احتراق الهيليوم

هدف الغاز يشبه القمع: كلما كانت جدرانه أكثر انحدارًا، كان التدفق أقوى. فقط في هذا القمع لا يتدفق الماء، بل الضوء فوق البنفسجي، الذي يولد عندما تمر نبضة ليزر قوية عبر سحابة من الأرجون. كفاءة هذا التحويل عادة ما تكون ضئيلة، حوالي 0.001%: من بين ألف فوتون ليزر، يتحول واحد فقط إلى أشعة فوق بنفسجية مفيدة.

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.

في أعماق سحابة جزيئية كثيفة، على الحدود مع منطقة الغاز المتأين، يعمل خط تجميع كيميائي غير مرئي. يأخذ المكونات الأبسط — ذرات منفردة وجزيئات خفيفة — ويجمعها خطوة بخطوة في سلاسل كربون طويلة وحلقات عطرية. الحلقة الأولى من هذا الخط ظلت لفترة طويلة بعيدة عن متناول الأرصاد. والآن تم اكتشافها.

في السحب المظلمة بين النجمية، حيث تولد النجوم الجديدة، تبدأ الكيمياء بجسيم صغير للغاية — أيون ثلاثي الهيدروجين (H₃⁺). هذا الأيون، المكوّن من ثلاثة بروتونات وإلكترونين، يصطدم بذرات أخرى ويطلق سلسلة من التفاعلات التي تبني جزيئات متزايدة التعقيد. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن التفاعل الرئيسي لتكوينه — اصطدام الأيون الجزيئي H₂⁺ بجزيء H₂ — يحدث فقط في الطور الغازي.

في الحقل العميق لـ جيمس ويب، بين آلاف المجرات، تأمل علماء الفلك المصدر JADES-GS 209777 — ورأوا فرخًا كونيًا. 'قشرته' هي غلاف سميك من الغاز والغبار الكوني (cosmic dust) الذي طالما أخفى الثقب الأسود المتنامي في المركز. ولكن على انزياح أحمر (redshift) قدره 3,711 (بعد 1,8 مليار سنة من الانفجار العظيم) تشققت القشرة.

بعد ثلاث دقائق من الانفجار العظيم، عزف الكون سمفونيته الأولى. كان ذلك الانفجار العظيم والتخليق النووي — تكوّن الأنوية الخفيفة، حيث كان كل عنصر يعزف نغمته الخاصة، وكان الإيقاع تحدده سرعة توسع الفضاء. الإيقاع القياسي الذي تنبأت به معادلات فريدمان كان يُبعد البروتونات والنيوترونات عن بعضها، ويمنعها من التكتل بسرعة كبيرة.

إرفين شرودنغر تأمل كيف تحافظ الحياة على النظام رغم القانون الثاني للديناميكا الحرارية. لم يخطر بباله أن جزءًا من الإجابة يكمن في عدم استقرار النجوم العملاقة. أثبتت تجارب شين-شيونغ وو أن التفاعل الضعيف ينتهك التناظر المرآوي.

لطالما بحث علماء الفلك عن 'مصانع' لأكثر الأشعة الكونية طاقة - جسيمات تحمل في طياتها عالما كبيرا مضغوطا إلى حجم نواة الذرة. كانت الشبهات تدور حول مناطق تشكل النجوم الضخمة مثل الدجاجة OB2، حيث تتصادم رياح العمالقة الشباب. لكن الطبيعة، كمحتال، أخفت قلب المسرع في مكان آخر - داخل نظام ثنائي ضيق.

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.

الفضاء السحيق، مركز المجرة. ثقب أسود فائق الكتلة محاط بقرص ملتهب من الغاز والغبار. وفجأة، عبر هذا الحجاب الناري، يمر نجم كل بضع ساعات — كسهم أُطلق من قوس الجاذبية. كل عبور له ينتج توهجاً سينياً مبهراً يخفت لبضع لحظات سطوع نواة المجرة بأكملها.

عندما يصطدم نجمان نيوترونيان — النوى فائقة الكثافة لنجوم ميتة — يولد كيلونوفا: انفجار أكثر سطوعًا بألف مرة من المستعر العادي. إنه مسبك كوني حقيقي. داخل سحابة ملتهبة تندفع بسرعات تقارب سرعة الضوء، يقوم سيل هائل من النيوترونات بتحويل أنوية الذرات إلى ذهب وبلاتين وأوزميوم. لكن المرحلة المتأخرة من هذه الأحداث ظلت لغزًا طويلًا.

في قلب النجم المحترق، تقترب نواتا هيليوم من بعضهما مثل راقصَين على مسرح مزدحم. رقصتهما هي تشتت ألفا، أساس احتراق الهيليوم النجمي. من سلاسة دورانهما يعتمد مدى سرعة حرق النجم لوقوده. في السابق، كانت هذه الرقصة توصف بشكل مبسط. الآن، استخدم الفيزيائيون لأول مرة الوصف الأدق للقوى النووية — وهو تفاعل N3LO من النظرية الكيرالية.

اصطدام نجمين نيوترونيين هو بمثابة معمل كوني تُصاغ فيه أثقل عناصر الجدول الدوري خلال ثوانٍ. في عام 2017، التقطت الكواشف موجات ثقالية من هذا الاندماج، ورصدت التلسكوبات وميضًا — كيلونوفا (kilonova). يتغذى توهجها على اضمحلال الأنوية غير المستقرة التي وُلدت في عملية الالتقاط السريع للنيوترونات (r-process). لكن لهذا المعمل الكوني مساعدين صامتين لم يُنتبه إليهم من قبل.

قدرٌ يغلي على نار قوية: الفقاعات تحمل حبيبات من القاع إلى السطح. آلية مشابهة تعمل على النجم النيوتروني. إذ يتراكم الهيدروجين والهيليوم من النجم المجاور، ويقوم من حين لآخر بانفجار نووي قوي — توهجًا سينيًا.

كوكب بحجم نبتون، لكنه شديد الحرارة لدرجة التوهج الأبيض. تحت الغيوم، يوجد محيط من الصهارة قادر على امتصاص غلاف جوي كامل من الهيدروجين. ولأول مرة، يتتبع نموذج SEAMIST كيف يغير هذا الإذابة مصير الكوكب من ولادته حتى شيخوخته. المفاجأة الكبرى هي آلية الغليان الكارثي.

وتران غيتار مشدودان على نفس الرقبة. إنهما متطابقان تقريبًا، لكن أحدهما أقصر قليلًا — فيصدران صوتين مختلفين. هكذا تقريبًا يبدو الشكلان المتصاوغان (isomers) للإيثانيمين: جزيئان لهما نفس مجموعة الذرات، لكنهما ملتويان في الفضاء بشكل مختلف. رصد علماء الفلك هذا الجزيء في السحب الكثيفة قرب مركز مجرتنا.

في أبريل 2021، في مجرة تبعد 35 ميغا فرسخ فلكي، ظهر المستعر الأعظم SN 2021foa. وقد أثار حيرة الفلكيين على الفور: كان طيفه يتبدل بشكل محموم بين خطوط الهيدروجين و الهيليوم - وكأن النجم في سكرات الموت كان يتخلص باضطراب من طبقاته الخارجية.

في أعماق كاشف مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات، وفي لحظة وجيزة يولد شيء ثقيل. يتحلل فورًا إلى بوزوني هيغز — جسيمين، مثل الدمى الروسية، يخفي كل منهما زوجين من كواركات b. تتناثر أربعة تيارات من الجسيمات في اتجاهات مختلفة، والمهمة هي تمييز أثر حدث واحد وسط مليارات الأحداث المشابهة.

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.

نجمان محترقان بحجم الأرض — لكن كل منهما أثقل من الشمس — يدوران في مدارين متقاربين بشكل متزايد، حتى يصطدم أحدهما بالآخر. يطلق الاصطدام انفجارًا نوويًا حراريًا، ويولد مستعر أعظم من النوع Ia. هذه التوهجات بمثابة منارات كونية لقياس المسافات في الكون. ومع ذلك، لا تزال تفاصيل نشأتها موضع جدل. في الدراسة الجديدة، حسب العلماء كيفية توهج سحابة الغاز بعد مئات الأيام من الاصطدام.

أنوية الذرات مغطاة بأغلفة رقيقة من الإلكترونات — في مثل هذه الأغلفة لا يمكن التحامها. لكن استبدل الغلاف الخفيف بآخر ثقيل: الميون، وهو جسيم من النموذج المعياري، يضغط السحابة الإلكترونية بحوالي 200 مرة.

قدرٌ يغلي فيه عصيدة، وبدلًا من الحبوب توجد طبقات من الأكسجين والسيليكون، والنار تحته على وشك أن تنطفئ، فينهار النجم على نفسه. حتى الآن، كان طهاة الفيزياء الفلكية يستخدمون وصفة مبسطة: يفترضون أن الفقاعات والدوامات في العصيدة تخضع لنفس متوسط درجة الحرارة عبر العمق كله. لكن العصيدة الحقيقية اتضح أنها أكثر نزقًا.

يحمل عالم الآثار في يديه ليس كسرة فخارية، بل نجمًا حقيقيًا — بصمة حية لعصر كانت فيه الشمس تتعلم للتو إنتاج ما هو أثقل من الليثيوم. هذا هو بالضبط ما يصفه علماء الفلك في دراسة جديدة. لقد عثروا على أربعة نجوم خافتة، قديمة ونقية في تركيبها لدرجة أن مادتها لم تكد تتلوث بـ«الغبار الكوني» من الأجيال اللاحقة.

نجوم Be هي نجوم سريعة الدوران ذات قرص غازي ساطع. عادةً ما يقوم نجم مرافق بتدويرها: عندما تتدفق المادة من النجم المجاور، فإنها تُدور النجم مثلما يُدور الحجر في المقلاع. لكن توجد أيضًا نجوم Be منعزلة بلا رفيق — وظل أصلها لغزًا طويلاً. تظهر دراسة جديدة أن الانفجار مستعر أعظم يمكن أن يولد هذه المنعزلات.

قِدرٌ فيه حساءٌ يغلي ثم يبدأ فجأةً بالبرودة بسرعة جنونية — هكذا تقريبًا بدا الكون بعد دقائق قليلة من الانفجار العظيم. كانت الحرارة تنخفض، وبدأت البروتونات والنيوترونات تلتصق معًا لتكوين أولى النوى: نوى الهيدروجين والهيليوم والديوتيريوم والليثيوم. تُسمى هذه العملية التخليق النووي الأولي، ونتائجها بمثابة كتاب طبخ.

في السحب الباردة بين النجوم، تُغطى الحبيبات بالجليد كما تُغطى النوافذ بالصقيع في الشتاء. وعلى هذه القشرة الجليدية تجري تفاعلات كيميائية لا تحدث في الغاز. أحدها هو لقاء ذرة الكربون مع جزيء النيتروجين. في الغاز لا يتفاعلان تقريبًا، أما على الجليد فيتحدان فورًا دون حاجز طاقي.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم منفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. على سطحه أحيانًا يندلع حريق نووي حراري: الغاز المتراكم ينفجر مثل قنبلة هيدروجينية هائلة. بعد الانفجار يبقى رماد — خليط من العناصر الثقيلة التي ترتفع إلى السطح وتشكل غلافًا جويًا حارًا.

النواة الذرية العادية تشبه كرة مشدودة: البروتونات والنيوترونات متراصة معًا بإحكام. لكن في بعض النوى الخفيفة، مثل الهيليوم-6، الأمر مختلف. يبدو أن نيوترونين يبتعدان جانبًا ويشكلان حول النواة سحابة مخلخلة تُسمى الهالة. هذه السحابة فضفاضة لدرجة أن النواة تصبح أكبر بعدة مرات مما ينبغي وفقًا لعدد الجسيمات. لوصف هذه النوى، ابتكر العلماء نهجًا حسابيًا جديدًا.

في أعماق نجم ضخم قبل انفجاره، تتوزع الطبقات فوق بعضها مثل طبقات البصلة. أحيانًا تختلط طبقتان متجاورتان — طبقة الكربون وطبقة الأكسجين. يشبه ذلك اختلاط طبقات المرق والخضار في قدر الحساء إذا حرّكتها بملعقة. هذا الاختلاط يغيّر العناصر الكيميائية التي سيقذفها النجم إلى الفضاء عند الانفجار.

لوحة النيون الكونية أضاءت في مجرة بعيدة جدًا: كل ضوئها يأتي تقريبًا من غاز ملتهب، وتختفي النجوم في هذا الوهج. سجل تلسكوب جيمس ويب أن الغاز - وهو مزيج من الهيدروجين والهيليوم - ساخن جدًا لدرجة أنه يتوهج بذاته.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم منفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. في نواته، تُضغط المادة بكثافة هائلة لدرجة أن ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن مثل وزن جبل. عند هذه الكثافة، كما تتنبأ نظرية التفاعلات القوية، تظهر للجسيمات "توائم" — شركاء التكافؤ. الأمر يشبه أن يظهر فجأة لكل ساكن في المدينة توأم له نفس العادات، لكنه معكوس كصورة المرآة.

في أبريل 2023، رصدت الأقمار الصناعية اليابانية توهجاً فائق القوة بالأشعة السينية على النجم النيوتروني MAXI J1752–457. برد النجم في 4 أيام — أسرع بخمس مرات من المعتاد. كما لو أن أحداً فتح نافذة كونية. هذه النافذة فتحتها 'عملية أوركا' النووية. في محيط من النوى الذرية بسمك مئات الأمتار، تتبادل البروتونات والنيوترونات الإلكترونات مولدّةً النيوترينوات.

في سحابة تولد فيها نجوم ضخمة، توجد نواة كثيفة ساخنة. وكما يحدث في مطبخ مزدحم حيث تتصاعد الروائح من حرارة الموقد، هنا أيضًا تسبب حرارة النجوم الفتية تبخر الجزيئات من سطح حبيبات الغبار الكوني. وجّه علماء الفلك مصفوفة الهوائيات الكبيرة ALMA في صحراء أتاكاما التشيلية نحو مثل هذه النواة — G358.93-0.03 MM1 — ورصدوا لأول مرة إشارة راديوية لحمض النمل.

في السحب المظلمة الباردة حيث تولد النجوم، تُغطى حبيبات الغبار بقشرة جليدية. وعلى هذه القشرة، كما لو كانت طريقًا شتويًا، تتجول ببطء ذرات منفردة. وتظهر الحسابات أن هذه الذرات المتجولة من الأكسجين والنيتروجين هي التي تبدأ تجميع جزيئة HNSO، وهو مركب من الهيدروجين والنيتروجين والكبريت والأكسجين. أولاً، تصطدم ذرة أكسجين أو نيتروجين بشظية جزيء، وهي الجذر NS أو SO.

في مشاتل النجوم، تولد النجوم الضخمة ليس منفردة بل في أزواج. يدور نجمان حول مركز مشترك، والأثقل منهما ينتفخ أولاً ويبدأ بفقدان طبقاته الخارجية. جزء من هذه المادة لا يهرب إلى الفضاء بل ينتقل إلى النجم المجاور — مثل الماء من كأس ممتلئ إلى كأس موضوعة تحته. ونتيجة لذلك، يغتني النجم المستقبِل بالهيليوم الذي تراكم في باطن النجم المانح.

داخل كل خلية تجري تفاعلات كيميائية باستمرار، وكأنها مطبخ صغير حيث تعمل البروتينات كطهاة تحضّر المواد الضرورية. لكن رؤية كيف يطبخ الطاهي بالضبط تعوقها حشود الجزيئات الأخرى حوله.

في الكيمياء عالمين: في أحدهما، المحفز جسيم صلب يحدث التفاعل على سطحه؛ وفي الآخر، جزيء مذاب تدور فيه الأحداث حول مركز معدني واحد. نادرًا ما يلتقي هذان العالمان، لكن في دراسة جديدة التقيا. أخذ الباحثون أكسيد الحديد — مسحوق أسود تُصنع منه أشرطة التسجيل المغناطيسية — ونثروا على سطحه ذرات مفردة من الروديوم، وهو معدن من عائلة البلاتين. ثم أطلقوا غاز الهيدروجين.

حبة غبار كونية مغطاة بالجليد، وعلى هذا الجليد، كما في مطبخ صغير، تُحضَّر الجزيئات. أحدها هو الميثانول، وهو كحول يُستخدم في الفضاء كمادة خام لمركبات أكثر تعقيدًا. كان يُعتقد سابقًا أن الميثانول يتشكل فقط عندما تلتصق ذرات الهيدروجين واحدة تلو الأخرى بجزيء أول أكسيد الكربون.

في كل ورقة، تحت الضوء، يعمل مصنع يفكك الماء إلى أكسجين وهيدروجين. الأكسجين يخرج إلى الهواء الذي نتنفسه، بينما يستخدم النبات الهيدروجين لغذائه. قلب هذا المصنع مركب بروتيني يحوي أربع ذرات منغنيز وذرة كالسيوم واحدة. هناك تحديدًا يفقد الماء إلكتروناته ويتحول إلى أكسجين.

بعد ولادتها مباشرةً إثر الانفجار العظيم، كان الكون يغلي مثل مشروب غازي طازج. امتلأ الفضاء كله بالفقاعات – وهي مناطق من الفراغ الجديد الذي يخضع لـالنموذج القياسي – التي أزاحت الحالة غير المستقرة السابقة. تسارعت جدران هذه الفقاعات إلى ما يقارب سرعة الضوء، وعند الاصطدامات المباشرة، كانت تنهار وتنفجر، مطلقةً طاقة هائلة.