غلاف مشترك

في مركز المجرة، حيث يلف ثقب أسود فائق الضخامة قرصًا من الغاز الملتهب حوله، تولد أحيانًا نجوم عملاقة. وهي لا تشبه النجوم العادية: فالقرص يغذيها باستمرار بالمادة، وقد ينمو النجم ليصل إلى مئات الكتل الشمسية، ويظل ساطعًا ما دام تدفق الغاز مستمرًا. هذا النجم مثل إسفنجة تمتص الماء: إنه يعيش ما دام يُملأ.

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.

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.

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.

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⊙.

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.

في مركز مجرة بعيدة، يحيط بالثقب الأسود فائق الكتلة قرص مسطح دوار من الغاز والغبار — قمع عملاق يحتوي مادة كونية. قد يظهر في هذا القرص جسم مضغوط صغير، مثل ثقب أسود آخر بكتلة نجمية. يتحرك على طول مداره، لكنه من وقت لآخر يخترق القرص بالكامل، مثل إبرة تخترق القماش. كل اختراق من هذا القبيل هو لقاء مع مقاومة الغاز، مما يغير مساره تدريجياً.

حجران يسقطان في بركة. من كل منهما تنتشر دوائر، لكن عندما يصطدمان ينشأ دفقة وضربة رنانة قصيرة. هكذا تقريبًا يبدو اندماج نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. فقط «البركة» هنا هي الزمكان نفسه، و«الرنين» هو الموجات الثقالية التي تلتقطها كاشفات عملاقة على الأرض. هذا الرنين ليس عشوائيًا.

تلتقط الكواشف «التموجات» الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية - وكأنها صدى المطبخ حيث أُعد الطبق الكوني. يحاول علماء الفلك استعادة الوصفة: كيف تحول نجمان ضخمان إلى زوج غريب واصطدما.

في عائلة البقايا فائقة الكثافة للنجوم الميتة، ظلّت فجوة شاسعة زمنًا طويلًا. النجوم النيوترونية — وهي قمم دوّارة بحجم مدينة — نادرًا ما تتجاوز كتلتها كتلتين شمسيتين. أما الثقوب السوداء فتبدأ من حوالي خمس كتل شمسية. وبينهما توجد «فجوة» لم يُعثر فيها على أي جرم لعقود.

في مركز المجرة المزدحم، يدور نجمان متقاربان لدرجة أن أحدهما يجرّد الآخر من طبقاته الخارجية، مثلما تخلع الريح الملابس الخارجية. يبقى اللب الهيليومي الساخن، أي نجم بلا غلاف هيدروجيني. النجوم الخفيفة والثقيلة جداً من هذا النوع معروفة جيداً لدى علماء الفلك: الأولى تسمى الأقزام شبه الساخنة (hot subdwarfs)، والثانية نجوم وولف-رايت (Wolf-Rayet).

عندما يندمج نجم نيوتروني مع ثقب أسود في الكارثة النهائية، فإنهما يهزّان نسيج الزمكان مولّدين موجات ثقالية — تموّجات تصل إلى كواشف الأرض بعد ملايين السنين. تحمل هذه التموّجات معلومات تفصيلية عن اللحظات الأخيرة قبل الاندماج، بما في ذلك انحراف المدار (eccentricity) — وهو مقياس لاستطالته، أي مدى اختلاف القطع الناقص عن الدائرة المثالية.

ثقبان أسودان يطيران باتجاه بعضهما ويصطدمان وجهًا لوجه. في الصورة المألوفة، تتمدد آفاقهما (السطوح التي لا يخرج منها حتى الضوء) نحو بعضها مثل قطرات الماء، وتندمج في شكل أملس واحد. لكن الحسابات تُظهر خلاف ذلك: قبل الاندماج، يتمدد على كل أفق منقار حاد — قِمّة (cusp). تخترق هذه المناقير الفضاء وتربط بين الثقبين، وكأنها خطافان يتشابكان معًا.

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.

تخيّل قاعة مزدحمة، كل شخص فيها جزيء، وحديثه الخاص هو حركة الإلكترونات داخله. في الوضع الطبيعي، يتحدث الجميع مع أنفسهم، والهمهمة العامة فوضوية. لكن إذا أُشعل كشاف ساطع في وسط القاعة، يبدأ في قيادة الحشد: يزامن الناس حركاتهم، رغم أن الضوء ينعكس فقط عن الجدران. هذا تقريبًا هو تأثير العمل الجديد: الضوء المحبوس بين مرآتين يجعل الإلكترونات في الجزيئات تتصرف كفرقة واحدة.

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.

نجوم Be هي نجوم سريعة الدوران ذات قرص غازي ساطع. عادةً ما يقوم نجم مرافق بتدويرها: عندما تتدفق المادة من النجم المجاور، فإنها تُدور النجم مثلما يُدور الحجر في المقلاع. لكن توجد أيضًا نجوم Be منعزلة بلا رفيق — وظل أصلها لغزًا طويلاً. تظهر دراسة جديدة أن الانفجار مستعر أعظم يمكن أن يولد هذه المنعزلات.

جلب الحصاد الجديد لموجات الجاذبية لغزًا. رصدت كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA عشرات الإشارات من اندماج ثقوب سوداء، وعلى الرسم البياني لكتلها تظهر فجوة واضحة: لا توجد تقريبًا أجسام أثقل من 45 كتلة شمسية، وما يوجد منها يدور بسرعة مريبة. يقول البعض إن النجوم العملاقة تنفجر بشكل «نظيف» للغاية، فلا تترك خلفها شيئًا.

شبكة صياد ممتدة في أعماق الفضاء. عندما يموت نجم ضخم، يترك خلفه ثقبًا أسود — ثقلًا في هذه الشبكة. عادةً، تزن هذه الأثقال ما بين بضعة شموس وعشرات منها. لكن في GW231123، كان الثقلان ثقيلين بشكل غير عادي: كل منهما وقع في «فجوة عدم الاستقرار الزوجي» (نطاق الكتلة حيث يجب أن ينفجر النجم بالكامل دون أن يترك ثقبًا أسود).

عندما يدور ثقبان أسودان حول بعضهما البعض ثم يندمجان، يرسلان تموجات عبر الكون تُعرف بالموجات الثقالية. تحمل هذه الموجات بصمة الطريقة التي تحرك بها الجرمان قبل الاصطدام. ومن خلال شكل هذه "الرقصة" يمكننا معرفة مدى اقتراب الجرمان من كونهما ثقبين أسودين مثاليين. لكل ثقب أسود، مثل القمة الدوّارة، كتلة وسرعة دوران. لكن لديه أيضًا خصائص أدق، مثل كيفية توزيع مادته وكيفية "تسطيحه" بسبب الدوران.

نجمان يدوران حول مركز مشترك، يبتلعان الغاز من السحابة المحيطة. حول كل نجم وحول الزوج بأكمله تتشكل أقراص دوارة من الغاز. ومن هذه الأقراص، كما لو كانت خراطيم، تنطلق نفاثات. داخل الأقراص، يختلط الغاز باستمرار — هكذا يعمل عدم الاستقرار المغناطيسي (magnetorotational instability).

كل 15 ساعة، في كوكبة تبعد عنا 57 سنة ضوئية، يحدث كسوف شمسي صغير. القزم الأبيض الصغير — نجم بحجم الأرض لكنه أثقل من الشمس — يغوص خلف قرص القزم الأحمر. بالنسبة لعلماء الفلك، هذا ليس مجرد مصادفة جميلة، بل وسيلة للنظر إلى ماضي الزوج النجمي. ذات يوم، تمدد النجم الرئيسي في هذا النظام ليصبح عملاقًا أحمر وابتلع جاره.

قطعة سكر موضوعة على صحن بجانب كوب شاي ساخن. إذا أسقطتها في الشاي، ستذوب خلال دقائق. لكن إذا أنزلتها ببطء، يذوب السكر تدريجيًا، معطيًا حلاوته للمشروب. شيء مشابه يحدث في زوجين نجميين اكتُشفا مؤخرًا، لكن بدل السكر — قزم بني، وبدل الشاي — نجم. القزم البني هو جسم لم يستطع أن يصبح نجمًا مكتملًا: لم تكن كتلته كافية لإشعال تفاعلات الاندماج النووي في نواته.

سرب من اليراعات في غابة ليلية يتوهج بشكل عشوائي: كل حشرة تومض من تلقاء نفسها، والضوء ينتشر في كل الاتجاهات بالتساوي. والآن تخيل أن اليراعات تتفق على أن تومض بحيث يتجه ضوءها المشترك نحو الشمال فقط — رغم أنها واقفة في مكانها ولم يستدر أحد منها. هذا تقريبًا ما فعله الفيزيائيون مع ذرات داخل أنبوب زجاجي رفيع. كانت الذرات في الأنبوب تُثار بواسطة ليزر، فتبدأ بإصدار الضوء.

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.

في النواة الكثيفة للعنقود الكروي NGC 6397، حيث تتزاحم النجوم كالركاب في ساعة الذروة، لاحظ علماء الفلك زوجًا غريبًا. أحد النجمين قزم أبيض بدرجة حرارة سطحية تبلغ 16,000 كلفن (بقايا نجم محترقة تبرد على مدى مليارات السنين)، وبجانبه يدور رفيق غير مرئي. يكملان دورة حول مركز الكتلة المشترك في 0.54 يوم — أسرع من دوران الأرض حول محورها.

في أعماق الفضاء توجد سحابة غازية تشبه عقدًا بخرزات لامعة. هذا هو سديم العقد — بقايا نجم انتفخ ذات يوم وابتلع جاره. في المركز بقيت سحابة مزدوجة: نجم صغير حار ورفيقه المنتفخ الغني بالكربون. وجّه العلماء تلسكوب هابل الفضائي نحو السديم، وفحصوا كمية الكربون في جزئه الداخلي. اتضح أن الكربون فيه قليل — وكأن أحدهم كشطه بملعقة.

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.

في العنقود النجمي، كما في حلبة رقص مزدحمة، نادرًا ما تبقى النجوم الضخمة بمفردها. في أغلب الأحيان، تدور في أزواج أو ثلاثيات، وقد تكون المسافة بينها أقل من المسافة بين الأرض والشمس. ولكن كيف تتمكن من الالتصاق ببعضها البعض بهذا الشكل؟ أظهرت المحاكاة أن السر يكمن في القرص المكون من الغاز والغبار الذي يحيط بالزوج. هذا القرص، مثل قمع في حوض، يدوّر النجوم ويسحبها ببطء إلى الداخل.

نجمان يدوران في رقصة حميمة. أحدهما نجم نيوتروني، كرة فائقة الكثافة بحجم مدينة، لكن كتلتها تعادل كتلة الشمس ونصف. والآخر نجم عادي يتمدد ويفيض بمواده على جاره. أحيانًا يكون هذا الفيضان سريعًا جدًا، فيغلف النجمين غلاف غازي مشترك - مثل ملعقتين في قدر واحد من الحساء المغلي. النجم النيوتروني هو ما يتبقى بعد انفجار مستعر أعظم.

الكون المبكر كان بيئة شديدة الحرارة والكثافة. في هذه البيئة، مثل فقاعات البخار في الماء المغلي، كانت تظهر تلقائيًا فقاعات لحالة جديدة من الفضاء — مناطق تتغير فيها الخصائص الفيزيائية بشكل جذري. عادةً ما تُعتبر هذه الفقاعات بنى بسيطة نسبيًا، لكن بعضها حمل عددًا هائلًا من «الأنماط» الخفية — حالات مجهرية يسميها الفيزيائيون إنتروبيا.

عندما تقترب نجمان في رقصة كونية، يصاحب حركتهما تمايل إضافي — وهو نتيجة انحناء الزمكان (تأثير تنبأ به Albert Einstein في النسبية العامة). الكوكب الذي يدور حول هذا الثنائي يتعرض أيضًا لهذا التمايل.

ثقبان أسودان يدوران في رقصة متقاربة، وحولهما يولد شيء مذهل: جزيء ثقالي. سحابة من البوزونات فائقة الخفة، وهي جسيمات كتلتها أقل من إلكترون فولت، تغلف الزوج مثل سحابة إلكترونية في أيون H2+. لكن الدور الذي تلعبه النوى هنا تلعبه الثقوب السوداء، والدور الذي يلعبه الإلكترون يلعبه حقل موزع على عشرات الكيلومترات.