطة بالفعل بغاز مليء بالكربون والسيليكون والأكسجين — وهي عناصر لا تولد إلا داخل النجوم.

غالباً ما توجد الكواكب بحجم الأرض حول الأقزام الحمراء الصغيرة والباردة ولكنها شديدة الاضطراب. فهذه النجوم تشبه موقداً جامحاً يقذف لهباً بين الحين والآخر: تيارات قوية من الضوء والجسيمات تنهال على غلاف الكوكب الجوي كما لو أن النار صُبّت في قدرٍ من المرق. وقد تتبعت محاكاة حاسوبية جديدة سنة من حياة الغلاف الجوي لكوكب فتي تحت هذه الهجمات.

في السحب الباردة بين النجوم، تُغطى الحبيبات بالجليد كما تُغطى النوافذ بالصقيع في الشتاء. وعلى هذه القشرة الجليدية تجري تفاعلات كيميائية لا تحدث في الغاز. أحدها هو لقاء ذرة الكربون مع جزيء النيتروجين. في الغاز لا يتفاعلان تقريبًا، أما على الجليد فيتحدان فورًا دون حاجز طاقي.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم منفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. على سطحه أحيانًا يندلع حريق نووي حراري: الغاز المتراكم ينفجر مثل قنبلة هيدروجينية هائلة. بعد الانفجار يبقى رماد — خليط من العناصر الثقيلة التي ترتفع إلى السطح وتشكل غلافًا جويًا حارًا.

الطباخ يضيف مزيدًا من السكر إلى العجين، فتختلف النتيجة. وكذلك النجم: فتركيب «عجينته» — سحابة الغاز والغبار التي تولد منها الكواكب — يحدد أي العوالم ستظهر حوله. لاحظ علماء الفلك أنه إذا كان الكربون في النجم أكثر بكثير من الأكسجين، فإن كواكبه العملاقة تدور في الغالب على مسافات كبيرة، مثل الكواكب الخارجية البطيئة كالمشتري لدينا.

الليثيوم مثل مقياس حرارة مغموس في أعماق النجم. هذا العنصر الخفيف يتفكك عند درجة حرارة تبلغ حوالي 2.5 مليون درجة، لذا فإن كميته على السطح تكشف مدى عمق اختلاط مادة النجم. أظهرت الأطياف لـ 71 نجمًا فتًى متوسط الكتلة (من 1.5 إلى 3.5 كتلة شمسية) أن 25-30% منها تحتوي على ليثيوم أقل بشكل ملحوظ مما كان في السحابة الأصلية.

في سحابة غازية باردة حيث يولد نجم، تكون الكيمياء نائمة. الجزيئات لا تتصادم تقريبًا، والتفاعلات تتجمد. ولكن إذا مر جسيم مشحون عبر السحابة، فإنه يقتلع الإلكترونات من الذرات – أي يؤينها. وهكذا تظهر في السحابة النائمة أيونات نشطة جاهزة لبناء جزيئات جديدة. وجّه علماء الفلك التلسكوبات الراديوية نحو ثلاث كتل غازية كثيفة حول نجوم حديثة الولادة في كوكبتي حامل رأس الغول والثور.

النجوم القديمة، التي تكاد تفتقر إلى العناصر الثقيلة، أشبه ببقايا متحجرة لأول الومضات الكونية. ساد الاعتقاد طويلاً بأن النسبة الغريبة بين الكربون والهيدروجين والهيليوم في ثلاثة من هذه النجوم تتطلب انفجار مستعر أعظم فائق النطاق — وهو مستعر أعظم شديد السطوع بطاقة تفوق المألوف بمئات المرات.

في الأطراف الباردة للنظام الشمسي، يُعتبر الماء مادة البناء الرئيسية للجليد. لكن في بعض المذنبات والأجسام الجليدية البعيدة، تكون نسبة أول أكسيد الكربون (CO) إلى الماء مرتفعة بشكل غير عادي — وكأن الآيس كريم فجأة يحتوي على الكثير من الشراب. من أين يأتي هذا الاختلال؟ حاول مؤلفو العمل الجديد معرفة ذلك.

كل جزيء يشبه لعبة تركيب من الذرات: يمكن تجميع القطع نفسها بطرق مختلفة. التجميعان اللذان يحتويان على نفس مجموعة الذرات لكن بترتيب هندسي مختلف يُطلق عليهما اسم الأيزومرات (isomers). إذا كان أحدهما يُشتق من الآخر بمجرد دوران حول رابطة، فهما مُطابِقان (conformers)، مثل ذراع مثنية وأخرى ممدودة.

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.