نجم مظلم

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان من المفترض أن تنشأ المادة والمادة المضادة بكميات متساوية، وفقًا لقوانين التناظر في فيزياء الجسيمات الأولية. لكن اليوم، ما يحيط بنا هو المادة العادية (بروتونات، نيوترونات، إلكترونات)، بينما المادة المضادة (مضادات البروتونات، البوزيترونات، إلخ) نادرة الوجود.

مفاعل الاندماج النووي من نوع ستيلاراتور يشبه شرنقة مغناطيسية ملتوية ببراعة. مهمته هي احتجاز البلازما شديدة الحرارة لكي تندمج نوى الهيدروجين وتنتج الطاقة. لكن الشكل ثلاثي الأبعاد للشرنقة يخلق فجوات: بعض الجسيمات تهرب إلى الخارج، خاصة الأسرع منها، وهي التي تحمل الحرارة الأساسية.

يشبه الكون هيكلًا خفيًا ضخمًا. لا نراه مباشرة، لكننا نعلم بوجوده: فالمجرات وعناقيدها تتماسك بفضله. هذا الهيكل هو المادة المظلمة، وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية. النسخة الأكثر شيوعًا تقول إنها «باردة» وتتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة.

استنفد النجم وقوده وهو ينكمش بسرعة تحت ثقله. وفقاً للمفاهيم الكلاسيكية، ينهار إلى نقطة ذات كثافة لا نهائية — التفرد. ولكن ماذا لو كانت الطبيعة لا تحتمل اللانهايات؟ في نماذج الثقوب السوداء المنتظمة، لا ينشأ تفرد في المركز، بل نواة كثيفة من مادة غير معروفة. هذه المادة لم تكن موجودة في النجم أصلاً — بل تولد مباشرة أثناء الانهيار.

لطالما ساد في علم الكون اعتقاد مستمد من هوكينج: في عصر الإشعاع، لا تنمو الثقوب السوداء الأولية.

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.

في مركز درب التبانة، حيث يهيمن الثقب الأسود فائق الكتلة الرامي A* بلا منازع (والذي حُسبت مقياسيته لأول مرة بواسطة كارل شفارتسشيلد)، يخوض النجم S4714 رحلة مذهلة.

في عام 1933، كان فريتز زفيكي أول من تحدث عن كتلة غير مرئية تمسك بعناقيد المجرات. وبعد عقود، رسمت فيرا روبين خريطة الدوران المجري، كاشفة عن الوجود الشبحـي لـالمادة المظلمة. واليوم نعرف أنها تتخلل الكون، لكن طبيعتها الجسيمية تظل عصية. أجهزة الكشف الأرضية تتنصت على همس تصادمات المادة المظلمة.

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.

الكون مليء باللامرئي. نعرف عن المادة المظلمة من دوران المجرات وعدسات الجاذبية، لكن طبيعتها تفلت منا منذ قرن. أحد أكثر الافتراضات جرأة، الذي طرحه ستيفن هوكينغ، يقول: قد تتكون المادة المظلمة من ثقوب سوداء بدائية — أجسام وُلدت في بوتقة الكون المبكر الحارقة قبل النجوم الأولى.

نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى عصر كان عمر الكون فيه أقل من مليار سنة، واكتشف هناك مئات الأجسام الغريبة. صغيرة لكنها شديدة السطوع، تتألق بلون أحمر عميق — كالجمرات الملتهبة المتناثرة على مخمل الفضاء الأسود. هذه «النقاط الحمراء الصغيرة» (LRDs) تتحدى الصورة المتناسقة لنشأة النجوم والمجرات الأولى.

باستخدام تلسكوب جيمس ويب، ألقى علماء الفلك نظرة على نجم زائف قديم — القلب المتوهج لـمجرة، حيث يمتص ثقب أسود عملاق المادة. اتضح أنه لا يدمر فحسب، بل يخلق أيضًا: فتدفقاته القوية وموجاته الصدمية تعمل كطاحونة كونية حقيقية. تطحن جسيمات الغبار الكوني إلى مسحوق ناعم جدًا — تمامًا كالرمال العادية، لكنها مطحونة إلى أحجام ميكروسكوبية.

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.

الأكسيونات جسيمات أولية افتراضية أدخلها في النظرية روبرتو بيتشي وهيلين كوين عام 1977 لحل ما يُعرف بمسألة CP القوية في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تصرفت الكون وكأنه بالون منفوخ بشدة: الضغط المرتفع منع الانضغاط المحلي للمادة إلى كتل. ومع ذلك، فإن جسيمات افتراضية فائقة الثقل — وهي نوع من "أثقال" العالم الصغير — قد تكون قللت مؤقتًا من هذه المرونة. ونتيجة لذلك، تجمعت المادة بسهولة أكبر إلى كتل، ووُلدت ثقوب سوداء بدائية بكتل تتراوح بين مليار ومليار مليار طن.

نارٌ أُشعلت من كحول نقي تشتعل بحرارة عالية ولا يكاد يتصاعد منها دخان. هكذا تقريبًا كانت تُضيء النجوم الأولى، إذ لم تكن تحتوي على عناصر ثقيلة، بل فقط الهيدروجين والهيليوم المتبقيين بعد الانفجار العظيم. ربما تمكن تلسكوب «جيمس ويب» من رصد إحدى هذه «النيران» في المجرة GN-z11.

ثقب أسود صغير بحجم نواة ذرية يسبح في حساء الكون المبكر الملتهب. عادةً، يجب أن يتبخر هذا الصغير بسرعة، مُطلقًا طاقته مثل قطرة ماء على مقلاة ساخنة. لكن إذا كان الفضاء أكثر تعقيدًا مما يبدو، ويحتوي على أبعاد خفية، يتغير كل شيء. في العمل، دُرس كونٌ توجد فيه، بالإضافة إلى الأبعاد الثلاثة المألوفة، أبعاد إضافية مطوية في حلقات صغيرة.

رصد تلسكوب جيمس ويب (JWST) الفضائي في الكون المبكر أجسامًا متراصة ولكنها ساطعة بشكل شاذ مع انزياح أحمر. لمعانها يفوق بعشرات المرات القيم النموذجية لـالمجرات في تلك الحقبة. يعتقد الفيزيائيون الفلكيون أن داخلها تختبئ ثقوب سوداء بكتل من رتبة مليارات الكتل الشمسية.

الثقوب السوداء الصغيرة التي نشأت بعد نشأة الكون مباشرة، يجب أن تتبخر - تطلق كتلتها على شكل جسيمات غير مرئية. هذا ما تنبأ به ستيفن هوكينغ، وكان هذا 'تبخر هوكينغ' يسهم في توسع الكون الفتي. لكن إذا وُجدت جسيمات خارج نطاق الفيزياء المألوفة، فقد تتكثف سحابة حول ثقب أسود دوَّار.

على بعد 65 مليون سنة ضوئية من الأرض، في كوكبة قيطس، تقع ثلاث مجرات قزمة مجرات: DF2 وDF4 وDF9. أُعلنت جميعها "مجرات بدون مادة مظلمة" — تلك المادة الخفية الغامضة التي عادةً ما تمسك النجوم معاً.

صور المجرات البعيدة المجرات تزخر بأقواس وبقع منحنية — إنه ضوء تشوه في طريقه إلينا. هذا التأثير، الذي تنبأ به ألبرت أينشتاين في إطار النسبية العامة، يعمل كمرآة مشوهة عملاقة: فالتجمع المجري الضخم تجمع المجرات بجاذبيته يشوه صور المصادر الخلفية — وهي ظاهرة تُعرف باسم العدسة…

يرتفع العجين بشكل أسرع إذا كان يحتوي على الخميرة. وبالمثل، ربما كانت المجرات تتجمع بشكل أسرع إذا كانت تحتوي على ثقوب سوداء مسبقًا. درس الفيزيائيون الفلكيون حالة وجود ثقوب سوداء بدائية في الكون منذ البداية - وهي أجسام ربما تشكلت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

في مطبخ المجرة، هناك وصفة لشوربة النجوم. المكون الرئيسي هو الهيدروجين، لكن نكهة الطبق تعتمد على رشة معادن. ولأول مرة، نظر علماء الفلك إلى الأواني التي تكاد تخلو من هذه الرشة، فرأوا أن أصغر النجوم مفقودة منها. باستخدام بيانات التلسكوب الفضائي Gaia، اختار العلماء نحو 53 ألف نجم ذات مدارات مشابهة لمدارات سكان الهالة، ومحتوى معدني منخفض (أقل من عُشر محتوى الشمس).

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.

وجّه الفلكيون تلسكوب جيمس ويب نحو ثلاث مجرات يقطع ضوؤها مسافة 12 مليار سنة. أشارت البيانات الأولية إلى نمو سريع لا يُصدق — كأن رضيعاً بلغ طول شخص بالغ في عام واحد، مما يتعارض مع تمدد الكون.

في عام 2014، رصد علماء الفلك نجماً أصفر ضخماً في مجرة المرأة المسلسلة. بحلول عام 2022، اختفى النجم دون أثر - دون الانفجار المبهر المعتاد لـمستعر أعظم. وكأن الضوء أُطفئ فجأة. اشتبه العلماء في أن نواة النجم انهارت بهدوء إلى ثقب أسود، لكن اللغز لم يُحل إلا بأحدث الأدوات.

الثقوب السوداء الصغيرة بحجم الذرة، ولكنها أثقل من كويكب، وُلدت بعد الانفجار العظيم مباشرة. والآن، من المحتمل أنها المادة المظلمة – الكتلة غير المرئية التي تمنع المجرات من التشتت. لا يمكن اصطيادها مباشرة: فهي لا تصدر أي إشعاع تقريبًا.

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.

بعد الانفجار العظيم، كان الكون حارًا وكثيفًا. في كتل المادة المظلمة — وهي مادة غير مرئية لا نستشعرها إلا من خلال جاذبيتها — كانت جسيماتها تتصادم وتفنى، مولدةً إشعاعًا قويًا. هذه الحرارة الخفية، مثل موقد غير مرئي، كانت تسخن سحب الغاز من الداخل. اشتعلت نجوم مظلمة عملاقة — فضفاضة وممتدة، تتألق بأشد من مجرات كاملة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، ربما تشكلت في الكون أجسام لا تشبه النجوم المألوفة لدينا — نجوم مظلمة. كان الاختلاف الرئيسي بينها وبين النجوم العادية مثل الشمس يكمن في مصدر الطاقة: فبدلاً من الاندماج النووي الحراري، كانت تتغذى على إفناء جسيمات المادة المظلمة — وهي مادة افتراضية لا تصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، لكنها تظهر من خلال…

في مركز المجرة NGC 1600، التي تبعد عنا 200 مليون سنة ضوئية، لاحظ علماء الفلك تجمعًا نجميًا كثيفًا. بدا كعقدة مضيئة على خلفية توهج ضبابي، وكان ذلك غير متوقع. كان يُعتقد أن التجمعات النجمية النووية لا تنجو في مثل هذه المجرات الإهليلجية العملاقة: كان من المفترض أن اندماجات الثقوب السوداء فائقة الضخامة تقذف النجوم من المركز، تاركة فراغًا فقط.

رصد تلسكوب جيمس ويب في الكون المبكر حشدًا من الأجسام المدمجة التي أُطلق عليها اسم "النقاط الحمراء الصغيرة". إنها حمراء جدًا وخافتة جدًا بحيث لا يمكن أن تكون كوازارات عادية، ويحاول الفيزيائيون الفلكيون فهم ما يغذيها. يقدم ستيفن أدلر إجابة غير متوقعة: هذه ليست ثقوبًا سوداء، بل نجوم غرافاستار، وهي أجسام مدمجة بلا أفق حدث، تنشأ عند تحول طوري للمادة.

ضوء مجرة بعيدة انقسم إلى صورتين، ثم ثلاث، ثم أربع، وفي المركز ظهرت صورة خامسة شبحية. هكذا تبدو HerS-3: مجرة فتية مليئة بالغبار والنجوم حديثة الولادة، مرّ ضوءها عبر عدسة تثاقلية (gravitational lens)، وهي جسم ضخم يحني الأشعة كما تحني عدسة مكبرة الضوء. عادةً ما تعطي العدسة أقواسًا أو حلقات، لكن هنا تشكل صليب أينشتاين: أربع صور لمصدر واحد مرتبة حول مركز غير مرئي. وهذا المركز ليس فارغًا.

كرة غبار متجانسة تبدأ بالانكماش تحت ثقلها الذاتي. بداخلها، مثل فقاعة نجاة، تنتفخ منطقة ذات ضغط سالب: فقاعة دي سيتر. تتمدد، وتتباطأ عند حافة السقوط تماماً، وتتجمد عند نصف قطر شفارتزشيلد. هكذا يولد الغرافاستار: جسم مضغوط دون أفق أو تفرد.