لامركزية الموجات الثقالية

مستقبل راديو مضبوط على محطة واحدة يبدأ فجأة في التقاط محطة أخرى لأن شخصًا غير مرئي يدير مقبض الضبط. هذا تقريبًا ما يفعله الطيف الراديوي للنجم النابض الملي ثانية PSR J2144−5237: التردد الذي يضعف عنده إشعاعه فجأة ينزاح بسلاسة من 0.8 إلى 3 جيجاهرتز بينما يدور النجم حول مرافقه.

مترجم فوري في قاعة يتحدث فيها شخصان: عليه أن يواكب المعنى والنبرة معًا، لكن إذا كان الكلام سريعًا جدًا، لا يبقى سوى إعادة صياغة. هكذا يشعر العلماء تقريبًا عندما يتزايد تدفق الموجات الثقالية من اندماجات الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، بينما لا تواكب الحسابات الدقيقة للإشارات.

النجم النيوتروني هو بقايا مضغوطة لنجم ضخم بعد انفجار مستعر أعظم. المادة فيه مضغوطة إلى الكثافة النووية: ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن مثل جبل. في هذه الظروف القصوى، تكون البروتونات والنيوترونات متراصة، وتحت ضغط هائل قد تولد هيبرونات — وهي باريونات تحتوي على كوارك غريب.

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.

كل 165 يومًا، يغوص كوكب عملاق نحو نجمه، ليكاد يلامس هالته النارية، ثم يندفع بعيدًا في الفراغ الجليدي. هذا هو TIC 241249530 b — كوكب خارجي بانحراف مداري قياسي 0,94. اكتُشف بفضل فوتومتري تلسكوب TESS ودُقِّق باستخدام التحليل الطيفي، فأظهر انخفاضًا طفيفًا في السطوع أثناء العبور، لكنه كشف عن سعة هائلة في السرعة الشعاعية للنجم.

رصدت كاشفات الموجات الثقالية دفقة غريبة — الإشارة GW241011. اندمج ثقبان أسودان، لكن الثنائي بدا غير معتاد: كان أحد الثقبين أخف بثلاث مرات تقريبًا من الآخر، وفي الوقت نفسه كان النظام بأكمله يدور بسرعة. هذا المزيج — ضيف نادر في الفهارس.

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.

ثقبان أسودان يقتربان قبل الاصطدام يشبهان متزلجين فنيين في دوران ثنائي: كل منهما يدور حول محوره، ومعًا يلفّان رقصة مشتركة. هذا البرغي المشترك — ما يسمى باللف الفعال — يمكن لعلماء الفلك قياسه من الموجات الثقالية التي تنتشر من الزوج مثل تموجات على سطح الماء. في الدراسة الجديدة، حلل العلماء الكتالوج الأخير لمثل هذه الأحداث، الذي جمعته كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA.

في قلب كثيف لتجمع نجمي، تلتقي ثلاثة ثقوب سوداء في رقصة خطرة. الحركة فوضوية — تتداخل المسارات وكأنها خيوط متشابكة. ثم يندفع أحد الثقوب بعيدًا، بينما يبقى الثقبان الآخران في مدار شديد الاستطالة. يستمر هذا الزوج في الاقتراب تدريجيًا حتى يندمج في النهاية، مولّدًا دفقة من الموجات الثقالية.

تلتقط الكواشف «التموجات» الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية - وكأنها صدى المطبخ حيث أُعد الطبق الكوني. يحاول علماء الفلك استعادة الوصفة: كيف تحول نجمان ضخمان إلى زوج غريب واصطدما.

كرتان ثقيلتان تدوران ليس في دائرة منتظمة، بل في شكل بيضاوي مفلطح بشدة، تقتربان تارة وتبتعدان تارة أخرى. هذا تقريبًا سلوك أزواج الثقوب السوداء ذات المدارات البيضاوية. على عكس الأزواج الهادئة التي تقترب تدريجيًا وتندمج، يحتفظ هؤلاء الراقصون بذاكرة ماضيهم العاصف: كيف قُذفوا من التجمعات النجمية أو أجبرهم جيران قريبون على الدوران.

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.

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.

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.

النجم النيوتروني هو نواة نجم ضخم سابق، انضغطت إلى حجم مدينة. في قلبه، تُضغط المادة بكثافة شديدة لدرجة أن الذرات تتوقف عن الوجود، وتذوب البروتونات والنيوترونات في بحر من الكواركات.

متزلج فني يدور على الجليد، يمدّ ذراعيه. إذا كان مساره دائرة شبه مثالية، فإن وصف حركته يكون سهلاً. لكن عندما ينطلق في مسار بيضاوي شديد التفلطح، فإنه يكاد يتجمد عند الطرف البعيد، بينما ينطلق بسرعة هائلة عند الطرف القريب. هذا تقريبًا ما يحدث لنجمين في مدارٍ شديد الاستطالة. يصدران موجات ثقالية — ارتجاجًا في نسيج الزمكان نفسه، يمكن التقاطه بكاشفات حساسة.

جلب الحصاد الجديد لموجات الجاذبية لغزًا. رصدت كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA عشرات الإشارات من اندماج ثقوب سوداء، وعلى الرسم البياني لكتلها تظهر فجوة واضحة: لا توجد تقريبًا أجسام أثقل من 45 كتلة شمسية، وما يوجد منها يدور بسرعة مريبة. يقول البعض إن النجوم العملاقة تنفجر بشكل «نظيف» للغاية، فلا تترك خلفها شيئًا.

بعض العمالقة الحمراء — وهي نجوم قديمة ضخمة — تغيّر سطوعها ببطء شديد: قد تستغرق الدورة الواحدة أكثر من عام. لم يتمكن علماء الفلك لفترة طويلة من فهم السبب. إحدى الفرضيات: وجود رفيق غير مرئي يدور قريبًا ويحجب جزءًا من الضوء بشكل دوري. فرضية أخرى: النجم نفسه ينبض مثل القلب، لكن ببطء شديد — حيث تنقبض طبقاته الخارجية وتتمدد. العملاق الأحمر أكبر بمئات المرات من الشمس.

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).

ظل تلسكوب «كيبلر» يراقب آلاف النجوم لسنوات، ويعثر على الكواكب من خلال الانخفاضات الصغيرة في ضوئها عندما يمر الكوكب أمام نجمه. هذا المرور، أو طريقة العبور، يسمح بقياس حجم الكوكب، لكنه لا يكشف شكل مساره. ومع ذلك، إذا كان الكوكب يتحرك في مدار مستطيل، فإنه يتسارع تارة ويتباطأ تارة أخرى — فيتغير الزمن بين انخفاضات الضوء قليلًا.

النجم الشبيه بالشمس لا يضيء فحسب، بل يطن بهدوء. في داخله تغلي البلازما، وهذه الحركات تجعل السطح يرتفع وينخفض بشكل إيقاعي. يكاد يكون من المستحيل التقاط هذا الاهتزاز من الأرض: فهو يغرق في ضوضاء الغلاف الجوي والجهاز نفسه. لذلك يستمع علماء الفلك إلى النجوم من الفضاء، حيث يكون الجو أكثر هدوءًا. لفهم ما إذا كان النجم مسموعًا، يحسبون قوة "صوته" على خلفية التشويش.

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.

كل اندماج لـ ثقوب سوداء يولّد موجات الجاذبية — تموجات في نسيج الكون — تنبأ بها أينشتاين وسُجلت لأول مرة بمساهمة رئيسية من كيب ثورن. كدقات جرس عملاق، تحمل هذه الموجات معلومات عن الكتلة: معظم التصادمات تتجمع حول ثلاث قيم — 10 و18 و33 كتلة شمسية.

عندما تقترب نجمان في رقصة كونية، يصاحب حركتهما تمايل إضافي — وهو نتيجة انحناء الزمكان (تأثير تنبأ به Albert Einstein في النسبية العامة). الكوكب الذي يدور حول هذا الثنائي يتعرض أيضًا لهذا التمايل.