فجوة

في مركز المجرات القزمة فائقة الكثافة (وهي أنظمة نجمية كثيفة جدًا يبلغ حجمها عشرات السنوات الضوئية) تعمل مكنسة كهربائية. لكن بدلًا من الغبار، تمتص الغاز الذي تُطلقه النجوم المحتضرة. هذا الغاز لا يتطاير في كل اتجاه، بل يلتف في قمع: قرص دوّار يستقر تدريجيًا على الثقب الأسود.

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.

تشبه المجرة مدينة: في المركز أضواء ساطعة وبناء كثيف، وفي الأطراف أضواء متناثرة وفراغ. لكن إذا تتبعت دوران الغاز في القرص المجري، ستجد أن السرعة عند الأطراف لا تنخفض تقريبًا. وكأن أحياء غير مرئية تواصل دعم الحركة. وجد علماء الفلك طريقة لرسم هذه المدينة غير المرئية على الخريطة.

ولادة القمر هي كارثة كونية. يصطدم كوكبان شابان، وتلتف سحابة من الحطام المتوهج حول العالم الناجي. من هذا القرص، كما لو كان من الطين على عجلة الخزاف، يتشكل قمر بمرور الوقت. هكذا، على الأرجح، وُلد قمرنا. لكن ماذا لو كانت عجلة الخزاف تهتز وتنتفض بسبب النجم نفسه؟ لقد درس علماء الفلك هذا السيناريو تحديدًا.

حول نجمٍ بدأ للتو في الاشتعال، يدور دوام من الغبار والغاز. هذا الدوام — القرص الكوكبي الأولي (protoplanetary disk) — ينمو بامتصاص المادة من السحابة المحيطة. ولكن كيف تسقط هذه المادة بالضبط: هل تتدفق بالتساوي على طول "الحواف" أم تندفع في تيارات كثيفة منفصلة؟ درس علماء الفيزياء الفلكية تسعة أنظمة نجمية باستخدام محاكاة ثلاثية الأبعاد على حاسوب فائق.

حافة الكشاف. بمجرد إزالة الضوء المبهر للنجم المركزي، يظهر مسرح الظل. كورونوغراف جيمس ويب، مثل ستارة كثيفة، حجب نجم تي دبليو هايدري – وعلى مسرح طوله 120 وحدة فلكية (أربعة أضعاف المسافة إلى نبتون) لعب قرصه التنامي دوره.

الثقب الأسود هو مكان لا يمكن لأي شيء أن يهرب منه. لكن بعض النظريات تسمح بأنه في الأعماق، على المستوى الكمومي، قد يرتد ويتحول إلى نقيضه — ثقب أبيض، لا يفعل سوى قذف المادة والضوء. قامت مجموعة من الفيزيائيين ببناء نموذج حاسوبي لمثل هذا التحول. أخذوا ثقباً أسود دوّاراً وتتبعوا مسارات أشعة الضوء من القرص الساخن حوله — أولاً عندما يكون الثقب لا يزال أسود، ثم عندما أصبح أبيض.

يتحول الماء إلى جليد عند صفر درجة مئوية — فجأة، دون حالات وسيطة. شيء مشابه يحدث للتعقيد عندما نأخذ حالة كمومية عشوائية لنظام كامل وننظر إلى جزء منه فقط. فما دام هذا الجزء يشغل أقل من نصف النظام، ينمو تعقيده بسلاسة. ولكن بمجرد أن تتجاوز النسبة 50%، تحدث قفزة.

حول بعض النجوم الشابة، حيث انتهى مؤخرًا تكوّن النجوم، تدور حلقات غبار ليست مجرد حلقات غبارية، بل هي ساحات حقيقية لمعارك كوكبية — أقراص حطام متطرفة. على عكس أقراص الكواكب الأولية الهادئة، تحتفظ هذه المكبات الكونية في وهجها تحت الأحمر بأدلة على كوارث قادرة على تبخير كواكب بأكملها.

عندما ينمو كوكب عملاق، فإنه يسحب الغاز إليه. جزء من هذا الغاز يدور حوله مكونًا قرصًا صغيرًا يُعرف بالقرص المحيط بالكوكب. يُعتقد أن الأقمار تنشأ في مثل هذه الأقراص. بالنسبة للكوكب PDS 70 c، الذي يبعد 370 سنة ضوئية عنا، شوهد هذا القرص مباشرة باستخدام مصفوفة الهوائيات ALMA في نطاق المليمتر.

مثل ساعة دقيقة، يستجيب النظام الكوكبي المتعدد بحساسية لأي دفعة صغيرة. وعندما يموت النجم في مركز هذه المنظومة، طارحًا غلافه ويتحول إلى قزم أبيض، فإن دفعةً متواضعةً بسرعة 0.75 كم/ثانية يمكنها أن تطلق سلسلةً من الأحداث، قاذفةً عوالمَ بأكملها إلى الفراغ بين النجوم.

حول النجم الفتي CI Tau، الذي يبلغ عمره مليونَي عام، يدور قرص من الغاز والغبار — مهد كوكبي أولي. أظهرت أرصاد ALMA بالفعل حلقات وفجوات فيه، لكن أدق التفاصيل ظلت غير مرئية: عرضها أقل من قدرة الجهاز على التمييز. ابتكر علماء الفيزياء الفلكية طريقة للنظر خلف هذا الحد. القرص مائل بالنسبة لشعاع الرؤية، وهذا يحوله إلى آلة موسيقية من نوع خاص.

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.

الكوكب WASP-121 b ليس مجرد كرة حارة. إنه عالم تتبخر فيه الحديد وتتوهج سماؤه بحرارته الذاتية. نظرة جديدة إليه ساعدتنا على فهم "المكونات" التي تشكل منها.

كانت الأرض الفتية كرة ملتهبة من الصخور السائلة، بينما كانت ثيا التي اصطدمت بها قد بردت وتحجرت. كمثل إلقاء قطعة من الزبدة الباردة في قدر الحساء: يتناثر الحساء، بينما الزبدة بالكاد تتحرك. هكذا اندفعت باطن الأرض إلى الفضاء، مكوّنة سحابة من الغبار الكوني والحطام. ومع الوقت، تشكّل القمر من هذه السحابة.

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.

على بُعد 460 سنة ضوئية منا، يدور حول النجم HD 135344B قرص كثيف من الغاز والغبار. إنه يشبه أسطوانة جرامافون عملاقة كسرها أحدهم: فالقرص تشقه فجوة، وعبرها يمتد خيط غباري كجسر رفيع. وبجوار هذا الخيط، في الضوء المبعثر، يظهر التفاف — انحناء في الذراع الحلزوني، وكأنه حُبس للحظة ثم أُطلق.

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.

حساء كثيف يبرد ببطء في قدر. فجأة، تشتعل النار تحته، فيبدأ الحساء بالغليان ويتكسر إلى العديد من الدوامات الصغيرة. هذا تقريبًا ما يفعله قرص الغاز والغبار حول نجم فتّي عندما يشهد توهجًا — تدفقًا مفاجئًا للمادة من القرص إلى النجم. لاحظ علماء الفلك منذ زمن طويل مثل هذه التوهجات لدى النجوم الفتية، لكنهم حتى الآن لم يتمكنوا من تتبع ما يحدث للغبار في القرص أثناء هذه الأحداث بالتفصيل.

عندما يلتقط التلسكوب ضوء قزم أبيض بعيد، يصطاد المطياف أحيانًا عناصر ثقيلة - كالسيوم، حديد، مغنيسيوم. هذه الفلزات لا يمكنها البقاء في الغلاف الجوي الرقيق لبقايا النجم؛ إنها أثر لحطام كوكبي سقط حديثًا. التحليل الطيفي للأقزام البيضاء الملوثة يرسم مقابر لأنظمة كواكب خارجية نجت من موت شمسها.

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.

العديد من الثقوب السوداء محاطة بمجالات مغناطيسية. تدور الثقب فتسحب معها الزمكان المنحني، تمامًا كحدافة الآلة، وتشغّل المصنع الكوني. وعندما يميل المجال المغناطيسي بالنسبة لمحور الدوران، يصبح حزام إنتاج المصنع فعالاً بشكل خاص – وينشأ مجال كهربائي بقوة هائلة.

في حديقة المدينة، تنمو الأشجار أسرع منها في الغابة الكثيفة. ليس لأن التربة أفضل، بل لأنها هنا تتصادم أغصانها وتتبادل البذور في كثير من الأحيان. تقريبًا هكذا تتصرف المجرات في العنقود البدائي «العنكبوت» — كتلة هائلة من المادة ستتحول بعد مليارات السنين إلى عنقود ناضج.

لغز المادة المظلمة، الذي رُصد لأول مرة في الدوامات النجمية بفضل فيرا روبين، يؤرق الفيزياء منذ قرابة قرن. إحدى أكثر الفرضيات جرأة هي الثقوب السوداء الأولية، التي وُلدت في المرق الحارق للكون المبكر. يُعزى ظهورها عادة إلى التقلبات الكمومية أثناء التضخم، والتي تتطلب ضبطًا دقيقًا للبارامترات.

قرص دوار هائل من الغاز والغبار يحيط بنجم شاب. في هذا "المهد" لتكوين الكواكب كثيرًا ما تُرى حلقات وفجوات — وكأن محراثًا خفيًا شق أخاديد. عادةً ما تُعزى هذه الظواهر إلى كواكب تشكلت بالفعل، والتي تنظف المسارات بجاذبيتها. لكن حول النجم V1094 العقرب رأى الفلكيون شيئًا غير عادي: أربعة أزواج من الحلقات تمتد حتى 380 وحدة فلكية.

تشبه الكوندريولات قطرات مطر متجمدة من الصخر. حجمها بحجم حبة رمل، لكنها تحفظ تاريخ أول ملايين السنين من عمر النظام الشمسي. ذات يوم، كانت هذه القطرات تسبح في غاز حار حول الشمس الفتية، ثم التحمت لتكوّن كويكبات وسقطت على الأرض ضمن نيازك. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا للقرص الذي وُلدت فيه الكواكب. تتبعوا رحلة الأكسجين عبر القرص مع المادة المتساقطة من السحابة.

النجم الفتي محاط بقرص مسطح دوّار من الغاز والغبار — مثل عجينة البيتزا التي تُلفّ وتُدوَّر. داخل هذا القرص تولد الكواكب. لكن حول ثلاثة نجوم — Elias 2-24 وIM Lup وDM Tau — لاحظ علماء الفلك أمرًا غريبًا: بعيدًا خلف حافة القرص الساطع تمتد هالة غبارية بالكاد تُرى لكنها ضخمة، وكأنها دقيق متناثر حول لوح التقطيع.

في ملعب الأطفال، للتو تم تدوير الأرجوحة الدوارة. في اللحظات الأولى، ما يزال الأطفال يتزاحمون ويتشبثون بالقضبان، والمشهد العام فوضى. لكن تمر ثانيتان، فتقوم القوة الطاردة المركزية بترتيبهم في دائرة، مانحةً الحركة شكلًا واضحًا.

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.

في قرص من الغاز والغبار حول نجم فتي، تتصرف جزيئات الغبار مثل حبيبات الرمل في تيار الماء: يتدفق الغاز أسرع، ويتخلف الغبار، وينشأ بينهما احتكاك. هذا الاحتكاك يمكن أن يهز الموجات المغناطيسية التي تجري عبر القرص. المجرة مليئة بمثل هذه الأقراص — ففيها تولد الكواكب.

نجمان يدوران حول مركز مشترك، يبتلعان الغاز من السحابة المحيطة. حول كل نجم وحول الزوج بأكمله تتشكل أقراص دوارة من الغاز. ومن هذه الأقراص، كما لو كانت خراطيم، تنطلق نفاثات. داخل الأقراص، يختلط الغاز باستمرار — هكذا يعمل عدم الاستقرار المغناطيسي (magnetorotational instability).

في التلسكوب تظهر مجرة تشبه دولاب هواء ضخمًا متوهجًا. يمتد قرصها لمسافة ثلاثين ألف سنة ضوئية — ثلث قطر مجرتنا درب التبانة. لكن الأكثر إثارة للدهشة: هذا الدولاب كان موجودًا بالفعل بعد ملياري سنة فقط من ولادة الكون. كان يُعتقد أن مثل هذه الأنظمة النجمية الكبيرة والمنظمة تحتاج وقتًا أطول بكثير لتتجمع.

حول النجوم الفتية تدور أقراص من الغاز والغبار — وهي المادة الخام لكواكب المستقبل. داخل هذه الأقراص، لا تطير حبيبات الغبار عشوائيًا: بل تصطف على طول خطوط غير مرئية يتدفق عبرها الغاز. مؤخرًا، لاحظ علماء الفلك أن الحبيبات في هذه الأقراص تتصرف مثل كرات الريشة في لعبة الريشة الطائرة — فهي دائمًا تدور بحيث يكون جانبها الطويل في اتجاه الريح.

حول النجوم الحمراء الخافتة تدور كواكب صخرية. بعضها عام أقصر من يوم أرضي — تُسمى هذه العوالم كواكب خارجية فائقة القصر. سطحها محمّى وسماءها دائمًا مغمورة بضوء قرمزي. كيف وصلت إلى هذا القرب من النجم؟ دراسة جديدة تختبر فكرة بسيطة: كل شيء يحدده حافة القرص الغباري الغازي الذي تولد منه الكواكب. هذا القرص يشبه دوامة من الغاز والغبار حول نجم فتي.

في الأطراف الباردة للنظام الشمسي، يُعتبر الماء مادة البناء الرئيسية للجليد. لكن في بعض المذنبات والأجسام الجليدية البعيدة، تكون نسبة أول أكسيد الكربون (CO) إلى الماء مرتفعة بشكل غير عادي — وكأن الآيس كريم فجأة يحتوي على الكثير من الشراب. من أين يأتي هذا الاختلال؟ حاول مؤلفو العمل الجديد معرفة ذلك.

إذا كان في مركز مجرة ثقب أسود فائق الكتلة، فإنه يسخن الغاز المتساقط عليه إلى درجات حرارة هائلة. هذا الغاز يتوهج، ونراه ككوازار — وهو ألمع منارة في الكون. ولكن كيف يمكن قياس حجم مصدر الضوء نفسه؟ يستخدم العلماء حيلة ذكية: يتتبعون مدى سرعة تغير السطوع عند ألوان مختلفة.

في كوكبة تولد فيها نجوم جديدة، تتصرف إحداها مثل مصباح تالف: تارة تضيء بثبات، وتارة تخفت فجأة عدة مرات. يتابع علماء الفلك النجمة Gaia-GIC-1 منذ عدة سنوات ويدركون الآن أن وميضها هو ظل سحابة غبار ضخمة تمر أمامها بين الحين والآخر. الغبار ليس مجرد حطام فضائي، بل شظايا حديثة: يبدو أن كوكبين اصطدما هناك مؤخرًا.

تلتصق حبيبات الغبار في القرص حول النجم الفتي ببعضها البعض، وتنمو، وستصبح يومًا ما كواكب. لكن لفهم كمية المواد المتاحة لتشكل الكواكب في كل قرص، يجب قياس كتلته وحجمه. لا يمكن وزن سحابة بعيدة مباشرة — لذا نعتمد على الإشعاع الصادر عن الغبار. درّب علماء الفلك شبكة عصبية على آلاف نماذج الأقراص المحسوبة بواسطة كود حاسوبي مفصل. تعلمت الشبكة إخراج معلمات القرص بسرعة من صورته وطيفه.

كان النظام الشمسي الفتي يشبه موقع بناء ضخمًا: حول الشمس الوليدة كان يدور قرص من الغاز والغبار، ومن هذا الغبار تجمعت تدريجيًا حجارة وصخور ثم أجنة الكواكب — الكواكب المصغرة. واليوم تسقط شظاياها على الأرض في هيئة نيازك. وتنقسم النيازك من حيث التركيب إلى عائلتين كبيرتين: فقد تشكلت قديمًا على جانبي حاجز غير مرئي في القرص — ربما بالقرب من مدار المشتري المستقبلي.

الجسم الجليدي أروكوث يشبه رجل الثلج: كرتان ملتصقتان ببعضهما. هناك العديد من هذه الأجسام ذات الرأسين خلف مدار نبتون، في حزام كايبر. لفترة طويلة، كان يُعتقد أنها تنشأ من تصادم بطيء بين جسمين منفصلين. النمذجة الجديدة تُظهر مسارًا مختلفًا. سحابة من الحصى الصغيرة حول الشمس الفتية تنضغط بفعل جاذبيتها الذاتية. لا تتكتل الحصى في كرة واحدة، بل في كتلتين متجاورتين تلتحمان معًا بلطف.