عدم استقرار جينس

في مركز المجرة، حيث يلف ثقب أسود فائق الضخامة قرصًا من الغاز الملتهب حوله، تولد أحيانًا نجوم عملاقة. وهي لا تشبه النجوم العادية: فالقرص يغذيها باستمرار بالمادة، وقد ينمو النجم ليصل إلى مئات الكتل الشمسية، ويظل ساطعًا ما دام تدفق الغاز مستمرًا. هذا النجم مثل إسفنجة تمتص الماء: إنه يعيش ما دام يُملأ.

في أول نصف مليار سنة بعد الانفجار العظيم، كانت المجرات تنمو بسرعة مذهلة. كان الغاز يسقط فيها بسرعة وينهار ليشكل نجومًا دون أن يواجه مقاومة. تُسمى هذه الفترة "تكوين النجوم غير المقيد". الأمر أشبه بقلي الفطائر على مقلاة شديدة السخونة دون غطاء: يتطاير الزيت في كل مكان، ولا أحد يحدّه.

أي جسم نابض له لحظة يضطرب فيها الإيقاع. بالنسبة للنجوم البوزونية، وهي تجمعات افتراضية من جسيمات فائقة الخفة، تكون هذه اللحظة هي النقطة التي تتوقف عندها الكتلة عن الزيادة. قام مؤلفو العمل بحساب النمط القطري الأدنى (النغمة الأساسية لـ"التنفس") لعائلة كاملة من هذه النجوم، بما في ذلك نماذج ذات تفاعل ذاتي، وهي خاصية تمكن الجسيمات من التأثير على بعضها البعض.

سافر ضوء الكوازار J0744+2052 نحونا قرابة 12 مليار سنة. في طريقه، صادف سحباً من الهيدروجين، التي انتزعت من طيفه خطوطاً منفردة — تماماً كما يمشط المشط الترددات الدقيقة. يطلق علماء الفلك على هذا المشهد اسم غابة لايمان-ألفا. ولكن في هذه الفوضى الظاهرية، برز نظام بشكل غير متوقع.

انهيار نواة النجم يشبه انضغاط نابض: المادة تسقط إلى الداخل، وفي المركز يولد نجم نيوتروني. لكن السقوط لا يكون مستقيمًا تمامًا. في الطبقات الخارجية المغلية، تنقل الدوامات العشوائية الدوران إلى الغاز الساقط — فيلتف قرص حول الجسم المركزي. هذا القرص ليس نهرًا هادئًا. إنه ينبض: يقوى تارة ويخفت تارة أخرى. المادة التي لا تملك دورانًا تستمر في السقوط عليه من الأعلى، لكن القرص لا يختفي.

النار تشتعل بثبات ولفترة طويلة. ولكن بمجرد أن تهب الرياح — ينطفئ اللهب، تاركًا الجمر فقط. قصة مشابهة حدثت مع الغرافاستار — الجسم الافتراضي الذي كان من المفترض أن يحل محل الثقب الأسود. الثقب الأسود العادي يخفي في داخله تفردًا — نقطة تنهار عندها قوانين الفيزياء.

في البحث عن طبيعة المادة المظلمة، تنطلق إحدى أكثر الفرضيات تشويقاً من اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم. حينها، من التقلبات الكمومية لحقل التضخم، نشأت تكتلات من المادة كانت قادرة على الانهيار إلى ثقوب سوداء بدائية.

الثقب الأسود يشبه قطرة دوّارة من سائل لزج. عادةً، تميل هذه القطرة للبقاء كاملة: الانقسام سيقلل من مساحتها، مما يتعارض مع قانون عدم تناقص الأنتروبيا (مقياس الفوضى، مثل كوب مكسور لا يعيد تجميع نفسه). بالنسبة للثقوب السوداء غير الدوارة التي اكتشفها كارل شوارزشيلد، فإن التشظي مستحيل.

تلتقط كواشف لايغو وفيرغو تموجات الزمكان، لكن بعض الإشارات تجبرنا على إعادة كتابة سيناريوهات الموت النجمي. GW190814 — اندماج ثقب أسود كتلته 23 كتلة شمسية مع جسم مضغوط كتلته 2.6 كتلة شمسية — هو نوتة نشاز في سيمفونية النماذج القياسية.

سحابة عملاقة من المادة غير المرئية تعمل كمرآة مشوهة — تحرف ضوء مجرة بعيدة. من خلال هذه التشوهات، يمكن لعلماء الفلك وزن السحابة والنظر إلى أعماقها. وبهذه الطريقة، وباستخدام عدسة ثقالية طبيعية برمز JVAS B1938+666، صادف العلماء أمرًا غريبًا: داخل العدسة يختبئ جسم كتلته مليون شمس، لكنه مضغوط إلى حجم صغير بشكل غير متوقع. وكأنه كرة رصاص صغيرة داخل كتلة قطن ناعمة.

المادة المظلمة هي الهيكل الخفي للكون. إنها لا تشع ضوءًا، لكن جاذبيتها تمسك بالنجوم داخل المجرات. في بعض النماذج، يمكن لجسيمات هذه المادة أن تتصادم وتتبادل الطاقة، مثل جزيئات الهواء الساخن.

المتزلج على الجليد يضم ذراعيه إلى جسده فيتسارع دورانه بشكل حاد. عندما يستنفد نجم ضخم وقوده وينهار قلبه، يحدث شيء مشابه، لكن على نطاق كوني. القلب ينضغط ليصبح كرة بحجم مدينة، وإذا كان يدور بسرعة، قد ينشأ في داخله عدم استقرار خاص.

المجرة البعيدة تظهر دائمًا أكثر احمرارًا مما هي عليه في الواقع. هذا ما يفعله الغبار الكوني — جسيمات صلبة متناهية الصغر تعمل على تشتيت الأشعة الزرقاء بقوة أكبر من الحمراء، مثل الضباب عند الغروب. قاس علماء الفلك هذا التأثير لعشرات الآلاف من المجرات باستخدام أداتين قويتين.

قطرة العسل تنتشر على الطاولة ببطء، بينما الماء ينتشر بسرعة. مقاومة التدفق، أي اللزوجة، تختلف من سائل لآخر. ولكن ماذا لو تغيرت اللزوجة أثناء الحركة، كلما انضغط المادة أو تمددت؟ هذا هو سلوك العديد من الغازات، والمعادلات التي تصف حركتها، معادلات نافييه-ستوكس، تصبح شبه مستحيلة التعقيد.

في ستينيات القرن العشرين، حاول الفيزيائي جوزيف ويبر التقاط الموجات الثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تنبأت بها النظرية النسبية العامة — باستخدام أسطوانات من الألومنيوم. كانت الفكرة بسيطة: يجب أن تجعل الموجة الأسطوانة تهتز، مثل شوكة رنانة، بترددها الرنيني الذاتي.

عندما يبرد الحساء الساخن، تظهر على سطحه كتل — وهكذا، عندما برد الكون المبكر، ولّد كتلًا خيطية من الطاقة، أوتار كونية. بعضها يشبه شريطًا مطاطيًا مشدودًا: ما دام سليمًا فهو مستقر. لكن إذا قُطع الشريط، يتمزق.

في قاعة مزدحمة يدور فيها الأزواج، قد تمر موجة بين الحين والآخر: بعض الأزواج تتفكك، وأخرى تنشأ، وتجتاح الحركة الجميع. بطريقة مماثلة تتصرف سحابة نيوترينو كثيفة — وهي جسيمات متناهية الصغر لا تكاد تتفاعل مع المادة.

بعد الانفجار العظيم، اكتسبت المادة المظلمة — المكوّن الغامض الذي لا يظهر إلا عبر الجاذبية — والمادة العادية، التي كانت تتكون أساسًا من الهيدروجين، سرعتين مختلفتين.

البالون المطاطي في راحة اليد يرتد بالتساوي في جميع الاتجاهات. أما زجاجة المشروبات الغازية فتتصرف بشكل مختلف: فهي صلبة على طول العنق، لكنها تنضغط بسهولة عرضيًا. هكذا تقريبًا يُبنى الضغط داخل بعض النجوم — فقد لا يكون متساويًا في الاتجاهات المختلفة. تُسمى هذه النجوم بالنجوم المتباينة الخواص (anisotropic)، وقد ظل سلوكها يُوصف بطرق متفرقة حتى الآن.

نجم يزن مئة ألف شمس يعيش حياة مشرقة وقصيرة. نهايته هي انهيار سريع إلى ثقب أسود. لكن قبل النهاية مباشرة، ينجح في أن يلف نفسه بشرنقة غازية كثيفة. هذه الشرانق بالضبط هي ما يميزه تلسكوب جيمس ويب حول الأجسام الغامضة — "النقاط الحمراء الصغيرة". أخذ علماء الفلك خمسة نماذج لنجوم فائقة الكتلة بتركيبات مختلفة وتتبعوا حياتها خطوة بخطوة.

يجري النهر نحو الدوامة، لكن في طريقه سدٌّ به فتحة. معظم الماء يتجمع أمام السد، لكن جزءًا منه، بعد أن يرتفع، يعبر فوقه ويسقط مباشرة في القمع. هكذا هو الحال مع الغاز في المجرة: إنه يتدفق نحو المركز، لكنه يصطدم بحلقة من النجوم والغاز — إنها مثل السد. عادةً ما يتوقف كل شيء هناك، ملتفًا في دوامة كثيفة.

في الكون البعيد، عندما كان عمره بضعة مليارات من السنين فقط، كانت العديد من المجرات تشبه قدورًا تغلي: كان الغاز فيها يتكاثف بسرعة لدرجة أن النجوم كانت تتوهج الواحدة تلو الأخرى، وكان الغبار يسخن ويضيء ساطعًا في نطاق دون المليمتر. تسمى هذه الأجسام مجرات ذات تشكل نجمي نشط، ويُعتقد أنها أسلاف المجرات الإهليلجية الضخمة الحديثة.

تدفق الإلكترونات يدخل البلازما كما تصطدم نفاثة ماء ببركة هادئة. النفاثة تزعج السطح، مولدة أمواجًا تنمو بسرعة وتخلط الماء. في البلازما، تسمى هذه العملية بعدم استقرار بونيمان: حزمة الإلكترونات تهيج التذبذبات التي تبدد طاقتها بعد ذلك. هذه الظاهرة مهمة لفهم المقاومة الشاذة — عندما تقاوم البلازما التيار أكثر مما تتنبأ به النظرية العادية.

يندفع تيار من الغاز شديد الحرارة من النجم — وفجأة يتوقف، وكأنه اصطدم بجدار غير مرئي. هذا بالضبط ما رآه الباحثون عندما حاولوا إعادة إنتاج الانبعاث النجمي على نطاق مخبري. استخدموا ليزرًا، فأنشأوا نفاثة بلازما وأطلقوها عبر مجال مغناطيسي — أولاً ضعيف، ثم قوي، مثل مجالات النجوم الكثيرة. مع المجال الضعيف (حوالي 30 غاوس عند ترجمته إلى الظروف النجمية) طارت البلازما بحرية.

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.

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 السحب الباردة من الغاز بين النجوم، تمتد خيوط كثيفة طويلة. وفيها، كما في الحاضنات الممتلئة، تنضج نجوم المستقبل. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن كل شيء داخل هذه الخيوط يخضع للجاذبية: المادة تتدفق بسلاسة نحو المراكز حيث تزداد الكثافة وفي النهاية يتوهج نجم. لكن الملاحظات الجديدة تظهر صورة مختلفة.

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.

في سحابة مظلمة لم يضيء فيها أي نجم بعد، يبدأ الغاز في الانجذاب نحو مركز مشترك. هكذا تولد أضخم النجوم في المجرة — تلك التي تفوق كتلة الشمس بعشرات المرات. وجّه علماء الفلك التلسكوبات الراديوية نحو السحابة SDC335.579-0.292 ورأوا كيف تصطف جزيئات الغاز في تيارات تسقط نحو الداخل. تبين أن سرعة السقوط صغيرة نسبيًا — فقط 0.6–1.6 كيلومتر في الثانية.

قطعة العجين، إذا مددتها من الجانبين، لا تتمدد بشكل متساوٍ: في مكانٍ ما تصبح أرق وتتمزق. النسيج الحي يتصرف بشكل مشابه، لكن بدل التمزق تظهر فيه أشرطة انزلاقية — مناطق ضيقة تبدأ فيها الخلايا بالانزلاق فوق بعضها، مثل أوراق اللعب عند قصّها. هذه الأشرطة تقسم النسيج إلى مناطق تتصرف بشكل مختلف: بعضها يبقى مرنًا، وبعضها يصبح سائلًا.

في قلب مدينة مجرات هائلة، يعلق سحاب غازي كثيف. لقد برد إلى درجة أنه وفقًا لكل القواعد ينبغي أن ينهار ليشكل نجومًا جديدة — مثل بخار الماء على زجاج بارد يتحول إلى قطرات. لكن الزجاج يبقى جافًا. وجّه علماء الفلك إلى هذا السحاب تلسكوب الأشعة السينية تشاندرا وراقبوه قرابة ثلاثة أيام متواصلة.

في توكاماك، البلازما مثل حشد في شارع ضيق: بمجرد أن يبدأ أحدهم بالركض، ينطلق الجميع دفعة واحدة. في ستيلاراتور ذي مقطع غير دائري، الشارع متعرج، به طرق مسدودة وجيوب. لا يمكن للحشد أن يتجمع في موجة واحدة — يعلق الناس في زوايا مختلفة. هكذا هي موجات البلازما: في الهندسة ثلاثية الأبعاد، تتوضع محليًا مثل الصوت في متاهة. أظهر العلماء أن عدم الاستقرار في الستيلاراتور يتحول إلى شبكة من حزم موجية منفصلة.

العنقود المجري يشبه تقاطعًا مزدحمًا حيث تندفع المجرات-السيارات عبر رياح معاكسة من الغاز الساخن. هذه الرياح، المسماة بضغط الدفع (ram pressure)، تقتطع من المجرات مخزونات الغاز البارد — وقود ولادة النجوم. تابع علماء مسح SAMI كيف يحدث هذا لدى مئات المجرات في ثماني عناقيد قريبة. قسّموا المجرات إلى ثلاث مجموعات حسب شكل الهيدروجين المتوهج: هادئة، مائلة، ومبتورة.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يختبئ ثقب أسود. عندما يبتلع الغاز، يقذف تدفقات قوية إلى الخلف — مثل تنين لا يستطيع ابتلاع كامل فريسته فيزفر النار. تتسارع هذه "الرياح" إلى آلاف الكيلومترات في الثانية ويمكنها أن تبعثر مخزون الغاز الذي تولد منه النجوم. نظر تلسكوب جيمس ويب إلى مجرتين متصادمتين — F11119+3257 وF05189-2524.

في السحابة المظلمة G318.049+00.086، حيث لا يوجد نجم واحد بعد، اصطف الغبار والغاز في أربعة خيوط طويلة. تتلاقى هذه الخيوط في عقدة مركزية كثيفة، مثل أربعة أنهار تصب في بحيرة. عبر هذه الخيوط، يتدفق الغاز نحو المركز: تصل سرعة التدفق إلى 10–20 كيلومتراً في الثانية لكل فرسخ فلكي من الطول. هذا يعني أن أكثر من ألف كتلة شمسية من المادة تصل إلى العقدة كل مليون سنة.

النجم الفتي محاط بقرص مسطح دوّار من الغاز والغبار — إنه موقع بناء الكواكب المستقبلية. يعيش القرص حياته الخاصة: يتدفق الغاز نحو النجم، ويتكتل الغبار في كتل، ومن الخارج يضغط عليه الأشعة فوق البنفسجية القاسية من النجوم الساخنة المجاورة، كما تهب الرياح فتطيّر أوراق الشجر عن الممر.

تخيل غرفة مكتظة: كل شخص جديد يدخل يزيد الضغط على الجدران. مبدأ مشابه يعمل في النجم النيوتروني — بقايا نجم ضخم فائقة الكثافة، حيث تكون المادة مضغوطة إلى كثافات نووية. زيادة الكثافة تؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية — الضغط، الذي يصفه الفيزيائيون بنسبة الضغط إلى كثافة الطاقة (الكمية φ).

قطرة ماء تسقط على ورقة لوتس فترتد دون أن تترك أثرًا. هذه معجزة التنظيف الذاتي صقلتها الطبيعة على مدى ملايين السنين، ويحاول المهندسون منذ زمن طويل محاكاتها. لكن إذا اصطدمت القطرة بسرعة كبيرة، تتفتت إلى رذاذ، وتفقد كتلتها وتترك آثارًا مبللة على السطح. كان يُعتقد أنه عند السرعات العالية للاصطدام يستحيل تجنب الرذاذ، حتى أُضيف القليل من البوليمر إلى الماء.