جسم مضغوط

شعاع الضوء الذي يمر بالقرب من جسم ضخم ينحني حوله، مثل عداء يلتف حول زاوية الملعب. بالنسبة للنجم النيوتروني النجم النيوتروني، عادةً ما تُعتبر زاوية الانحراف هذه مماثلة لتلك الخاصة بكتلة نقطية. ولكن إذا كان النجم محاطًا بهالة غير مرئية من المادة المظلمة، يتغير المشهد: الضوء الذي يمر عبر الهالة ينحرف بشكل أضعف مما تتنبأ به الكتلة الكلية.

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.

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.

ألقِ حجرين مختلفي الشكل في بركة ماء — ستخبرك الدوائر على سطح الماء أيّهما كان أملس وأيّهما كان ذا زوايا. هكذا تعمل الموجات الثقالية — تموجات الزمكان التي تنبأت بها النسبية العامة: عندما يندمج جسمان فائقا الكثافة، تحمل ارتجاجات الزمكان تفاصيل عن بنيتهما الداخلية.

نجمان نيوترونيان يدوران في رقصة حميمة، وكل منهما يحس بالحقل المدّي للآخر. هكذا يرفع القمر محيطات الأرض، لكن هنا يتشوه الزمكان نفسه ومادة النجم. يسمي علماء الفيزياء الفلكية هذا بالتشوه المدّي (tidal deformation) — وهو مقياس لمدى "انحناء" الجسم تحت تأثير جاذبية شريكه.

مئتان وتسعة وثمانون يوماً — هذه هي مدة دورة واحدة للقزم الأبيض القزم الأبيض WD 1532+129. هذا ليس مجرد رقم قياسي: على سطحه، عند القطبين المغناطيسيين، تظهر ندوب من الحديد ومعادن أخرى — شواهد صامتة على كواكب ابتلعها.

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⊙.

في مراكز العديد من المجرات لا تختبئ فقط الثقوب السوداء فائقة الضخامة، بل أيضًا سحب هائلة من المادة غير المرئية. إذا كانت هذه المادة تتكون من جسيمات فائقة الخفة، فإنها قادرة على التجمع في كتل كثيفة — نوع من "النجوم" المصنوعة من المادة المظلمة.

في بؤرة الاهتمام توجد مدن نجمية صغيرة: المجرات القزمة فائقة الخفوت. إنها تشبه أسرابًا متناثرة من اليراعات تدور داخل سحابة غير مرئية شاسعة. هذه السحابة هي هالة من المادة المظلمة فائقة الخفة. جسيماتها خفيفة جدًا لدرجة أنها لا تتصرف مثل كرات البلياردو، بل مثل الموجات. عندما تتراكب هذه الموجات فوق بعضها، يمكنها أن "تهزّ" النجوم، مضيفةً إليها طاقة — وهكذا يتضخم السرب النجمي تدريجيًا.

في مركز المجرة، تعمل الجاذبية على تكثيف المادة المظلمة في "شوكة" كثيفة. مثل الشوكة المظلمة تشبه قمعًا من جسيمات غير مرئية حول جسم ضخم. ولكن إذا كان كل من المركز والجسيمات ثقوبًا سوداء بدائية، تنهار الصورة. الثقوب الخفيفة، بحجم كويكب، تولد تقريبًا بدون دوران. بدون دوران، لا تستطيع البقاء في المدار وتسقط على العملاق المركزي.

يقوم محرك الاعوجاج على فكرة أينشتاين بأن الأجسام الضخمة تُحدث انحناءً في الزمكان — ذلك المسرح الذي تجري عليه جميع الأحداث الكونية. تخيل فقاعة من هذا الزمكان المنحني. بداخلها، تطفو السفينة دون أي تسارع — كراكب في مقصورة طائرة لا يشعر بالرياح المعاكسة.

النجوم النيوترونية أجسام كونية بكثافة لا يمكن تصورها: تخيل أن ملعقة طعام من مادتها تزن أكثر من جبل إيفرست. ظل لغزًا لفترة طويلة ما الذي يخفيه في أعماقها: مادة نيوترونية عادية، تشبه نواة ذرية عملاقة، أم مادة كواركية غريبة، حيث الجسيمات لم تعد مرتبطة في نيوترونات.

في مسرح الكون الصامت، مسرحية حياة النجم تستمر مليارات السنين. لكن أحياناً يتسلل إلى المشهد مخرج خفيّ — ثقب أسود أولي. هذه الكتلة من المادة المظلمة، التي وُلدت في الثانية الأولى من الوجود (كما تنبأ ستيفن هوكينغ)، بكتلة تعادل كويكباً وحجم ذرة، يمكن أن يلتقطها نجم.

ألقِ حجرًا في بركة ماء وستظهر دوائر. شيء مشابه يحدث داخل الكتل المدمجة من المادة المظلمة عندما تدخل وسطًا خاصًا — الحقل القياسي. هذا الحقل، الذي يخترق كل شيء حولنا، يمكن أن يتضخم تلقائيًا في أعماق هذه الأجسام، تمامًا كما ترتفع الدوائر على سطح الماء وتصبح أكثر وضوحًا.

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.

إذا ضغطت حفنة من الرمل حتى حجم رأس الدبوس، فستتحول إلى حجر. لكن إذا ضغطتها بقوة أكبر، حتى كثافة النواة الذرية، ستفقد حبيبات الرمل شكلها. ستذوب البروتونات والنيوترونات، ويصبح المادة شبيهة بحساء من الكواركات الحرة. في أعماق النجوم النيوترونية، يكون الضغط كبيرًا لدرجة أن هذا الحساء قد يتكاثف: تبدأ الكواركات في الالتصاق أزواجًا، مثل قطرات الزئبق على الزجاج، وتشكل سائلًا فائق السيولة واحدًا.

في الصورة الفيزيائية الفلكية القياسية، تحتفظ الثقوب السوداء بلقب الأبطال المطلقين في الكثافة: فكل مادتها تنهار إلى نقطة التفرد — نقطة ذات انحناء لانهائي في الزمكان. يمكن تصور ذلك كما لو تم ضغط كتلة جبل إيفرست بأكملها إلى حجم حبة ملح. ومع ذلك، اكتشف الفيزيائيون النظريون حيلة أنيقة.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، كان من الممكن أن تطفو في الفضاء تكتلات تزن ترليون شمس وبشحنة كهربائية هائلة القوة — مثل تريليونات من الكرات المكهربة. تنافرها المتبادل كان يمكن أن يدفع المجرات بعيدًا، محلًا بذلك الطاقة المظلمة ومسرعًا توسع الكون. لكن الحسابات تقضي على هذه الفكرة.

حفنة من الرمل تزن بقدر جبل صغير — هكذا تقريبًا تُوصف السترانجليتات، وهي كتل صغيرة من "مادة الكواركات الغريبة"، حيث تُضغط الجسيمات إلى كثافات لا يمكن تصورها. في دراسة جديدة، اختبر الفيزيائيون الفلكيون ما إذا كانت هذه الأجسام يمكن أن توجد في الطبيعة، وكيف ستبدو. اعتمدوا كنموذج أساسي على فكرة أن الكواركات محبوسة داخل "كيس" — هكذا يسمي الفيزيائيون القوى التي تمنع الكواركات من التفرق.

في البلازما الحارقة لكون وليد، حين كان الفضاء لا يزال يطن بصدى الانفجار العظيم، ربما نشأت أجسام تتحدى الجاذبية نفسها. ليست الثقوب السوداء المألوفة، بل عمالقة مشحونة كهربائياً: الأسترونات. كتلتها تعادل مليون مليار شمس، والتنافر الكهربائي يفوق الجاذبية بخمسة أضعاف.

المجرة تشبه طريقًا سريعًا كونيًا، حيث تندفع النجوم-السيارات في مدارات دائرية. سرعتها تحددها "الحمولة" غير المرئية من الكتلة الموجودة داخل المدار: كلما كانت المنطقة المركزية أضخم، زادت سرعة النجوم في الأطراف.

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.

القزم الأبيض هو ما يتبقى من نجم مثل الشمس بعد أن يطرح طبقاته الخارجية. يبقى نواة حارة بحجم الأرض، لكن بكتلة قريبة من كتلة الشمس. ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن بقدر شاحنة. بعض هذه النجوم تمتلك مجالات مغناطيسية قوية جدًا — أقوى بمليار مرة من المجال الأرضي. لكن هذه الأجسام قليلة في الفهارس: فهي خافتة، والمسوحات السماوية العادية تفوتها.

ثقبان أسودان غير دوارين ثقب أسود — منطقتان من الزمكان بجاذبية قوية لدرجة أن لا شيء، بما في ذلك الضوء، يمكنه مغادرتهما — عند لحظة الاندماج يولدان موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه، تلتقطها أجهزة طورت بمشاركة كيب ثورن.

تخيّل محيطًا غير مرئي يتكوّن من المادة المظلمة — وهي جسيمات فائقة الخفة، كان فريتز زفيكي أول من اشتبه في وجودها منذ ثلاثينيات القرن العشرين. في هذا المحيط يغوص نجم نيوتروني — وهو جرم كثيف بحجم مدينة، لكنه يمتلك كثافة هائلة: فملعقة صغيرة من مادته تزن مليارات الأطنان.

أضاءت النجوم الأولى من سحب لم تحتوِ سوى الهيدروجين والهيليوم. العناصر الثقيلة — الكربون والأكسجين والحديد — ظهرت لاحقًا داخل النجوم. لكن بين تلك الأوائل ربما كانت هناك نجوم خفيفة، بكتلة أقل بقليل من كتلة الشمس. مثل هذه النجوم تعيش طويلًا جدًا، مليارات السنين، وقد تبقى حتى يومنا هذا.

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.

السماء الليلية مليئة بالمنارات، لكن بعضها يضيء بطريقة تجعلها شبه خفية. اكتشف علماء الفلك فئة جديدة من الأجسام — مصادر الأشعة السينية فائقة الليونة. إنها «باردة» جدًا بمعايير الأشعة السينية لدرجة أن إشعاعها يقع على الحدود بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية اللينة، حيث تكون التلسكوبات العادية شبه عمياء.

النيوترون هو الجسيم الذي تتكون منه النجوم النيوترونية بشكل أساسي. وهو غير مستقر بذاته: يعيش النيوترون الحر حوالي خمس عشرة دقيقة، ثم يتحلل إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو. لكن في نوعين مختلفين من التجارب، يختلف زمن الحياة: في حزمة الجسيمات، يعيش النيوترونات أطول قليلاً مما في المصيدة. هذا الاختلاف يقلق الفيزيائيين منذ سنوات عديدة.

في مجرة سحابة ماجلان الكبرى، التي تدور حول مجرتنا درب التبانة، التقط علماء الفلك خمسة نجوم تبدو وكأنها أحافير من ماضٍ بعيد جداً. لا تحتوي تقريباً على معادن — فقط من جزء من مائة إلى جزء من ألف من الكمية الموجودة في الشمس، لكنها غنية بالكربون بعشرات المرات. تُسمى هذه النجوم بالنجوم المعززة بالكربون منخفضة المعادن، أو اختصاراً نجوم CEMP.

نجم يبعد 300 سنة ضوئية يرقص مع رفيق غير مرئي. أحد جانبي النجم يسخن أكثر من الآخر، وكأن الراقص غير المرئي ينفخ عليه ريحًا ساخنة. هذا الرفيق هو نجم نيوتروني — رماد بحجم مدينة من الكثافة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته تفوق وزن جبل إيفرست.

النجم النيوتروني هو بقايا مضغوطة لنجم ضخم: المادة فيه مضغوطة لدرجة أن جبلًا بحجم كشتبان يمتلك كثافة هائلة. إذا تراكمت داخل هذا الجسم المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة غير المرئية التي يُعتقد أنها تمنع المجرات من التمزق بفعل جاذبيتها — فإن هذا التراكم يصبح مميتًا في ظل ظروف معينة.

في مركز بقايا المستعر الأعظم SN 1987A، على بعد 168 000 سنة ضوئية من الأرض، يختبئ جسم يبحث عنه علماء الفلك منذ 37 عامًا. إنه أقرب مستعر أعظم انفجر أمام أعين التلسكوبات الحديثة، والوحيد الذي لم يُرَ بقاياه المدمجة مباشرة حتى الآن. في عام 2022، ميّز تلسكوب جيمس ويب لأول مرة خطوطًا ضيقة للأرجون والكبريت صادرة من قلب المقذوف.