انهيار النواة

في سحابة كثيفة من الغاز والغبار، حيث تولد النجوم الضخمة، مرّ نجمان شابان قريبين جدًا من بعضهما مؤخرًا. رقصتهما تستمر حوالي ستين عامًا فقط، ولأول مرة تمكن علماء الفلك من رؤيتها بالتفصيل. يقع النظام IRAS 07299−1651 على بعد 1.4 كيلو فرسخ فلكي منا، وخلال ثماني سنوات من الرصد، تحرك مكوناه في السماء مسافة لا تستطيع العين تمييزها، لكن الأجهزة سجلتها بدقة تصل إلى جزء من عشرة آلاف من الثانية القوسية.

بعد انفجار المستعر الأعظم، يبقى في المركز جسم مضغوط بحجم مدينة — نجم نيوتروني وليد. هذه حالة قصوى من المادة: النجم حار، مضغوط إلى الكثافة النووية، ويهتز مثل الجرس بعد ضربة. هذه الاهتزازات — تذبذبات النجم — تبعث موجات ثقالية، تموجات في الزمكان، يمكن للكاشفات الحساسة على الأرض التقاطها.

انفجار النجم الضخم، المستعر الأعظم، ليس مجرد وميض ساطع، بل هو ضربة قوية للغاز المحيط، يمكن أن تطلق موجات من تشكل النجوم. ومع ذلك، لم يدرس أحد حتى الآن كيف يتحرك الغاز نفسه في مواقع هذه الانفجارات. الآن، جمع علماء الفلك بيانات عن 33 مستعرًا أعظم قريبًا مستعرًا أعظم وقاسوا لأول مرة اضطراب الغاز الجزيئي البارد حولها.

سطح بحيرة هادئ تتكسر فجأة تموجات صغيرة — في مكان ما في الأعماق انهارت صخرة تحت الماء. يرتجف الماء بشكل يكاد لا يُلاحظ، وتتسع الدوائر أكثر فأكثر حتى تصل إلى العوامة على الشاطئ. هذا التشبيه يصف بدقة نهاية نجم ضخم: بعد استنفاد وقوده النووي، لم يعد قادرًا على مقاومة جاذبيته.

في نهاية حياة نجم ضخم، تنهار نواته خلال أجزاء من الثانية، مولدة وميض مستعر أعظم. هذه الكارثة تهز نسيج الزمكان نفسه، فتبعث موجات ثقالية، تموجات تجري عبر الكون. لم نتمكن بعد من التقاط هذه التموجات مباشرة، لكنها وحدها القادرة على إخبارنا بما يحدث في قلب الجحيم، حيث لا يستطيع أي تلسكوب النظر.

انفجار المستعر الأعظم المستعر الأعظم يقذف الطبقات الخارجية للنجم المحتضر. ويبقى اللب - نجم نيوتروني النجم النيوتروني، معبأ في كرة بحجم مدينة. تنبأ بوجود هذه النجوم في عام 1934 العالم Fritz Zwicky.

انهيار نواة النجم يشبه انضغاط نابض: المادة تسقط إلى الداخل، وفي المركز يولد نجم نيوتروني. لكن السقوط لا يكون مستقيمًا تمامًا. في الطبقات الخارجية المغلية، تنقل الدوامات العشوائية الدوران إلى الغاز الساقط — فيلتف قرص حول الجسم المركزي. هذا القرص ليس نهرًا هادئًا. إنه ينبض: يقوى تارة ويخفت تارة أخرى. المادة التي لا تملك دورانًا تستمر في السقوط عليه من الأعلى، لكن القرص لا يختفي.

النجم النيوتروني هو مرجل يغلي بقطر مدينة وكتلة تعادل كتلة الشمس ونصف. في أعماقه، المادة مضغوطة لدرجة أن النوى الذرية تفقد معناها. هناك تولد أشكال غريبة من المادة: مكثف كاونات (يشبه سائلًا فائق الميوعة) والنجوم النيوترونية التي تحتوي على هيبيرونات (جسيمات ثقيلة).

ثلاثة أوتار غير مرئية تهتز في الفراغ بين المجرات. ليست هذه شعرًا، بل فرضية حول طبيعة المادة المظلمة — حقل كمومي فائق الخفة بسبين 1، يحمل ثلاث استقطابات. وعلى عكس النماذج القياسية مثل الأكسيون، تشبه المادة المظلمة المتجهية خيطًا ثلاثيًا مجدولًا من اهتزازات الفوتونات المظلمة (كما تُسمى هذه الجسيمات أحيانًا).

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.

مصنع قديم، حيث بدلًا من الآلات توجد أنوية ذرية، وحوله يغلي إشعاع النيوترينو. عندما يستنفد نجم ضخم وقوده، تنضغط نواته مئة مرة، وترتفع درجة الحرارة إلى مليارات الدرجات.

تلسكوب الفضاء «جيمس ويب» نظر إلى قلب بقايا المستعر الأعظم SNR 0540-69.3 — ما تبقى بعد موت نجم ضخم في مجرة مجاورة. في الداخل، بين الحطام المتناثر، رأى علماء الفلك نمطًا واضحًا: كتل مضيئة وفراغات تشكلت في شكل متناظر. يبدو النصف وكأنه انعكاس للآخر، لكنه مُدار بزاوية 189 درجة. هذا التناظر النقطي ليس مصادفة، بل هو أثر لنفاثات قوية اخترقت المادة أثناء الانفجار.

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.

تلتقط كواشف لايغو وفيرغو تموجات الزمكان، لكن بعض الإشارات تجبرنا على إعادة كتابة سيناريوهات الموت النجمي. GW190814 — اندماج ثقب أسود كتلته 23 كتلة شمسية مع جسم مضغوط كتلته 2.6 كتلة شمسية — هو نوتة نشاز في سيمفونية النماذج القياسية.

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.

في أبريل 2021، في مجرة تبعد 35 ميغا فرسخ فلكي، ظهر المستعر الأعظم SN 2021foa. وقد أثار حيرة الفلكيين على الفور: كان طيفه يتبدل بشكل محموم بين خطوط الهيدروجين و الهيليوم - وكأن النجم في سكرات الموت كان يتخلص باضطراب من طبقاته الخارجية.

في مكان ما في الانتفاخ المجري، يتربص نجم ضخم خامل، على وشك استبدال احتراقه الهادئ بانهيار. يستنفذ لبّه وقوده، وفي جزء من الثانية يولد نجم نيوتروني أو ثقب أسود، قاذفًا 10⁵⁸ نيوترينو – أي معظم طاقة الانفجار تقريبًا.

المتزلج على الجليد يضم ذراعيه إلى جسده فيتسارع دورانه بشكل حاد. عندما يستنفد نجم ضخم وقوده وينهار قلبه، يحدث شيء مشابه، لكن على نطاق كوني. القلب ينضغط ليصبح كرة بحجم مدينة، وإذا كان يدور بسرعة، قد ينشأ في داخله عدم استقرار خاص.

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.

قبل دقائق من تحول نجم ضخم إلى مستعر أعظم، تدور دراما خفية في أعماقه. المرجل العملاق يغلي: المادة تتحرك باضطراب وتدور، بينما تتقطع الخيوط المغناطيسية غير المرئية وتلتحم من جديد. هذه اللحظة التي كانت عصية على الرصد المباشر، أمكن لأول مرة إعادة بنائها في نماذج حاسوبية ثلاثية الأبعاد.

قاعة مكتظة بالراقصين ينزلقون دون أدنى احتكاك — يمرون عبر بعضهم البعض دون أن يتلامسوا. هذا هو السائل فائق السيولة. في قشرة النجم النيوتروني، يمكن للنيوترونات أن تتصرف بهذه الطريقة، لكن شبكة صلبة من الأيونات تعيقهم — كما لو أن حلبة الرقص امتلأت فجأة بأعمدة كثيفة. كان يُعتقد عادةً أن الشبكة ثابتة تمامًا، وأن السيولة الفائقة تكاد تختفي.

مصباح لا يحترق بل يتوهج أكثر فأكثر حتى يفجر كامل التركيبة. هكذا تقريبًا تموت أضخم النجوم في الكون. عندما ترتفع حرارة نواة النجم إلى مليارات الدرجات، تبدأ أزواج من الجسيمات في التولد — الإلكترونات ونقيضاتها البوزيترونات. تستهلك هذه العملية الطاقة التي كانت تدعم النجم، فينهار، لكن ليس بهدوء، بل بانفجار نووي حراري هائل. يُطلق على هذا الحدث اسم المستعر الأعظم غير المستقر زوجيًا.

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.

الموجات الثقالية — تموّجات في نسيج الزمكان تنبأ بها أينشتاين — كشفت هاوية: الثقوب السوداء التي تتراوح كتلتها بين 60 و120 كتلة شمسية لا تولد تقريبًا.

النجوم التي تفوق كتلة شمسنا بعشرات المرات لا تموت كما كنا نعتقد سابقًا. فقد أظهرت النمذجة الحاسوبية أن نواها غالبًا لا تنفجر على هيئة مستعر أعظم، بل تنهار سريعًا إلى ثقب أسود. الأمر أشبه بكعكة ينهار وسطها فجأة، فتنسحب معظم العجينة إلى الداخل كما لو كانت في قمع، ولا تتطاير إلا بضع قطرات إلى الخارج. وهذا حال النجم أيضًا: معظم المادة تسقط فيه، ولا تتناثر.

نجم يزن مئة ألف شمس يعيش حياة مشرقة وقصيرة. نهايته هي انهيار سريع إلى ثقب أسود. لكن قبل النهاية مباشرة، ينجح في أن يلف نفسه بشرنقة غازية كثيفة. هذه الشرانق بالضبط هي ما يميزه تلسكوب جيمس ويب حول الأجسام الغامضة — "النقاط الحمراء الصغيرة". أخذ علماء الفلك خمسة نماذج لنجوم فائقة الكتلة بتركيبات مختلفة وتتبعوا حياتها خطوة بخطوة.

كان يُعتقد سابقًا أن الهيدروجين لا يمتزج تقريبًا مع الحديد السائل تحت ضغط منخفض، لذا لم يكن متوقعًا وجوده في نواة القمر. قلبت التجارب الجديدة هذا الرأي رأسًا على عقب.

عندما تنشطر نواة ذرية ثقيلة، لا تتطاير إلى نصفين متساويين. ينشأ أولًا جزءان يشبهان الكمثرى، متلاصقان بطرفيهما الرفيعين. ثم يبدأ مكان التلامس بالانسياب، كما لو أن قطرتين تندمجان ويصبح السطح مستويًا بسرعة. في هذه اللحظة القصيرة، يتحرك السطح نحو الداخل، وقد ترتد الجسيمات داخل النواة عنه، مثل كرة ترتد عن جدار يتحرك نحوها. هذا الارتداد يزيد من سرعتها.

انفجار النجم الضخم حدث ساطع لكنه قصير. الومضة نفسها تستمر أسابيع، أما الغبار المحيط الذي سخنته فيستمر في التوهج بالأشعة تحت الحمراء لسنوات طويلة. الأمر أشبه بومضة كاميرا تضيء غرفة، ثم تظل جزيئات الغبار المتوهجة في الهواء مشتعلة بوهج خافت — لكن على نطاق كوني. دقق علماء الفلك في صور التلسكوب NEOWISE للأشعة تحت الحمراء على مدى 12 عامًا بحثًا عن هذا التوهج "المشتعل".

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده النووي وينهار ليشكل مستعرًا أعظم، يولد نجم نيوتروني — جسم بقطر مدينة صغيرة، لكن كتلته تضاهي كتلة الشمس. مادته مضغوطة لدرجة أن ملعقة شاي واحدة من هذه المادة تزن أكثر من جبل إيفرست.

نجم ضخم، أثقل من الشمس بـ 40 مرة، يموت في أجزاء من الثانية. تنضغط نواته مثل نابض ضغط بشدة ثم ينفرج فجأة — وهذا هو انفجار المستعر الأعظم.

في أعماق نجم ضخم قبل انفجاره، تتوزع الطبقات فوق بعضها مثل طبقات البصلة. أحيانًا تختلط طبقتان متجاورتان — طبقة الكربون وطبقة الأكسجين. يشبه ذلك اختلاط طبقات المرق والخضار في قدر الحساء إذا حرّكتها بملعقة. هذا الاختلاط يغيّر العناصر الكيميائية التي سيقذفها النجم إلى الفضاء عند الانفجار.

النجم النيوتروني هو نواة ميتة لنجم انفجر يومًا ما، مضغوطة إلى حجم مدينة. إذا كان هناك نجم عادي قريب، يقوم النجم النيوتروني بسحب المادة منه مثل المكنسة الكهربائية. تسقط هذه المادة على السطح وتشكل قشرة — طبقة صلبة من النوى الذرية الغنية بالنيوترونات. في هذه القشرة تحدث تحولات نووية: تتحلل بعض العناصر وتتحول إلى عناصر أخرى، وتصدر جسيمات تسمى النيوترينوات.

في سحابة الغاز المتوسعة المتبقية بعد انفجار نجم — تُعرف هذه السحب ببقايا المستعرات العظمى — اكتشف علماء الفلك بنية عملاقة مضيئة على شكل حرف S. تشكلت هذه البنية بواسطة نفاثتين — تيارين ضيقين من البلازما شديدة الحرارة، قُذفا أثناء الانهيار الكارثي للنجم. لم تتحرك هذه النفاثات ببساطة من مركز الانفجار: بل كانت تسبق، أي أن محورها كان يدور ببطء، مثل محور قمة دوارة تفقد توازنها.

كانت الأرض في شبابها تشبه خلية نحل: كانت تنمو بالتصاق عدد لا يحصى من الكتل الصخرية. وعندما انتهى البناء الأساسي، تعرض الكوكب الفتي لسرب نيزكي متأخر — ما يُسمى بالكسوة المتأخرة. هذه الاصطدامات، كما ظن العلماء، جلبت إلى الطبقات العليا من الأرض البلاتين والذهب ومعادن نادرة أخرى. وفائضها في الوشاح ظل لفترة طويلة دليلاً: ها هي آثار الزوار الكونيين. لكن دراسة جديدة تقلب هذه الصورة.

في عنقود نورما، أقرب عنقود غني بالمجرات إلينا، رصد علماء الفلك موجة صادمة. نشأت هذه الموجة عندما اصطدم عنقود بآخر، مثل موجة مقدم السفينة التي تشق الماء. ضغطت هذه الموجة الغاز بين المجرات وسخنته. وجدت مجرتان مباشرة خلف جبهة الموجة. الأولى، ESO 137-001، يُنتزع غازها في تيار، مثل أوراق الشجر في ريح عاتية.

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.

في أبريل 2023، رصدت الأقمار الصناعية اليابانية توهجاً فائق القوة بالأشعة السينية على النجم النيوتروني MAXI J1752–457. برد النجم في 4 أيام — أسرع بخمس مرات من المعتاد. كما لو أن أحداً فتح نافذة كونية. هذه النافذة فتحتها 'عملية أوركا' النووية. في محيط من النوى الذرية بسمك مئات الأمتار، تتبادل البروتونات والنيوترونات الإلكترونات مولدّةً النيوترينوات.

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.