انضغاطية

النباض PSR J0614-3329 يدور 318 دورة في الثانية. نقطة على خط استوائه تتحرك بسرعة تعادل 10% من سرعة الضوء تقريباً. من الخارج، يبدو النجم كمنارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن شعاعها يندمج في حلقة متصلة. لكن تلسكوب NICER على محطة الفضاء الدولية يلتقط ومضات فردية من الأشعة السينية، ومن خلال نمطها يعيد بناء شكل الجسم غير المرئي.

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 المطبخ المظلم للسحابة الجزيئية في الثور، على بعد 450 سنة ضوئية منا، تُحضَّر عشرات الأنظمة الكوكبية. كل نجم فتِي هو طاهٍ، وقرصه الكوكبي الأولي هو طاولة مكدسة بالدقيق-الغبار والبخار-الغاز. حتى الآن، رأى علماء الفلك فقط "الأطباق" الجاهزة — الكواكب المكتملة. الآن، ولأول مرة، تمكنوا من النظر إلى المخزن نفسه.

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.

«فرجار» فضائي سيقيس قريبًا النجم النيوتروني بدقة تصل إلى مئة متر. بالنسبة لجسم يبلغ قطره عشرين كيلومترًا أو نحو ذلك، هذا يعادل قياس سُمك شعرة إنسان من مسافة كيلومتر. النجم النيوتروني هو بقايا مستعر أعظم منفجر. المادة فيه مضغوطة بشدة لدرجة أن ملعقة صغيرة منها تزن مليارات الأطنان.

سرب من جسيمات صغيرة غير مرئية — مثل سحابة من حبوب اللقاح — ينجرف في الفضاء. في طريقه يظهر ثقب أسود. بعض الجسيمات تسقط فيه وتختفي إلى الأبد، والبعض الآخر يلتف حول المصيدة ويطير بعيدًا. بنى الفيزيائيون خريطة تُظهر كمية المادة التي ستُبتلع بالضبط، والكمية التي ستنجو. يمكن أن تكون جسيمات المادة المظلمة خفيفة للغاية — أخف بمليارات المرات من الإلكترون.

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.

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.

النجوم النيوترونية - بقايا المستعرات العظمى - هي من بين أكثر الأجسام كثافة في الكون. كثافتها المركزية تفوق الكثافة النووية بأضعاف، وجاذبيتها لا يضاهيها سوى الثقوب السوداء.

انظر إلى مثلث متساوي الأضلاع — إنه المثلث الاحتمالي (Simplex) لثلاثة أصول. كل نقطة داخله تمثل محفظة: حصص غير سالبة مجموعها واحد. مركز المثلث، المركز الهندسي، يقابل توزيعاً متساوياً لرأس المال (1/3, 1/3, 1/3). يبدو أنك، باقترابك من هذه النقطة، تقلل المخاطرة وتتجنب الحدود الخطرة. لكن في ظروف معينة، الطريق إلى المركز يمر عبر هُوَّات غير مرئية.

الدوامة: تدوير الخفيفة أسهل من الثقيلة. هذا ما تفعله النجوم النيوترونية تقريبًا — وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. نظر علماء الفلك إلى نحو خمسين نظامًا ثنائيًا يدور فيه نجم نيوتروني حول آخر، فلاحظوا: كلما زادت كتلة النجم، طال زمن دورانه. العلاقة ليست حتمية، لكنها ملحوظة إحصائيًا. معامل الارتباط (مقياس العلاقة الإحصائية) حوالي -0.26، ومع احتمال 96% يكون أقل من الصفر.

الطفل الساخن والبالغ البارد – نفس النجم النيوتروني يبدو مختلفًا. فبمجرد ولادته في انفجار مستعر أعظم، يكون محمىً إلى عشرات المليارات من الدرجات. ولكن مع مرور الوقت، يبرد وينكمش مثل المعدن المبرد. بالنسبة للنجم PSR J1012+5307، يعني هذا الانتقال انكماش نصف قطره إلى النصف تقريبًا.

النجوم النيوترونية هي الوتر الأخير في تطور النجوم الضخمة. تولد في كارثة المستعر الأعظم، فتضغط كتلة تعادل كتلة الشمس في كرة بحجم مدينة أرضية.

النجم النيوتروني هو النواة المتبقية بعد انفجار نجم ضخم. المادة فيه مضغوطة بشدة لدرجة أن ملعقة صغيرة منها تزن مليارات الأطنان. لكن الأبعاد والكتلة الدقيقة لهذه الأجرام ما زالت موضع جدل. درست مجموعة من علماء الفلك النظام EXO 0748-676، حيث يسحب النجم النيوتروني المادة من نجم مجاور عادي. يشتعل أحيانًا ثم يخفت.

في أعماق نجم منضغط إلى أقصى حد، تتصرف الجسيمات كأوتار آلة موسيقية غير عادية. تخضع اهتزازاتها لمعادلة معقدة ظلّت عصيّة على الحل الدقيق لنحو قرن من الزمان. تمكن مؤلفو العمل لأول مرة من حل هذه المسألة، إذ وجدوا حلاً دقيقًا للجسيمات الضخمة داخل نجم شفارتزشيلد (وهو كرة من سائل مثالي بكثافة ثابتة). يكمن السر في تناظر خفي للمسألة.

عندما يدور نجمان فائقا الكثافة في رقصة متقاربة، يرتجف الفضاء من حولهما. هذا الارتجاف — الموجات الثقالية — تلتقطه كاشفات عملاقة على الأرض. لكن فك شفرة الإشارة ليس سهلاً: علينا أن نفهم ما الذي نواجهه بالضبط — زوجاً من الثقوب السوداء أم نجمين نيوترونيين. للأخيرين بصمة خاصة: فهما يستجيبان لقوى المد والجزر من رفيقهما، كالجرس الذي يرن عند الضربة.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم عملاق انفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن مليار طن. داخل هذا النجم، الجسيمات متراصة بكثافة بحيث تبدأ التأثيرات الكمومية بالظهور. أحد هذه التأثيرات هو دوران الجسيمات حول نفسها، أو الدوران المغزلي. عادةً، يتم حساب متوسط الدوران المغزلي وتجاهله، لكن مؤلفي الدراسة قرروا النظر في ماذا سيحدث إذا أخذناه على محمل الجد.

النجم النيوتروني هو عدسة جاذبية تتركز فيها محاولاتنا لرؤية المادة المظلمة. عبر مادته فائقة الكثافة، كما لو كنا ننظر عبر زجاج غريب، نبحث عن الأكسيون - ذلك الجسيم المراوغ القادر على تفسير الكتلة الخفية للكون.

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.

إذا أشعلت مصباحًا في غرفة، فسوف يضيء الجدران. لكن إذا وضعت المصباح نفسه في قاعة واسعة، فلن يصل الضوء إلا بصعوبة إلى الزوايا. وبالمثل، يعمل إشعاع النجوم الفتية على الغاز في المجرة: فهو يقتلع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين، مما يجعل الغاز يتوهج. ويطلق علماء الفلك على هذا "التأين"، ويسمون قوة هذا التأثير بمعامل التأين.

في قلب مدينتنا النجمية — المجرة — يكمن ثقب أسود فائق الكتلة، الرامي A* (Sagittarius A*). يدور حوله النجم S2 في رقصة سريعة. لكن حركاته لا تكشف فقط عن جاذبية الثقب: فهناك شريك غير مرئي في الرقصة — المادة المظلمة.

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 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.

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.

الكون مليء بالتمويه. ترتدي فراشة الزجاج قناع الدبور، وتطن الذبابة غير المؤذية كنحلة. وفي عالم الجاذبية، ربما يلعب دور المخادع النجوم البوزونية — تكثفات عملاقة من حقل سُلَّمي، تشبه الثقوب السوداء لدرجة لا تمييز. لا أفق حدث، ولا متفردة: مجرد جاذبية خالصة تحني الضوء تمامًا كما يفعل القمع المظلم الذي لا عودة منه.

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.

إذا ضربت جرسًا، فإنه سيصدر نغمة واحدة. أما إذا وضعت بداخله لسانًا ثانيًا، ورنّ كلاهما دون أن يتلامسا، فسيصبح الصوت أكثر تعقيدًا. هذا تقريبًا هو حال النجم النيوتروني في الدراسة الجديدة. إنه ليس مجرد كرة ملتهبة: فقد تتدفق في داخله سائلان لا يمتزجان — مثل النيوترونات فائقة الميوعة والبلازما العادية.

النجم النيوتروني هو نواة ميتة لنجم ضخم، مضغوطة إلى حجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن مثل جبل. عبر هذه البيئة الكثيفة، تمر جسيمات المادة المظلمة بحرية تقريبًا، لكنها أحيانًا تصطدم بالنيوترونات وتعلق، مثل الرصاص الذي يغوص في الرمال. بعد أن تستقر في المركز، تطلق طاقة — فيسخن النجم قليلاً.

البالون المطاطي في راحة اليد يرتد بالتساوي في جميع الاتجاهات. أما زجاجة المشروبات الغازية فتتصرف بشكل مختلف: فهي صلبة على طول العنق، لكنها تنضغط بسهولة عرضيًا. هكذا تقريبًا يُبنى الضغط داخل بعض النجوم — فقد لا يكون متساويًا في الاتجاهات المختلفة. تُسمى هذه النجوم بالنجوم المتباينة الخواص (anisotropic)، وقد ظل سلوكها يُوصف بطرق متفرقة حتى الآن.

النيوترينو هي أكثر الجسيمات كتلةً انتشارًا في الكون. تمر عبرنا تريليونات منها كل ثانية، لكنها لا تترك أثرًا تقريبًا. جاذبيتها الكلية، وإن كانت ضئيلة، قادرة على التأثير في حركة مجرات بأكملها. شخصان يتقاربان في شارع مزدحم؛ المارة غير المرئيين يغيرون سرعتهما. هكذا الحال مع أزواج المجرات: تلعب النيوترينو دور العابرة الخفية، فتُشوّه حركتها قليلًا.

هالة مجرتنا هي سحابة ضخمة متناثرة من النجوم القديمة تحيط بالقرص الذي نعرفه. إنها تحفظ تاريخ نمو درب التبانة عبر ابتلاعها للمجرات القزمة المجاورة. لقراءة هذا التاريخ، قاس علماء الفلك حركة أكثر من 10 000 نجم على مسافات تصل إلى 50 كيلوبارسك من المركز — أي أبعد بمقدار مرة ونصف من حافة القرص المرئي.

في أول مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، كان الكون يشبه ناديًا صاخبًا للمراهقين: المجرات تتوهج، تتصادم، وتلد النجوم بالمئات. لكن وسط هذه الضجة، رصد تلسكوب جيمس ويب شيئًا غريبًا — أحياء كاملة من «المتقاعدين» الهادئين. إنها مجرات ضخمة توقفت عن ولادة النجوم، رغم أنها وفقًا لكل الحسابات كان يجب أن تظل تعج بالنشاط.

الكثافة في مركز النجم النيوتروني هائلة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته تزن مثل وزن جبل. يحاول الفيزيائيون منذ زمن طويل فهم مقدار الكتلة التي يمكن أن يصل إليها مثل هذا النجم قبل أن ينهار إلى ثقب أسود. اعتمد الحد الكلاسيكي، الذي اشتُق في السبعينيات (1970)، على افتراض أن المادة في النواة تصبح غير قابلة للانضغاط (صلبة) فقط عند كثافات عالية جدًا.

تشبه المجرة دوامة عملاقة: تدور النجوم والغاز حول المركز، وسرعة حركتها تكشف مقدار المادة الموجودة في هذه الدوامة. لو كنا نرى فقط المادة المضيئة، لكانت الأجزاء الخارجية تدور بشكل أبطأ مما تظهره الملاحظات. إذن، هناك كتلة غير مرئية — المادة المظلمة — التي تربط المجرة ببعضها. أخذ علماء الفلك 20 مجرة من مسح MIGHTEE وبنوا لكل منها خريطة تفصيلية للدوران.

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.

في عام 2019، التقطت كاشفات الموجات الثقالية إشارة من اندماج جسمين بعيدين. كان أحدهما ثقبًا أسود كتلته 23 كتلة شمسية. أما الثاني فكانت كتلته 2.5 كتلة شمسية فقط — وهذا غريب. عادةً، لا تزيد كتلة النجوم النيوترونية عن كتلتين شمسيتين: فعند كتلة أكبر، تنضغط لتتحول إلى ثقب أسود. والثقوب السوداء، على العكس، نادرًا ما تكون كتلتها أقل من خمس كتل شمسية.

قبل ذلك بوقت طويل، فريتز زفيكي توقع أنه بعد انفجار مستعر أعظم يولد نجم صغير جدًا نجم نيوتروني. بعد سنوات، التقطت جوسلين بيل بورنيل نبضاته، مكتشفةً النجوم النابضة.