دالة الكتلة الأولية

الميناء يعيش على مواعيد المد والجزر. الماء يرتفع ثم ينحسر، ومعه يتغير كل شيء: مستوى الماء عند الرصيف، تكوين الرواسب في القاع، وحتى الملوحة في الزوايا البعيدة. المجرة مشابهة في ذلك، لكن بدل الماء يوجد لديها غاز، وبدل القمر توجد نجومها الخاصة والسحب المجاورة. هذا الغاز يدخل إلى المجرة ويخرج منها، وكل مد أو جزر يترك أثرًا في كيفية ولادة المجرة للنجوم ومدى غناها بالعناصر الثقيلة.

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.

حول كل مجرة توجد هالة غير مرئية من الغاز البارد. تمتد بعيدًا إلى ما وراء حدود القرص النجمي، وتعمل في الوقت نفسه كمستودع للوقود لنجوم جديدة ومقبرة للمادة المطرودة.

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.

بعد الانفجار العظيم، مر الكون بـتوسع سريع – التضخم، الذي مهد إشعاع الخلفية الكونية وزرع بذور المجرات. لكن على المستوى الكمومي، كانت التقلبات الفوضوية تنضج في حقل الإنفلاتون.

يصلنا الضوء من النجم الزائف البعيد (نواة مجرة نشطة تقذف نفاثة باتجاهنا) بعد رحلة تستغرق مليارات السنين. وفي الطريق، يولّد وابلًا من الجسيمات المشحونة التي يعمل الحقل المغناطيسي بين المجرات على انحرافها جانبًا. وهكذا يظهر حول النجم الزائف توهج جاما ضبابي في السماء — هالة ثانوية. وكلما كان الحقل أضعف، اتسعت الهالة.

شخص في صورة قديمة يقف وسط حشد ويدور في نفس الوقت — شبه مستحيل تخمين عمره. هكذا تقريبًا يحدد علماء الفلك عمر وكتلة النجوم البعيدة، وكثيرًا ما يخطئون. بالنسبة للنجوم الأثقل قليلًا من الشمس (من 1.4 إلى 2.5 كتلة شمسية)، فإن الطرق المعتادة مثل "الساعات" القائمة على التركيب الكيميائي لا تعمل جيدًا.

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.

كشفت صور تلسكوب «جيمس ويب» الفضائي عن توهج شديد بشكل غير متوقع من المجرات الأولى — أنظمة نجمية هائلة تشكّلت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. تخيّل: المحمصة تُحمّر شريحة الخبز في دقيقة، بينما يحتاج الفرن إلى ساعة كاملة لخبز رغيف — والنتيجة، في جوهرها، متشابهة.

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.

كشاف ضوئي يسلط نوره عبر قاعة مظلمة. بين المصباح والجدار تطفو عدسة غير مرئية — فتزداد بقعة الضوء سطوعًا للحظة وتنزاح قليلًا. هذا بالضبط ما كان يبحث عنه تلسكوب DECam خمس ليالٍ متتالية، مستهدفًا سحابة ماجلان الكبرى — المجرة التابعة لدرب التبانة. رصد التلسكوب وميضًا استمر ساعة واحدة فقط.

تكون الثقوب السوداء خفيفةً — ناتجةً عن موت النجوم، وفائقة الكتلة — في أنوية المجرات. كان ينقصنا الحلقة الوسيطة. ساعدت في الاكتشاف التدفقات الراديوية السريعة — إشارات كونية تدوم أجزاءً من الألف من الثانية، لكنها تحمل طاقةً تضاهي ما تطلقه الشمس في أيام. يمكن تخيّل هذه التدفقات كصرخاتٍ من أعماق الكون.

سحابة غازية ضخمة ومظلمة تنتشر في الكون الفتي. داخلها، تخترق خطوط القوى المغناطيسية، كأصابع غير مرئية، بقيت من لحظة ولادة العالم. تؤثر هذه الحقول على الجسيمات المشحونة، وتدفعها نحو بعضها البعض — مثل نسمة هواء خفيفة تجمع أوراق الشجر المتساقطة في أكوام. ونتيجة لذلك، ينضغط الغاز بسرعة أكبر إلى كتل، تنمو منها لاحقاً المجرات.

لطالما وصف علماء الفلك الكون، مثل الطهاة، بالاعتماد على وصفات ضخمة متشابهة — معادلات رياضية معقدة تقدر توزيع المجرات حسب الفوتومتري والكتلة، وكذلك بنية الأساسات غير المرئية من المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة التي لا تكشف عن نفسها إلا عبر الجاذبية. لكن دقة هذه النماذج تركت الكثير مما هو مرغوب.

في السحب الباردة من الغاز بين النجوم تختبئ خيوط رفيعة طويلة، مثل الخيوط في كرة الصوف. وفيها تحديدًا، تنضغط وتولد نجوم جديدة. أخذ علماء الفلك سبعًا من هذه السحب على مسافات تتراوح بين 140 و920 سنة ضوئية، وقاسوا عدد الخيوط ذات السماكات المختلفة. اتضح أنه في جميع السحب، بغض النظر عن نشاطها، يسري القانون نفسه: كلما زاد سُمك الخيط، قلّ تكراره.

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.

الليثيوم مثل مقياس حرارة مغموس في أعماق النجم. هذا العنصر الخفيف يتفكك عند درجة حرارة تبلغ حوالي 2.5 مليون درجة، لذا فإن كميته على السطح تكشف مدى عمق اختلاط مادة النجم. أظهرت الأطياف لـ 71 نجمًا فتًى متوسط الكتلة (من 1.5 إلى 3.5 كتلة شمسية) أن 25-30% منها تحتوي على ليثيوم أقل بشكل ملحوظ مما كان في السحابة الأصلية.

يعيش نجمان صغيران جدًا وباردان، يشبهان النجم الشهير TRAPPIST-1، في عنقود نجمي شاب يُدعى أعلى العقرب. عمرهما 5–10 ملايين سنة فقط — أي أنهما رضيعان بمقاييس الكون. حول كل منهما يدور قرص من الغاز والغبار، قد تتجمع منه كواكب مع مرور الزمن.

النجوم القديمة، التي تكاد تفتقر إلى العناصر الثقيلة، أشبه ببقايا متحجرة لأول الومضات الكونية. ساد الاعتقاد طويلاً بأن النسبة الغريبة بين الكربون والهيدروجين والهيليوم في ثلاثة من هذه النجوم تتطلب انفجار مستعر أعظم فائق النطاق — وهو مستعر أعظم شديد السطوع بطاقة تفوق المألوف بمئات المرات.

كل جزيء يشبه لعبة تركيب من الذرات: يمكن تجميع القطع نفسها بطرق مختلفة. التجميعان اللذان يحتويان على نفس مجموعة الذرات لكن بترتيب هندسي مختلف يُطلق عليهما اسم الأيزومرات (isomers). إذا كان أحدهما يُشتق من الآخر بمجرد دوران حول رابطة، فهما مُطابِقان (conformers)، مثل ذراع مثنية وأخرى ممدودة.

لفترة طويلة، اعتقد علماء الفلك أن الكون يعمل كناقل كوني: في أي ركن منه تولد النجوم وفق وصفة موحدة، حيث يقابل كل عملاق ضخم عدد ثابت تقريبًا من الأقزام الصغيرة. هذه النسبة العالمية تُسمى دالة الكتلة الابتدائية — التوزيع الأساسي الذي يصف كم نجمة من أي كتلة تتشكل في كل حدث تكوّن نجوم. ومع ذلك، كان التحقق منها مباشرة صعبًا للغاية: لعدّ كل «الأرغفة» في مخبز بعيد، يجب تمييز حتى أصغر وأخفت النجوم.

المطبخ الذي يُخبز فيه النجوم يعمل بوصفة بسيطة: بقدر ما لديك من الدقيق، يكون عدد الفطائر. لفترة طويلة، رأى علماء الفلك علاقة صارمة بين كتلة المجرة وسرعة ولادة النجوم فيها، واعتبروها قاعدة مستقلة بذاتها. لكن دراسة جديدة شملت 24,954 مجرة قريبة تُظهر أن هذه العلاقة ليست سوى ظل لقانونين أكثر أساسية. القانون الأول يربط كمية الغاز الجزيئي (المادة الخام الرئيسية للنجوم) بكتلة النجوم الموجودة بالفعل.

في العنقود النجمي NGC 2158، الذي يتجاوز عمره مليار سنة، أحصى علماء الفلك مدى شيوع النجوم التي تعيش في أزواج. وقد وجّه تلسكوب هابل نظره إلى العنقود لفترة طويلة جدًا ليرصد حتى أبهت النجوم — تلك التي كتلتها أقل من ثلث كتلة الشمس. واتضح أن الأزواج تختلف في انتشارها: فنجوم بكتلة الشمس لها رفيق في نصف الحالات، بينما النجوم الخفيفة التي كتلتها خمس كتلة الشمس — واحد من كل عشرة فقط.

كشّافان ضوئيان متلاصقان: من بعيد يندمج ضوءهما في بقعة واحدة، فيبدو المصدر واحدًا. وهكذا في الفضاء: حوالي 10–20% من النجوم الخافتة هي في الواقع أزواج متلاصقة من نجمين متطابقين. لا يمكن تمييزهما منفردين، لكنهما معًا يضيئان بشكل أكثر سطوعًا من نجم مفرد له نفس الخصائص.

مطبخ المجرة البعيدة لا يقتصر على قرصها اللامع. فحول كل نظام نجمي توجد سحابة غازية غير مرئية، مثل البخار المتصاعد من قدر الحساء. وقد نظر علماء الفلك إلى هذا البخار حول مجرات نراها كما كانت بعد مليار ونصف مليار سنة فقط من الانفجار العظيم.

أضاءت النجوم الأولى من سحب لم تحتوِ سوى الهيدروجين والهيليوم. العناصر الثقيلة — الكربون والأكسجين والحديد — ظهرت لاحقًا داخل النجوم. لكن بين تلك الأوائل ربما كانت هناك نجوم خفيفة، بكتلة أقل بقليل من كتلة الشمس. مثل هذه النجوم تعيش طويلًا جدًا، مليارات السنين، وقد تبقى حتى يومنا هذا.

تولد النجوم من سحب الغاز في درب التبانة، وأثقلها عمالقة حقيقيون. كان يُعتقد سابقًا أن مثل هذا النجم يتوهج بشكل شبه فوري، مثل المصباح الكهربائي. لكن دراسة جديدة تُظهر أن النجم ينمو تدريجيًا، مثل كرة الثلج التي تتدحرج من قمة الجبل، فكلما طال تدحرجها زاد حجمها. قارن الباحثون بين قائمتين: السحب الغازية الساطعة حول النجوم الفتية، والنجوم نفسها.

خذ قمة دوّارة للأطفال وأطلقها على الطاولة. ستدور بثبات، وستتحرك جميع أجزائها في اتجاه واحد. والآن ارْمِ حفنة من الخرز على الأرض وانفخ فيها — ستتطاير كل خرزة في اتجاه. هكذا تقريبًا يميز علماء الفلك بين نوعين من المجرات الكبيرة: "القمم الدوّارة" (الدوارات السريعة) و"الخرز" (البطيئة ذات الحركة العشوائية للنجوم).

في مطبخ المجرة، هناك وصفة لشوربة النجوم. المكون الرئيسي هو الهيدروجين، لكن نكهة الطبق تعتمد على رشة معادن. ولأول مرة، نظر علماء الفلك إلى الأواني التي تكاد تخلو من هذه الرشة، فرأوا أن أصغر النجوم مفقودة منها. باستخدام بيانات التلسكوب الفضائي Gaia، اختار العلماء نحو 53 ألف نجم ذات مدارات مشابهة لمدارات سكان الهالة، ومحتوى معدني منخفض (أقل من عُشر محتوى الشمس).

في مجرة سحابة ماجلان الكبرى، التي تدور حول مجرتنا درب التبانة، التقط علماء الفلك خمسة نجوم تبدو وكأنها أحافير من ماضٍ بعيد جداً. لا تحتوي تقريباً على معادن — فقط من جزء من مائة إلى جزء من ألف من الكمية الموجودة في الشمس، لكنها غنية بالكربون بعشرات المرات. تُسمى هذه النجوم بالنجوم المعززة بالكربون منخفضة المعادن، أو اختصاراً نجوم CEMP.

وجّه الفلكيون تلسكوب جيمس ويب نحو ثلاث مجرات يقطع ضوؤها مسافة 12 مليار سنة. أشارت البيانات الأولية إلى نمو سريع لا يُصدق — كأن رضيعاً بلغ طول شخص بالغ في عام واحد، مما يتعارض مع تمدد الكون.

في السحب الباردة من الغاز بين النجمي، يختبئ الكربون داخل جزيئات أول أكسيد الكربون (CO)، مثل السكر المذاب في الشاي. لكن بالقرب من النجوم الضخمة الحارة، يغلي هذا «الشاي»: فالإشعاع القاسي يمزق الجزيئات، ويخرج الكربون إلى الخارج كذرات أو أيونات منفردة. رؤية الحالات الثلاث معًا من الأرض كانت مستحيلة بسبب الغلاف الجوي الذي يمتص الموجات المطلوبة.

عندما اكتشف إدوين هابل توسع الكون، واكتشفت فيرا روبين المادة المظلمة، بدا هيكل علم الكونيات متينًا. لكن تلسكوب جيمس ويب نظر إلى أعماق الزمن لدرجة أنه رأى مجرات ثقيلة الوزن حيث كان من المفترض، وفق الحسابات، ألا توجد سوى «شتلات».

في الغرفة المظلمة للكون المبكر، اشتعلت أول شرارة. بعد بضع مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، عندما كان الكون مليئًا بالهيدروجين والهيليوم فقط، وُلدت نجوم المجموعة الثالثة — عمالقة بلا معادن، كان ضوءها أول من مزق الظلام البدائي.