الغاز الساخن

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة. فهو لا يلتهم الغاز الساقط فحسب، بل يقذف جزءًا منه مجددًا عبر نفاثات قوية. تعمل هذه النفاثات، مثل مكابس عملاقة، على دفع الغاز المحيط وتسخينه. لطالما اشتبه علماء الفلك في أن الثقوب السوداء بهذه الطريقة تمنع المجرات من البرودة والتحول إلى مصانع نجوم باردة.

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.

شعاع ليزر يضرب هدفًا رقيقًا مخبأً داخل طبقات من مادة أخرى. خلال أجزاء من مليار من الثانية، تنضغط المادة حتى كثافة 25 غرامًا لكل سنتيمتر مكعب — وكأن قطعة رصاص أصبحت أثقل بمرتين ونصف تقريبًا مع بقائها في مكانها. تقفز درجة الحرارة إلى 20 إلكترون فولت، أي حوالي 230 ألف مرة أكثر حرارة من حرارة الغرفة.

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.

مجرة أندروميدا هي أقرب جار كبير لنا، ومثل درب التبانة، تمتلك عباءة غازية غير مرئية. تمتد هذه العباءة من غاز ساخن جدًا ومخلخل لمئات الآلاف من السنوات الضوئية. يكاد يكون من المستحيل رؤيتها مباشرة، فالغاز باهت جدًا. ولكن عندما يمر ضوء كوازار بعيد عبر هذه الهالة، يترك الغاز "بصماته" في طيف الضوء — خطوط امتصاص داكنة.

انفجار النجم الضخم، المستعر الأعظم، ليس مجرد وميض ساطع، بل هو ضربة قوية للغاز المحيط، يمكن أن تطلق موجات من تشكل النجوم. ومع ذلك، لم يدرس أحد حتى الآن كيف يتحرك الغاز نفسه في مواقع هذه الانفجارات. الآن، جمع علماء الفلك بيانات عن 33 مستعرًا أعظم قريبًا مستعرًا أعظم وقاسوا لأول مرة اضطراب الغاز الجزيئي البارد حولها.

في مركز عنقود المجرات في كوكبة برشاوس تقع المجرة NGC 1275. تمكن علماء الفلك لأول مرة من رصد تفاصيل الرياح المنبعثة من الغاز الساخن في نواتها. تُرى هذه الرياح من خلال توهج الهيدروجين والأكسجين — وهما عنصران يصدران إشعاعًا مميزًا عند درجات الحرارة المرتفعة. تبلغ سرعة الرياح 570 كيلومترًا في الثانية — أسرع من سرعة الرصاصة.

يشكّل المجال الضوئي، مثل قالب الوافل الأنيق، نمطًا منتظمًا في الفضاء من مناطق ساطعة ومظلمة. في أكثر النقاط سطوعًا، كما في حفر صغيرة، تنحصر الذرات — وهكذا تتشكل مصيدة ضوئية. هذه أداة مفضلة لدى الفيزيائيين لدراسة الخصائص الكمومية للمادة في ظروف معزولة. ومع ذلك، هناك عائق مزعج: الذرات في هذا المصيدة تسخن تدريجيًا وقد تخرج منها، مما يشوه الصورة التجريبية.

بعد ثمانمائة مليون سنة من الانفجار العظيم، وفي قلب مجرة فتية، ينبض محرك هائل. ثقب أسود كتلته عشرة مليارات شمس يلتهم المادة بنهم شديد بحيث ينبغي لإشعاعه أن يطغى على كل ما حوله. لكن الهدوء يخيم على الخارج. فالكشاف القوي محجوب خلف ستار كثيف من الغاز والغبار الكوني - ضباب كوني لا يسمح بنفاذ شعاع واحد.

تصل درجة الحرارة في مركز العنقود المجري إلى مئة مليون درجة. هذه الأنظمة، الأكبر في الكون المرتبطة بالجاذبية، هي مختبرات طبيعية تخبئ فيها الطبيعة 85% من كتلتها في المادة المظلمة غير المرئية.

في قلب مجرة هيدرا-أ العملاقة، يغلي العمل. يطلق الثقب الأسود فائق الكتلة نفاثتين قويتين من البلازما تُعرفان بالجيتات (jets). تخترقان سحابة الغاز الحارق المحيطة وتنفخان فيها فقاعات هائلة. ولأول مرة، أتاح التلسكوب الياباني الجديد XRISM قياس السرعة التي يرتجف بها هذا الغاز ويتحرك. XRISM مرصد للأشعة السينية أُطلق عام 2023.

شلال لا يسخن من السقوط، بل يتجمد — هكذا تقريبًا يتصرف الغاز المتدفق نحو النجم النيوتروني في النجم النابض بالأشعة السينية عندما يكون النجم خافتًا. عادةً، تسخن المادة المتساقطة حتى التوهج الأبيض، لكن العمل الجديد يُظهر العكس.

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.

كرة شبه عديمة الوزن بالنسبة لحجمها، تدور حول نجمها كل أربعة أيام. كوكب TOI-2195 A b هو لغز حقيقي: كتلته أثقل قليلاً من نبتون، لكنه انتفخ إلى أحجام مشترية. لو كان هناك محيط كبير بما يكفي، لطاف هذا الكوكب الخارجي على سطحه مثل بالون عملاق منتفخ. يتحرك هذا العالم غير العادي في مدار شديد الميلان، قطبي تقريباً — وكأنه قُذف في النظام بزاوية.

كل ومضة راديوية سريعة تشبه صدى مدوٍ في الفراغ. وفي رنينه المتلاشي تتشفر بنية الفضاء بأكملها: عبر مليارات السنين الضوئية، يتأخر النبض الراديوي قليلاً بسبب كل إلكترون حر يقابله. هذا التأخير — مقياس التشتت — يزداد مع طول المسار، لكننا لم نكن نعرف سابقًا كم عدد الإلكترونات المختبئة داخل أبعد مجرة.

الكون في عمر 700 مليون سنة هو موقع بناء صاخب، حيث تبدأ الأضواء الأولى في الاشتعال. التقطت التلسكوبات إشارة من تلك الحقبة البعيدة: المجرة REBELS-25، الضخمة والمليئة بوقود النجوم. كشفت الملاحظات الراديوية بتلسكوبي VLA وALMA عن توهج خافت لكن مؤكد لجزيئات أول أكسيد الكربون (CO). هذا هو المؤشر الأكثر موثوقية للهيدروجين الجزيئي البارد — المادة التي تولد منها النجوم.

مدينة شاسعة تُضيء كل ليلة مصابيح جديدة. لكن في يوم من الأيام، تهب عاصفة شديدة، وتُطيح بكل الوقود من المستودعات، فتنطفئ المصابيح واحدًا تلو الآخر. شيئًا مشابهًا رصده علماء الفلك في مجرة قطع ضوءها إلينا مسافة 12.5 مليار سنة. إنه نظام ضخم، كانت النجوم تتشكل فيه بسرعة جنونية — وفي الوقت نفسه كانت تطلق آلية تدميرها الذاتي. في قلب القصة رياح مجرية.

في الفيزياء الفلكية، توجد أعداد تبدو عشوائية لكنها تتكرر بإصرار كالتعويذة. أحدها نسبة سطوع إشعاع الأشعة السينية إلى توهج خط الهيدروجين هـ-ألفا في ذيول الغاز المضطربة. من الرياح المجرية إلى «قناديل البحر» التي تشق العناقيد، تستقر هذه النسبة عند حوالي ثلاثة.

الكون مليء بعدائين خفيين - جسيمات تسير بسرعة تقارب سرعة الضوء. تُرصَد في الرياح الشمسية، وبالقرب من النجوم النيوترونية، وحتى في الفراغ بين المجرات. لكن ما الذي يسرعها في أماكن لا توجد فيها موجات صدمية ولا اتصالات مغناطيسية؟ ربما يكمن الجواب في نفس الكون ذاته - في نبض البلازما المتكرر.

ثقب أسود صغير جدًا — لا يتجاوز حجمه حجم النواة الذرية — يحوم في سحابة من الهيدروجين. إنه لا يبتلع كل ما حوله، بل يتسرب منه الإشعاع ببطء، فيفقد من كتلته مع كل لحظة. هكذا لا يغلي القدر على الموقد فورًا: أولًا تتصاعد فقاعات صغيرة من القاع، ثم يزداد الماء غليانًا تدريجيًا.

التصفيق باليدين يضغط الهواء فينتشر في كل اتجاه — هذه أبسط صدمة. في الفضاء، تلعب النجوم المنفجرة دور الكفين: موجات صدمتها تضغط الغاز فجأة وتطلق خلطًا فوضويًا — اضطرابًا. لكن كيف تتحول طاقة الانفجار بالضبط إلى دوامات بأحجام مختلفة ظل لغزًا طويلاً، إذ يصعب رؤية التفاصيل في السدم البعيدة. للنظر إلى هذه العملية، بنى الفيزيائيون نموذجًا مصغرًا.

المستعر الأعظم هو الانفجار النهائي لنجم ضخم، يقذف المادة عبر سنوات ضوئية حوله. داخل الغلاف المتوسع يبقى نجم نيوتروني، ويستمر الغلاف نفسه في الاندفاع عبر الغاز بين النجمي لآلاف السنين. وفي مثل هذا الغلاف، الذي خلّفه انفجار، تمكن تلسكوب ALMA لأول مرة من رصد نوى جزيئية ساخنة — وهي كتل غازية متراصة تولد فيها نجوم جديدة.

ثقب أسود صغير يخترق سحابة غاز. لا يبتلعها، بل على العكس — يسخّنها مثل مكواة تُركت على قطعة قماش مبللة. يصدر عنه إشعاع، وينشأ حوله بقعة ساخنة — منطقة تكون درجة حرارتها أعلى بمئات المرات من الفضاء المحيط. كان يُعتقد سابقًا أن هذه البقع تعيش تقريبًا إلى الأبد، وتبرد ببطء ووفق قانون ثابت. لكن في العمل الجديد، أخذوا في الاعتبار أن الكون يتمدد.

حول مجرتنا، مثل تاج غير مرئي، تمتد سحابة غازية رقيقة محمّاة إلى ملايين الدرجات. تُسمى هذه الهالة المجرية. من الصعب رؤية هذا التوهج مباشرة لأنه يصدر أشعة سينية ناعمة تمتصها الغلاف الجوي للأرض. لكن التلسكوبات الفضائية، مثل eROSITA، قادرة على التقاط هذا الضوء الخافت ورسم خرائط للتنفس الساخن لدرب التبانة.

مرجل عملاق يغلي بحساء ساخن يمتد لملايين السنين الضوئية. هذا هو الغلاف الجوي لعنقود مجرات بيرسيوس، سحابة من الغاز شديد الحرارة تحبسها الجاذبية. حتى وقت قريب، اعتقد علماء الفلك أن الغاز في مركز هذا المرجل يبرد بهدوء، استعدادًا للتحول إلى نجوم جديدة. لكن النظرة الجديدة للتلسكوب الياباني XRISM أظهرت أن الأمور أكثر إثارة للاهتمام.

خمس مجرات توقفت منذ زمن طويل عن إشعال نجوم جديدة، تبدو كبيوت أُطفئت أنوارها. لكن مقراب ألما الراديوي ومقراب جيمس ويب الفضائي نظرا إلى داخلها فرأيا: في هذه البيوت «النائمة» ما زالت النار متقدة. قاس علماء الفلك توهج أول أكسيد الكربون والغبار الدافئ في خمس من هذه المجرات، التي تبعد عنا مليارات السنين الضوئية.

الفضاء بين النجوم ليس فارغًا: فهو مليء بغاز مخلخل، دافئ في بعض المناطق وبارد في أخرى. الحدود بين هذه المناطق تشبه الجدران بين فقاعات الصابون. عندما يصطدم جسيم فائق الطاقة — وهو شعاع كوني — بهذا الجدار، يتغير المجال المغناطيسي هناك بشكل حاد، ويرتد الجسيم مثل كرة ترتد عن الحائط. تتبع العلماء ملايين من هذه الجسيمات في نموذج حاسوبي للمجرة.

مصيدة مغناطيسية على شكل كعكة محلاة تحصر بلازما من البورون والهيدروجين. في داخلها ترتفع درجة الحرارة إلى ما يزيد عن مئة مليون درجة — أشد حرارة من مركز الشمس. عند هذه الحرارة تتصادم النوى وتندمج، محررةً الطاقة.

في سحابة غازية باردة حيث يولد نجم، تكون الكيمياء نائمة. الجزيئات لا تتصادم تقريبًا، والتفاعلات تتجمد. ولكن إذا مر جسيم مشحون عبر السحابة، فإنه يقتلع الإلكترونات من الذرات – أي يؤينها. وهكذا تظهر في السحابة النائمة أيونات نشطة جاهزة لبناء جزيئات جديدة. وجّه علماء الفلك التلسكوبات الراديوية نحو ثلاث كتل غازية كثيفة حول نجوم حديثة الولادة في كوكبتي حامل رأس الغول والثور.

حول كل مجرة يوجد غلاف غير مرئي من الغاز الساخن، مثل البخار فوق قدرٍ من الماء المغلي. هذا الغاز بالكاد يُصدر ضوءًا في نطاق الأشعة السينية، لذا من الصعب جدًا قياسه. لكنه يحمل في طياته ذاكرة انفجارات النجوم وكيفية نمو المجرة. تستخدم الطريقة الجديدة الضوء الصادر من المركز الساطع للمجرة.

قدرٌ من الماء المغلي على الموقد: كلما زادت النار، زادت حرارة الماء وزاد البخار المتصاعد. هكذا تقريبًا يتصرف الغاز الساخن في عناقيد المجرات. لكن في مجموعات المجرات الصغيرة، يتسرب هذا «البخار» أسرع مما يمكن توقعه بناءً على درجة الحرارة. أخذ علماء الفلك كتالوجًا يضم 155 مجموعة وعنقودًا من المجرات، مسافاتها معروفة بدقة عالية (انزياحات حمراء من 0,07 إلى 0,2).

في مركز درب التبانة، وسط سحب كثيفة من الغاز والغبار، توجد منطقة تُعرف باسم القوس C. إنها تشبه تقاطعًا مزدحمًا: تولد النجوم هنا، وتتصادم تيارات المادة، وكل ذلك مضاء بأشعة سينية. وظل هذا التوهج لغزًا لفترة طويلة. ألقى علماء الفلك نظرة على أرشيف أرصاد تلسكوبين للأشعة السينية — "تشاندرا" و"XMM-نيوتن" — وفحصوا السحابة بالتفصيل. اتضح أن التوهج يتكون من جزأين.

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.

في عنقود نورما، أقرب عنقود غني بالمجرات إلينا، رصد علماء الفلك موجة صادمة. نشأت هذه الموجة عندما اصطدم عنقود بآخر، مثل موجة مقدم السفينة التي تشق الماء. ضغطت هذه الموجة الغاز بين المجرات وسخنته. وجدت مجرتان مباشرة خلف جبهة الموجة. الأولى، ESO 137-001، يُنتزع غازها في تيار، مثل أوراق الشجر في ريح عاتية.

الغاز في المجرة يتوهج مثل لوحة إعلانية نيون، ومن لون هذا التوهج يحدد علماء الفلك مدى سخونته. المنطق بسيط: كلما زادت العناصر الثقيلة في الغاز (التي يسميها علماء الفلك «معادن»)، كان تبريده أفضل. وبالتالي، يجب أن تكون درجة حرارة المجرات الغنية بالمعادن أقل. لكن الملاحظات الجديدة أظهرت العكس.

يراقب التلسكوب الفضائي TESS آلاف النجوم ويلتقط اللحظة التي يمر فيها كوكب أمام قرص نجمه، فيخفت ضوء النجم قليلًا. هكذا رصد علماء الفلك كوكبين بالقرب من نجمين يشبهان شمسنا. أحدهما، TOI-883 b، يكمل دورة حول نجمه في عشرة أيام، والآخر، TOI-899 b، في ما يقرب من ثلاثة عشر يومًا. الكوكبان حاران: تبلغ درجة الحرارة عليهما حوالي ثمانمئة درجة مئوية، مثل فرن لحرق الفخار. ثم دخلت التلسكوبات الأرضية على الخط.

في سحابة غاز باردة ومظلمة، حيث بدأ نجم للتو في التكوّن، رصد تلسكوب ALMA حلقة غير عادية. تتكون هذه الحلقة من غاز أكثر دفئًا وكثافة من الوسط المحيط. لم يكن من الممكن رؤية مثل هذه التفاصيل من قبل، لأن الغاز في مركز السحابة غير شفاف للأرصاد العادية.

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.

الكوكب HIP 67522 b صغير جدًا: عمره 17 مليون سنة فقط، مقارنة بالأرض التي يبلغ عمرها 4.5 مليار سنة. وهو كوكب خارجي من نوع المشتري الحار — عملاق غازي يدور قريبًا جدًا من نجمه، لذا فإن غلافه الجوي ساخن ومنتفخ. وجّه علماء الفلك إليه التلسكوب الكبير جدًا VLT في تشيلي، وأثناء عبور الكوكب أمام قرص النجم، التقطوا الضوء الذي مر عبر غلافه الجوي.

في سحابة غازية كثيفة، حيث تولد نجمة أثقل من الشمس، يوجد مصدر راديوي صغير جدًا. يعمل مثل الليزر: جزيئات الميثانول تضخّم الإشعاع، فنرى نقطة مضيئة. لكن هذه النقطة تتصرف بغرابة — سطوعها يقفز صعودًا وهبوطًا خلال ساعات معدودة. تابع العلماء المصدر G33.641-0.228 من عام 2009 إلى عام 2016.