موجات ثقالية من ثنائي شاذ

السماء الليلية مليئة بالحلقات والفقاعات، لكنها في نطاق الراديو تبدو مختلفة. في بيانات التلسكوب الراديوي الأسترالي ASKAP ظهرت بنية تشبه فقاعتي صابون نُفختا من قصبة واحدة. إحداهما دائرية تمامًا تقريبًا، والأخرى تتداخل معها قليلًا، وكأنهما نُفختا بفارق ثانية واحدة.

منارة تومض ليس كل ثانية، بل كل بضع دقائق أو حتى ساعات. هكذا تتصرف المتغيرات الراديوية طويلة الدورة — وهي مصادر كونية اكتُشفت مؤخرًا فقط. إشاراتها أبطأ من أن تصدر عن النجوم النابضة المعتادة (وهي نجوم نيوترونية سريعة الدوران)، لكنها أقوى من أن تُعزى إلى تداخل عشوائي.

في مكان ما في أعماق الفضاء، يدور ثقبان أسودان فائقا الكتلة ثقب أسود حول بعضهما البعض. رقصتهما ليست سلسة — فالمدار بيضاوي الشكل، كحبل مطاطي يتمدد تارة وينكمش تارة أخرى. كل دورة من هذا القبيل تولد تموجات في نسيج الزمكان — موجات ثقالية. تنتشر هذه الموجات في كل الاتجاهات، وبعد ملايين السنين تصل إلى الأرض، فتمدّدها وتضغطها بمقدار أصغر من نواة الذرة.

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.

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.

استخلاص إشارة من زوج واحد من الثقوب السوداء فائقة الكتلة يشبه تمييز خطوات راقص في هدير إعصار. في مكان ما من الكون، يدور هذان الوحشان في رقصة جاذبية بطيئة، يشوهان الزمكان نفسه. إن أمواج الجاذبية الخاصة بهما ليست دفقات حادة كما في LIGO، بل تنفس عميق للقياس المتري، ممتد على مدى سنوات.

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.

متزلجة فنية تدور على الجليد، وتنحرف تدريجيًا عن مدارها. هكذا، النجم الصغير أو الثقب الأسود، أثناء دورانه حول ثقب أسود ضخم، يفقد الطاقة. إنه يصدر موجات ثقالية (gravitational waves) — تموجات في نسيج الزمكان تلتقطها كاشفات على الأرض. لكن رقصة هذا الثنائي أكثر تعقيدًا مما تبدو. الرفيق الصغير ليس مجرد نقطة.

يشبه التجويف الميكروويفي العادي صندوقًا موسيقيًا: فهو يستجيب فقط لترددات محددة بدقة — نغماته الخاصة. ولكن ماذا لو جعلناه يصدر صوتًا مختلفًا؟ غيّر العلماء قواعد اللعبة بجعل الجدران "أحادية الاتجاه". داخل مثل هذا التجويف، يمكن للموجة أن تنتقل فقط إلى الأمام، دون أن تنعكس إلى الخلف. في التجربة، استُخدم دليل موجي محمّل بالفريت (مادة مغناطيسية).

زوج من النجوم النيوترونية، متداخلان بقفل الجاذبية، يرسمان دوائر غير مرئية في الفراغ. منذ مائة عام، وصف ألبرت أينشتاين هذه الرقصة بأنها تموجات هندسة منحنية، لكننا طويلاً لم نتمكن من متابعتها إلا بطرف العين — من خلال الوميض المحموم للنبضات الراديوية.

في مركز المجرة، ثقب أسود هائل محاط بسحابة غير مرئية – سرب من الجسيمات فائقة الخفة التي ولدها هو نفسه. ينغمس في هذه السحابة ثقب أسود آخر بحجم نجم، ويبدأ رقصة طويلة على شكل حلزوني. يستمر الاقتراب ملايين السنين، لكن الأحداث الأكثر دراماتيكية تتكشف بالقرب من الأفق. نادراً ما يكون مدار الثقب الصغير دائرة مثالية.

الأمواج تفرز الحصى على الشاطئ الرملي. الحصى الصغيرة تتجاور بشكل متلاصق، متشابهة الحجم تقريبًا. أبعد قليلًا عن الشاطئ، نجد حصى أكبر حجمًا وأكثر تنوعًا. وعند حافة الماء حيث يكون الأمواج قوية، تتراكم القطع الأكبر والأكثر استدارة. هكذا تقريبًا تفرز الطبيعة الثقوب السوداء حسب الكتلة عندما تندمج في أزواج.

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.

في عام 2022، بدأ علماء الفلك في اكتشاف منارات كونية غريبة — العابرات الراديوية طويلة الدورة. على عكس النجوم النابضة السريعة، التي اكتشفتها جوسلين بيل بورنيل في عام 1967، كانت هذه الأجسام تنفجر بدورات تصل إلى عشرات الدقائق والساعات.

متزلجان فنيان يدوران على الجليد. أحدهما خفيف وحذر، لا يكاد يدور. والآخر ضخم وسريع، يدور بكل قوته، بل وفي اتجاهات مختلفة. هذا تقريبًا هو المشهد الذي رسمته الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء. حلل العلماء بيانات الكتالوج الرابع لمرصدي LIGO–Virgo–KAGRA ووجدوا أن سرعة دوران الثقوب السوداء في الزوج تعتمد بشدة على كتلتها.

قمة الغزال تدور بسرعة هائلة وبدلاً من الطنين المنتظم تصدر أزيزًا هادئًا — لأنها مشوهة قليلاً. هكذا تعمل النجوم النيوترونية تقريبًا: كرات بحجم مدينة، مضغوطة إلى كثافة تجعل ملعقة صغيرة من مادتها تزن مثل جبل. إذا لم يكن هذا النجم كرة مثالية، بل لديه "نتوء" صغير على جانبه، فإنه يصدر موجات جاذبية مستمرة — تموجات في الفضاء نفسه تنتشر عبر الكون. من الصعب جدًا التقاط هذه التموجات.

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.

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.

أوركسترا من ملايين الآلات تعزف نغمة واحدة، لكن كل آلة تدخل في لحظتها الخاصة وبشدتها الخاصة. هكذا تبدو الخلفية العشوائية للموجات الثقالية (stochastic gravitational-wave background) — طنين ناتج عن اندماجات الثقوب السوداء التي لا يمكن تمييزها بشكل فردي. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن أزواج الثقوب السوداء تدور في مدارات شبه دائرية تمامًا. لكن المدارات يمكن أن تكون أيضًا إهليلجية شديدة التفلطح.

كرتان ثقيلتان تدوران على سطح بركة. تنبعث منهما دوائر متوسعة — هذه هي الموجات الثقالية. عندما تقترب الكرتان من بعضهما، تحمل الموجات الطاقة بعيدًا، وتصبح الدوائر أكثر تكرارًا. يلتقط علماء الفلك مثل هذه التموجات من أزواج الثقوب السوداء الهائلة — التي تبلغ كتلتها مليارات المرات كتلة الشمس وتقع في مراكز المجرات البعيدة.

تتأرجح الأرجوحة بقوة أكبر إذا دُفعت في اللحظة المناسبة. آلية مشابهة تعمل عندما يدور نجم ميت حول ثقب أسود ضخم محاط بسحابة من جسيمات فائقة الخفة. هذه الجسيمات مرشحة لتكون المادة المظلمة (المادة غير المرئية التي تمنع المجرات من التمزق). أظهر العمل الجديد: إذا لم يكن مدار النجم دائرة مثالية بل بيضاويًا قليلًا، تنشأ سلسلة من الرنينات بالقرب من الثقب الأسود.

عندما تقترب الثقوب السوداء وتبتعد عن بعضها – دون اندماج، بل بمجرد احتكاك حقول الجاذبية – تصبح مقذوفات مثالية لاختبار قوانين الجاذبية. في الحقول الشديدة، حيث يصل تمدد الزمن إلى قيم هائلة، أي شرخ صغير في النظرية سيلمع كوهج مبهر.

زوج من المتزلجين الفنيين يدوران ممسكين بأيدي بعضهما. إذا كان المسار دائرة مثالية، تكون كل دفعة من الشريك متوقعة. لكن بمجرد أن يتمطط إلى شكل بيضاوي، تصبح الجهود غير متساوية: عند الاقتراب تكون دفعة قوية، وعند الابتعاد هدوء. هكذا تقريبًا يتصرف ثقبان أسودان في الدقائق الأخيرة قبل الاندماج.

ثقبان أسودان الثقب الأسود يدوران حول بعضهما ليس في رقصة دائرية هادئة، بل مثل حجرين أُلقي بهما من ضفتين مختلفتين في دوّامة عميقة. مدارهما يشبه شكلاً بيضاوياً شديد التفلطح — الانحراف المداري يقترب من الواحد. وعندما يصطدمان أخيراً، يولَّد تدفق قوي من الموجات الثقالية — وهي ارتجاجات في نسيج الفضاء نفسه.

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.

لسنوات طويلة، ساد اعتقاد في الفيزياء الفلكية بأن النفاثات العملاقة من الانبعاثات الراديوية — التي تنطلق من المناطق المركزية — هي حكر على المجرات الإهليلجية المجرة فقط. كان يُعتقد أن بيئتها الهادئة، الخالية من البنية الداخلية الواضحة، هي الوحيدة القادرة على تشكيل مثل هذه النوافير الهائلة من الطاقة، التي تغذيها الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

تخيل ضجيج ساحة مزدحمة - هكذا تبدو الخلفية الثقالية للكون، التي تلتقطها شبكة من النجوم النابضة - نجوم نيوترونية تصدر نبضات راديوية منتظمة بدقة الساعات الذرية. في هذا الضجيج الكوني تختبئ "بصمات" أزواج فردية من الثقوب السوداء التي تدور حول بعضها البعض.

الكسوف في النجوم الثنائية يعمل كالساعة: القزم الأبيض (وهو بقايا نجم كثيفة) يمر بانتظام أمام جاره، فيخفت ضوءه لفترة قصيرة. لكن في معظم هذه الأزواج، تقدم الساعة أو تتأخر بضع ثوانٍ على مدى سنوات. وقد قاس الفلكيون هذه الاضطرابات في 43 نظامًا ووجدوا نمطًا. إذا كان النجم المرافق مختلطًا تمامًا من الداخل، مثل قدر يغلي، تكون الاضطرابات ضعيفة.

يُعرف النظام الثنائي الثقب الأسود SS433 بأن ثقبًا أسود فيه يسلخ المادة عن نجم مجاور. جزء من الغاز يسقط في الثقب، وجزء يُقذف في نفاثين ضيقين يدوران مثل قمة الغزل. تُرى هذه النفاثات في نطاق الراديو والأشعة السينية. مؤخرًا، رصدت تلسكوبات H.E.S.S. وHAWC وLHAASO إشعاع غاما في مكان غير متوقع: ليس عند المصدر نفسه، بل على بعد مائة سنة ضوئية منه.

غطاء برطمان المربى الذي يصدر فرقعة هو بطل هذه القصة. تضغط عليه، فيقفز من الوضع المحدب إلى الوضع المقعر بفرقعة عالية. تمامًا هكذا تتصرف العارضة ذات المفصل داخل كل خلية من الشبكة الميكانيكية الجديدة. جمع العلماء من هذه العوارض المفرقعة شبكة سداسية — مثل قرص العسل، لكن من ألواح مرنة. عندما تُضغط إحدى العوارض فجأة، تنقلب وتدفع جارتها. تلك تنقلب أيضًا، وتجري عبر الشبكة موجة منفردة: انحناءة واحدة لا تنتشر ولا تخمد.

الأزواج الواسعة من النجوم تشبه راقصين يمسكان بأيدي بعضهما لكنهما يقفان في طرفي قاعة مختلفة. رابطهما ضعيف، وأي عابر قد يفرقهما. وجد علماء الفلك 26 زوجًا من هذا النوع واختبروا مدى تماسكها. اتضح أن 12 زوجًا ترقص وفق قوانين نيوتن: يمكن حساب مداراتها كما يُحسب مدار الكواكب حول الشمس. لكن ثلاثة أزواج تتحرك بسرعة كبيرة جدًا. الفرق في السرعات كبير لدرجة أن أي جاذبية عادية لن تمسك بها.

الثقب الأسود الدوّار هو دوامة كونية تبتلع كل ما حولها. بعض هذه الثقوب لها خيوط غير مرئية تمتد من أفق الحدث مثل أسلاك العجلة. ظل العلماء يتجادلون طويلاً حول ماهية هذه الخيوط وما إذا كان يمكن رؤيتها. في دراسة جديدة، أظهر الفيزيائيون أن هذه الخيوط ليست مجرد افتراض رياضي. إذ تتدفق عليها تيارات من الحقول الكهربائية والمغناطيسية، وبشكل غير متساوٍ.

على بُعد حوالي 25,000 سنة ضوئية من الأرض، في كوكبة الرامي (القوس)، تلتف حول النجم النيوتروني GX 13+1 ستارة كثيفة. إنها تشتت فوتونات الأشعة السينية كما يشتت الضباب ضوء مصباح الشارع، وظلت لفترة طويلة تخفي عن علماء الفلك القوة الحقيقية للمصدر.

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.