النجوم الأولى

على بعد 40 سنة ضوئية منا، يعيش نجم لم يُلاحظ لفترة طويلة: يبعث TRAPPIST-1 في الفضاء ضوءًا أقل بألفي مرة من ضوء الشمس. لكنه يمتلك سبعة كواكب بحجم الأرض، وثلاثة منها تدور في المنطقة التي يمكن أن يظل فيها الماء سائلًا. لكن عن النجم نفسه، وعن تركيبته الكيميائية، لم نكن نعرف سوى القليل.

ثلاث خزائن مليئة بالحجارة. في الأولى: حبيبات معدنية ومعدن رمادي اسمه إنستاتيت. في الثانية: نفس الحبيبات لكن مع عروق صدأ. في الثالثة: طينات طبقية منتفخة بالماء. المجموعات الثلاث كلها أُخذت من نيازك سقطت على الأرض، وهي كوندريتات. وُلدت جميعها في قرص غباري واحد حول الشمس الفتية، لكنها خرجت مختلفة بشكل غريب. في السابق كان يُعتقد أن القرص يحتوي مناطق بكميات متفاوتة من الأكسجين.

المترجم ينشغل بكل حفيف في القاعة — فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. النجم النيوتروني يضغط كتلة الشمس في كرة قطرها بحجم مدينة، والمادة في نواته أكثر كثافة من النواة الذرية. كيف تُنظَّم هذه المادة، لا يستطيع الفيزيائيون اختباره في المختبر: الضغط المطلوب لا يمكن توليده. معادلة الحالة — العلاقة بين الضغط وكثافة الطاقة — تظل اللغز الأكبر.

قمتان تدوران قريبتين جدًا حتى تكادان تلامسان بعضهما. إحداهما زرقاء محمّاة، والأخرى بيضاء خافتة. معًا يكملان دورة كاملة خلال عشرين ساعة. هذا هو زوج فيغه 64: نجم أزرق كتلته ثلث كتلة الشمس فقط، وقزم أبيض — نواة باردة لنجم سابق — أثقل من شمسنا بمقدار مرة ونصف. النجم الأزرق يبدو حارًا جدًا بالنسبة لكتلته. درجة حرارته خمسة عشر ألفًا وخمسمائة درجة، مثل أسخن خيط في مصباح.

يدور نجمان حول مركز كتلة مشترك، مثل راقصين يقتربان تارة ويتباعدان تارة أخرى. مع مرور الوقت، ينتفخ أحدهما، وتنتقل طبقاته الخارجية - الغلاف الغازي المخلخل - إلى جاره. النجم الذي يستقبل المادة الغريبة لا يمكن تمييزه ظاهريًا عن النجم المنفرد: لا من حيث لمعانه ولا كتلته يمكن التعرف مباشرة على طبيعته الثنائية. ومع ذلك، فإن سطحه يحتفظ بذاكرة الغاز المنقول.

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.

النجم ليس مجرد شمس بعيدة. إنه مهد للكواكب، يحفظ في ضوئه قصة ولادة النظام بأكمله. التركيب الكيميائي للنجم هو حمضه النووي (DNA). يتأمل علماء الفلك في هذا الحمض النووي لفهم سبب دوران كرات صخرية مثل الأرض حول بعض النجوم، بينما تدور عمالقة غازية حول أخرى. في دراسة جديدة، أخذ العلماء عينة ضخمة — أكثر من 28 ألف نجم — راقبتها تلسكوبات «كيبلر» وLAMOST وGaia.

تشبه النجوم الأكثر ضخامة بالونات منفوخة بإفراط: فغلافها لم يعد يتمدد، بل بدلاً من ذلك يبدأ في إطلاق المادة بسرعة. وفي مرحلة معينة، يصبح فقدان الكتلة شديداً لدرجة أن النجم يتوقف عن الازدياد في الحجم. ويرى علماء الفلك هذه اللحظة كانكسار في الرسم البياني حيث تُصنف النجوم حسب سطوعها ودرجة حرارتها. ويُسمى هذا الانكسار حد همفري-ديفيدسون. وطوال عقود ظل هذا الحد مستعصياً على التفسير.

في أعماق الفضاء المظلمة، على سطح حبيبات غبار جليدية متناهية الصغر، يجري بناء هادئ. هناك حيث تنخفض الحرارة إلى ما يقارب الصفر المطلق، وحولها إشعاع قاسٍ، يتحد الحمض الأميني العادي الجلايسين (أبسط لبنة بروتينية) مع نفسه. الناتج هو ثنائي الببتيد — سلسلة قصيرة من حلقتين، تشبه بالفعل البروتين.

تبعد المجرة NGC 4254 عن مركز عنقود العذراء المجري مسافة مليون ونصف سنة ضوئية. تجر خلفها ذيلاً طويلاً من الهيدروجين المبرد — علامة على أنها تصطدم بسرعة عالية بـ الغاز الساخن. فقدان الوقود البارد يخمد ولادة نجوم جديدة.

التجمع النجمي الفتي يشبه أوركسترا قبل الحفل: كل آلة تُضبط بطريقتها الخاصة، والطنين العام يبدو فوضى. لكن إذا أنصتنا جيدًا، يمكننا تمييز النغمات الفردية. هكذا تقريبًا يدرس علماء الفلك النجوم المتغيرة من نوع دلتا الترس (δ Scuti) — يتغير سطوعها بفترات تتراوح بين نصف ساعة وعدة ساعات، وفي هذا النبض تُشفَّر الكتلة والعمر والبنية الداخلية.

في الكون المبكر، بعد بضع مئات من ملايين السنين فقط من الانفجار العظيم، يرصد الفلكيون أجساماً غريبة: نقاطاً حمراء صغيرة. إنها مدمجة وحمراء، وفي أطيافها تصرخ خطوط بالمر العريضة بوجود ثقوب سوداء فائقة الكتلة.

يحتاج الزوج النجمي J05+50 إلى شهرين تقريبًا لإكمال دورة واحدة حول المركز المشترك. من الأرض، يظهر كنقطة خافتة في كوكبة هرقل — على بعد 4625 فرسخًا فلكيًا منا. فوتومتري (photometry) من نجم ثنائي (binary star) يسجل فقط تذبذبًا منتظمًا في السطوع، مثل نبض قلب عملاق.

خمسة عشر عامًا من أرصاد تلسكوب أشعة غاما Fermi كشفت عن صدع في أرضية المجرة. إلى الجنوب من العنقود Westerlund 1 – وهو أضخم تشكل النجوم شاب في درب التبانة – تم اكتشاف توهج ممتد يطابق تجويفًا في الهيدروجين الذري.

في عام 2016، رأى الفلكيون شيئاً لا يصدق: نجم بعيد، سُمي إيكاروس، توهج لعدة أسابيع متجاوزاً هاوية الفضاء. حدث العدسية الجاذبية — التأثير الذي تنبأ به أينشتاين: جسم هائل يحني الزمكان ويركز الضوء، مثل عدسة مكبرة عملاقة. عنقود المجرات MACS J1149 ضخم بريق إيكاروس آلاف المرات.

سديم الجبار هو واجهة الفيزياء الفلكية، ومختبر لدراسة تكوّن النجوم على مقربة منا. لأكثر من قرن، يُحلل ضوؤه إلى أطياف، وكل خط محظور يهمس بنسخته عن عدد الإلكترونات في السنتيمتر المكعب. لكن النسخ لا تتطابق: الكبريت يصر على رقم، والأكسجين على آخر، والنيتروجين يهمس بما لا يُصدق.

في عام 1981، اقترح آلان غوث سيناريو التضخم الكوني — انتفاخ سريع خاطف للفضاء، مدّد التموجات الكمومية إلى مقاييس مجرات كاملة. منذ ذلك الحين، يقوم علماء الكونيات، كعلماء الآثار، بالتنقيب عن هذا الحدث عبر بنى الكون.

في المهد الكوني العملاق — سديم الرتيلاء — تفحّص علماء الفلك 122 نجمًا ضخمًا، كلٌّ منها أثقل من الشمس بـ30 مرة أو أكثر. قاسوا محتوى النيتروجين في أغلفتها الجوية، فكانت الصورة مفاجئة. جميع النجوم التي تزيد كتلتها عن مئة كتلة شمسية تقريبًا أصبحت «أبطالًا في النيتروجين»: مستوى هذا العنصر فيها تجاوز توقعات النماذج القياسية بنسبة تتراوح بين 5 و10 أضعاف.

تخيل مخطوطة قديمة كُتبت فوق نصها القديم قصة جديدة. مع الزمن، تتلاشى الطبقة العليا لتظهر من تحتها سطور الماضي. هكذا تمامًا، وكأنها رقّ قديم، تتكون العناقيد الكروية — أقدم الأنظمة النجمية في الكون. منذ مطلع القرن العشرين، عندما استخدمها إدوين هابل كمنارات لقياس المسافات، ظلت هذه الأجرام مفتاحًا لتطور المجرات.

نموذج النموذج الكوني القياسي ΛCDM، حيث تلعب المادة المظلمة والطاقة المظلمة دور المهندسين الرئيسيين للكون، ظل لعقود يتنبأ بالبيانات الفلكية بدقة الساعات السويسرية. أسس هذا النموذج ثلاثة عباقرة. افترض جورج لومتر توسعاً من 'ذرة' فائقة الكثافة.

قبل ألفي عام، كان في كوكبة النهر منارة ساطعة، سجلها فلكيو العصور القديمة في فهارسهم. هيبارخوس عام 129 قبل الميلاد وصفه كنجم من القدر الأول، وأكد بطليموس لمعانه في 'المجسطي'، والعالم الفارسي الصوفي عام 964 ما زال يراه بين ألمع النجوم. ولكن مع بداية القرن السابع عشر، تحول أكمار، ثيتا إريداني، إلى نقطة عادية لا تُرى إلا في ليلة صافية.

بعد الانفجار العظيم مباشرة، كان الكون صحراء كيميائية — فقط هيدروجين وهيليوم، ولا أثر لـ المعادن. ولكن بعد لحظات (بالمقاييس الكونية)، بدأ ولادة النجوم الأولى — الجمهرة الثالثة.

تخيل غابةً زُرعت في يوم واحد. للوهلة الأولى، تبدو جميع الأشجار متشابهة، لكن حلقاتها تروي قصصًا مختلفة: بعضها نما على تربة نظيفة، والبعض الآخر على رماد حرائق قديمة. أجرى علماء الفلك "قطعًا" مماثلًا للتجمع الكروي M92 — واكتشفوا ذاكرةً كيميائيةً لمستعرات عظمى انفجرت قبل مليارات السنين. التجمع الكروي M92 هو حشدٌ من 330 ألف نجم في كوكبة هرقل، وأحد أقدم التجمعات في مجرتنا.

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.

المجرات العدسية هي «الهادئة» في الكون: لها قرص، لكن بلا أذرع حلزونية لامعة. ظل أصلها لغزًا لفترة طويلة. أطلق فريق من العلماء محاكاة حاسوبية باسم Hydrangea وتتبعوا مصير كل مجرة منذ شبابها حتى يومنا هذا. على مخطط «الكتلة-الحجم»، اصطفت هذه المجرات على شكل حرف V. المجرات S0 الخفيفة والثقيلة تصل إلى شكلها عبر طريقين مختلفين.

تولد النجوم في سحب باردة من الغبار الكوني والهيدروجين. داخل هذه الشرانق، طالما اعتُبرت النجوم الأولية — نوى النجوم المستقبلية — مجرد كتل ساخنة. لكن اتضح أن العديد منها عبارة عن مسرعات قوية: تقذف نفاثات ضيقة من الغاز، والتي عند اصطدامها بالمادة المحيطة، تولد ضوء غاما غير المرئي.

لوقت طويل، صُنف أورانوس ونبتون كـ"عملاقين جليديين"، بافتراض وجود طبقات سميكة من الماء المتجمد والميثان الميثان والأمونيا الأمونيا تحت أغلفتهما الجوية. ومع ذلك، تقدم حسابات جديدة أجراها العلماء صورة مختلفة تمامًا للبنية الداخلية.

المجرة NGC 1277 تشبه كتابًا قديمًا لم يفتحه أحد لمليارات السنين. لقد تشكلت بسرعة، في فجر الكون، ومنذ ذلك الحين لم تتغير تقريبًا — لم تصطدم بجيرانها، ولم تضف طبقات جديدة. يطلق علماء الفلك على مثل هذه الأنظمة اسم «الأثرية»: فهي تحفظ التركيب الكيميائي للنجوم الأولى، كما يحفظ الكهرمان الحشرات في عصور ما قبل التاريخ.

نظر تلسكوب جيمس ويب إلى قرص كوكبي أولي — سحابة من الغاز والغبار حول نجم شاب حيث تولد الكواكب — وتمكن لأول مرة من التمييز طيفيًا جليدًا من الماء الثقيل.

الكون يعزف. ليس بالمعنى المألوف — فسمفونيته مسجلة في تموجات الكثافة الصغيرة التي نشأت منها المجرات ونحن أنفسنا. بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء متجانساً تقريباً، لكن التقلبات الكمومية أثناء التضخم تركت نمطاً بالكاد ملحوظاً — حيث زادت المادة قليلاً هنا، وقلّت هناك.

المجرات الإهليلجية هي مدن نجمية هادئة في مرحلة التقاعد. وفق كل القوانين، ينبغي أن يكون ضوؤها هادئًا مائلاً للحمرة، مثل الغروب. لكن أطيافها تصرخ بعكس ذلك: في الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، تتوهج هذه العجائز كأنها أضواء زينة الأعياد. طوال ثلاثة عقود، حار علماء الفلك في أمر هذا 'الارتفاع فوق البنفسجي' (UV upturn).

في قلب درب التبانة، داخل السحابة G+0.693، التقط علماء الفلك إشارة حلوة — خطوط انبعاث من الإريثروز، وهو سكر بسيط يحتوي على أربع ذرات من الكربون وأربع ذرات من الأكسجين. لاستماع هذا الهمس الجزيئي، حدقت تقنية المطيافية الراديوية فائقة الحساسية عبر مقرابي Yebes و IRAM في أبرد أتون للمجرة لساعات، وهي تجمع الفوتونات.

الكون طاهٍ عبقري، والانفجار العظيم هو وصفته المثالية. ارتفع الهيدروجين كأنه عجين هش، وذاب الهيليوم برقة الزبد، لكن الليثيوم-7 كما لو أنه أُفرط في تمليحه: النظرية تتوقع منه ثلاثة أضعاف ما يجده الفلكيون في أقدم النجوم. هذا الاختلال، 'مشكلة الليثيوم'، أفسد شهية علماء الكونيات لعقود.

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.

في الأوركسترا، يعزف كل موسيقي دوره الخاص، لكن في لحظة معينة تتجمد جميع الآلات على نغمة واحدة. هذا تقريبًا ما تفعله الأشعة الكونية — الجسيمات التي تصل إلينا من نجوم بعيدة.

في قلب سديم النسر، على بُعد حوالي 7000 سنة ضوئية منا، ترتفع ثلاث أعمدة هائلة من الغاز والغبار — أعمدة الخلق. شكلها مألوف لدى الكثيرين من صور تلسكوب هابل. الآن، سمحت كاميرا الأشعة تحت الحمراء الخاصة بويب بالنظر إلى داخل هذه الشُرنقات الكثيفة حيث تولد النجوم.

الجرد الكوني أظهر خللًا. المحاسب يحاول موازنة الدفاتر: في عمود نجد جميع الكواكب التي عدّها الفلكيون في المجرة، وفي العمود الآخر نجد مخزون مواد البناء في الشرانق الغبارية للنجوم حديثة الولادة. الأرقام لا تتطابق. حتى لو جمعنا كل الغبار حتى آخر ذرة وشكلنا منه كواكب، لن تكفي المواد.

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.

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 مركز المجرة المزدحم، يدور نجمان متقاربان لدرجة أن أحدهما يجرّد الآخر من طبقاته الخارجية، مثلما تخلع الريح الملابس الخارجية. يبقى اللب الهيليومي الساخن، أي نجم بلا غلاف هيدروجيني. النجوم الخفيفة والثقيلة جداً من هذا النوع معروفة جيداً لدى علماء الفلك: الأولى تسمى الأقزام شبه الساخنة (hot subdwarfs)، والثانية نجوم وولف-رايت (Wolf-Rayet).