كتلة المشتري

النباض PSR J0614-3329 يدور 318 دورة في الثانية. نقطة على خط استوائه تتحرك بسرعة تعادل 10% من سرعة الضوء تقريباً. من الخارج، يبدو النجم كمنارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن شعاعها يندمج في حلقة متصلة. لكن تلسكوب NICER على محطة الفضاء الدولية يلتقط ومضات فردية من الأشعة السينية، ومن خلال نمطها يعيد بناء شكل الجسم غير المرئي.

يلتقط الفلكيون الكواكب البعيدة من خلال ارتعاش نجومها: إذ يجذب الرفيقُ غير المرئي النجمَ تارةً نحونا وتارةً بعيداً عنا، فيتغيّر لون ضوئه قليلاً. لكن هذا الارتعاش لا يروي سوى نصف الحقيقة. فإذا كان مدار الكوكب مائلاً بالنسبة لخط الرؤية، فإن جزءاً فقط من وزنه هو الذي يتأرجح، وما نراه في التلسكوب ليس الكتلة الحقيقية بل ظلُّها.

نجمان يدوران حول بعضهما البعض، ويقتربان تدريجيًا. رقصتهما تفقد طاقة، وهذه الطاقة تذهب إلى الفضاء — على شكل موجات جاذبية، وأحيانًا مجالات أخرى. تساءلت مجموعة من الفيزيائيين بقيادة ستيفن هوكينج (رغم أنه ليس مؤلف هذا العمل، إلا أن اسمه مألوف للكثيرين): ما مقدار الدوران الذي يحمله كل جسيم من هذا الإشعاع بالضبط؟ اتضح أن الحساب دقيق للغاية.

يشبه الغلاف الجوي للمشتري كعكة متعددة الطبقات، حيث لكل طبقة دورها. جمع العلماء بيانات من أربعة أجهزة في آن واحد — VLT/MUSE وCassini/VIMS وIRTF/SpeX وJuno/JIRAM — وبنوا نموذجًا للسحب والأمونيا الأمونيا في المنطقة الاستوائية للكوكب، يغطي نطاق ضغوط من 0.1 إلى 10 بار (للمقارنة، الضغط في قاع خندق ماريانا حوالي 1000 بار، لذا فإن 10 بار تعادل عمق مئات الأمتار تحت محيطات الأرض).

عندما يمر كوكب بعيد أمام نجمه، فإنه يحجب جزءًا من الضوء لفترة وجيزة. يسمي علماء الفلك هذا العبور ويحكمون من عمق الانخفاض على حجم الكوكب. لكن للضوء خاصية: الأجسام الضخمة تعمل كعدسات. حتى الكوكب العملاق قادر على انحناء أشعة النجم قليلًا — فيصبح الانخفاض أقل عمقًا مما كان متوقعًا.

قبل ربع قرن، حطم العالمان ميشيل مايور وديدييه كيلو كل قواعد تشكل الكواكب باكتشافهما أول مشترٍ حار. فالعملاق الغازي الذي يدور في أيام معدودات لا يمكن أن يكون قد نشأ قرب النجم: فالجو هناك أشد حرارة، ولا تتوفر مواد البناء. إذن، وُلد بعيداً ثم هاجر.

انسَ الصور المعتادة للنوى الكوكبية — فالحدود الواضحة بين الصخر والغاز أصبحت من الماضي. مسبار جونو، عندما غاص في حقل الجاذبية للمشتري، وكاسيني في أحضان زحل، اكتشفا: أن العناصر الثقيلة ليست مجمّعة في المركز، بل ممدودة على منطقة شاسعة، وكأن أحدًا قام برجّ الكوكتيل بإهمال. لوقت طويل، كان يُعتقد أن هذا التمويه من فعل الحمل الحراري بالانتشار المزدوج.

ظلت الرقصات الثقالية للأجرام السماوية صامتة أمام علماء الفلك لزمن طويل. تعلمنا التقاط ظلال الكواكب أمام نجومها باستخدام طريقة العبور — وهو إنجاز أهدانا آلاف العوالم بفضل ويليام بوروكي وتلسكوبه "كيبلر". لكن أقمارها كانت تفلت منا — فهي صغيرة جدًا وباهتة جدًا. جاءت نقطة التحول عندما حوّل علماء الفلك تركيزهم من البصر إلى السمع.

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.

اصطاد علماء الفلك بمساعدة جيمس ويب كوكبًا عملاقًا ثالثًا من قرص الغبار المعتم للنجم بيتا بيكتوريس. كانوا يعرفون كوكبَين آخرين، لكن هذا الكوكب كان مختبئًا في الضوء الساطع، مثل سمكة في المياه الموحلة.

عدّاء ماراثوني كوني في سباق قصير – هكذا يمكن وصف الكوكب GJ 367 b. فهو يدور حول نجمه في 7.7 ساعة فقط. هذا عالم خارجي أصغر قليلاً من الأرض، لكنه ذو طابع خاص: كان يُعتقد سابقاً أنه كرة حديدية شبه نقية. الملاحظات الجديدة من تلسكوب TESS وجهاز ESPRESSO على التلسكوب الكبير جداً (VLT) حسّنت صورتنا عن الكوكب.

الكوكب العملاق الرضيع ما زال يجذب بقايا مواد البناء من السحابة المحيطة به. هذا هو المشهد الذي التقطه تلسكوب هابل الفضائي موجّهًا كاميراته نحو الجسم المعروف بالاسم الفهرس SR 12 c. هذا الكوكب المرافق يدور حول نجم شاب ويبعد عنه مسافة كبيرة — أبعد من نبتون عن الشمس. في طيفه، وكأنه قوس قزح ممتد عبر الأطوال الموجية، تظهر حافة مميزة — قفزة بالمر.

الأقزام الحمراء حدادون لا يكلون لمصائر الكواكب. إشعاعها، مثل المطرقة، يطرد الأغلفة الغازية، تاركًا فقط نوى صخرية عارية. في أعماق كوكبة هرقل، حول القزم M الخافت GJ 3929، يدور عالم بحجم 1.5 من حجم الأرض - مثل قطعة شغل على سندان. تمر السنة هنا في 2.6 يوم، ونصف الكرة النهاري يسخن إلى 640 كلفن: يعلم علماء المعادن أن القصدير يذوب عند درجة الحرارة هذه.

قبل ثمانمئة مليون سنة، تحطَّمت محبرة عملاقة في حزام الكويكبات. الجسم الأم الذي يزيد قطره عن مئة كيلومتر، والمكوَّن من كوندريتات كربونية بدائية، انهار فجأة قرب الرنين J3:1 مع المشتري. تناثرت الشظايا الداكنة كالحبر في كل اتجاه — واندفع جزء كبير منها نحو المناطق الداخلية للنظام الشمسي. هكذا بدأ وابل نيازكي ترك بقعاً على وجوه الكواكب.

عندما يلتقط التلسكوب ضوء قزم أبيض بعيد، يصطاد المطياف أحيانًا عناصر ثقيلة - كالسيوم، حديد، مغنيسيوم. هذه الفلزات لا يمكنها البقاء في الغلاف الجوي الرقيق لبقايا النجم؛ إنها أثر لحطام كوكبي سقط حديثًا. التحليل الطيفي للأقزام البيضاء الملوثة يرسم مقابر لأنظمة كواكب خارجية نجت من موت شمسها.

على حافة النظام الشمسي، حيث تكون الشمس بالكاد أكثر سطوعًا من النجوم الأخرى، تدور كتل جليدية — أجرام عابرة لنبتون. مداراتها تشبه أطواقًا نثرها شخص ما. لكن تأمل عن كثب: اثنا عشر من هذه الأطواق لا تتأرجح في الفراغ فحسب. بل اصطفت في مستوى واحد تقريبًا، وكأن راقصًا خفيًا أدارها في رقصة دائرية واحدة. هذه الرقصة ليست مصادفة.

الجرد الكوني أظهر خللًا. المحاسب يحاول موازنة الدفاتر: في عمود نجد جميع الكواكب التي عدّها الفلكيون في المجرة، وفي العمود الآخر نجد مخزون مواد البناء في الشرانق الغبارية للنجوم حديثة الولادة. الأرقام لا تتطابق. حتى لو جمعنا كل الغبار حتى آخر ذرة وشكلنا منه كواكب، لن تكفي المواد.

يتسلل ضوء نجم بعيد عبر الغلاف الغازي لكوكب، ويحاول علماء الفلك تخمين مم يتكوّن هذا الغلاف. هكذا تُدرس أغلفة عوالم لا يمكن لمسها. عندما يمر الكوكب أمام قرص نجمه، يعترض حجابه الغازي جزءًا من الأشعة للحظات. وفي ذلك الضوء، تبقى بصمات الذرات والجزيئات كظلال صغيرة — لكل منها نمط فريد.

وجّه علماء الفلك تلسكوب JWST نحو كوكب قرب النجم إبسيلون إندي — كرة غازية عملاقة تشبه المشتري، تبعد عنا 12 سنة ضوئية فقط. في الصور الحرارية، كان الكوكب يتوهج كالفانوس. لكن رُصِدت بجانبه نقطة خافتة — كاليراعة. أظهرت الحسابات أن نموذج الجسمين يفسّر الصورة بشكل أفضل من نموذج الجسم الواحد. مع أن الأرجح أنه انعكاس في العدسة — كوهم المصباح.

عندما يدور ثقبان أسودان فائقا الكتلة حول بعضهما قبل الاندماج، فإنهما يهزان نسيج الفضاء نفسه — مثل قارب يجري في بحيرة تاركًا وراءه أمواجًا. تُسمى هذه الموجات بالثقالية. إنها تعبر الكون وتخترق كل شيء، حتى الأرض. لكن رصدها مباشرة صعب: نحتاج منشآت عملاقة مثل LIGO، التي تلتقط فقط دفقات قصيرة من ثقوب سوداء صغيرة.

كل 1151 عامًا، تجد سبعة كواكب في النظام الشمسي — من عطارد إلى نبتون — نفسها في نفس النقاط تقريبًا في مداراتها. لا يتجاوز تباين مواقعها درجة واحدة، وكأن آلية سماوية تُضبط على نفس النغمة. اكتُشف هذا الإيقاع بمقارنة مواقع الكواكب على مدى 2600 عام باستخدام جداول دقيقة لحركة الأجرام السماوية. 1151 عامًا هي المدة التي يعود فيها كوكب الزهرة إلى مكانه السابق في السماء.

فوق قطبي المشتري تشتعل الشفق القطبي — حيث تتسارع الإلكترونات بفعل الحقول الكهربائية وتصطدم بالطبقات العليا من الغلاف الجوي، مما يجعل الغاز يتوهج. لكن ليست كل الإلكترونات تتجه نحو الأسفل. فقد تبين أن بعضها يتلقى دفعة في الاتجاه المعاكس — بعيدًا عن الكوكب، إلى أعماق الفضاء.

حول النجم إبسيلون إندي، الذي يمكن رؤيته بالعين المجردة من نصف الكرة الجنوبي، يدور كوكب بحجم المشتري. درجة حرارته هناك مثل درجة حرارة مجمد جيد: ناقص 200 درجة مئوية. تلسكوب جيمس ويب التقط صورته المباشرة لأول مرة وقاس الضوء الذي يصدره الكوكب في النطاق الحراري. تبين أن ضوء الكوكب عند طول موجة 11.3 ميكرومتر أكثر سطوعاً بشكل ملحوظ منه عند 10.6 ميكرومتر.

النجم GJ 504 — شبه توأم لشمسنا الشمس من حيث العمر — يُظهر دورانًا سريعًا بشكل غير عادي: فهو يُكمل دورة كاملة خلال 3.4 يوم أرضي فقط، مع إصدار نشط للأشعة السينية. للمقارنة: النجوم النموذجية في عمر الشمس تدور ببطء أكبر بكثير، وكأنها فقدت طاقتها السابقة. أما GJ 504 فيتصرف مثل متزلج فني تلقى دفعة قوية وانطلق في دوران سريع. الحل جاء من المحاكاة الحاسوبية.

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.

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.

مدار الكوكب هو مساره حول نجمه. إذا كان المسار دائرياً تماماً، يكون الكوكب دائماً على نفس المسافة من النجم. لكن مدارات العديد من الكواكب مستطيلة قليلاً، مثل مضمار الجري في الملعب. درس علماء الفلك مئات الكواكب العملاقة حول نجوم أخرى ووجدوا نمطاً مثيراً للاهتمام. الكواكب الأكثر ضخامة - تلك التي تزيد كتلتها عن كتلة المشتري بعدة مرات - تتحرك غالباً في مدارات مستطيلة قليلاً.

المشتري كرة غازية هائلة تبعد عن الشمس خمسة أضعاف بعد الأرض عنها. والآن، تخيل كرة مماثلة حول نجم آخر، على مسافة أكبر بعشرات المرات. هذه الكواكب تُعرف باسم "المشتريات الباردة"، وما زالت لغزًا: كيف وصلت إلى هناك؟ درس علماء الفلك أربعة من هذه الكواكب حول نجوم بعيدة.

على بعد 350 سنة ضوئية منا، تدور أربعة كواكب حول النجم V1298 Tau. إنها أكبر من الأرض بـ5–10 مرات، لكنها أخف مما تبدو عليه. تسع سنوات من المراقبة الدقيقة لحركتها مكنت العلماء من فهم مكوناتها وتاريخها. الكواكب مصطفة في سلسلة: نسب مداراتها إلى بعضها هي تقريبًا 3:2، 2:1، 3:1.

اكتشف علماء الفلك زوجًا قريبًا من النجوم، تزداد رقصته المدارية تسارعًا عامًا بعد عام. هذان قزمان أبيضان — بقايا نجوم فائقة الكثافة وباردة، بحجم الأرض تقريبًا، حيث انضغطت المادة إلى حالة منحلة. الأكثر كتلةً منهما يسحب الهيليوم من جاره، ملفًّا المادة المسروقة في قرص تراكمي متوهج — أشبه بوشاح نجمي يحيط بالمفترس.

باستخدام تلسكوب كيك وطريقة التحليل الطيفي (تحليل الضوء الذي يكشف سرعة الدوران)، قاس علماء الفلك 32 جرمًا: من الكواكب العملاقة إلى الأقزام البنية — أجرام أثقل من الكواكب لكنها أخف من النجوم ولم تشتعل. الكواكب العملاقة تدور تقريبًا عند حد التمزق: شرنقتها الغازية عند ولادتها بالكاد كانت تبطئها، مثل الثلج تحت دوّامة.

نجم يبعد 300 سنة ضوئية يرقص مع رفيق غير مرئي. أحد جانبي النجم يسخن أكثر من الآخر، وكأن الراقص غير المرئي ينفخ عليه ريحًا ساخنة. هذا الرفيق هو نجم نيوتروني — رماد بحجم مدينة من الكثافة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته تفوق وزن جبل إيفرست.

في الظلام البارد للفضاء بين النجوم، تنجرف ملايين الكواكب الخارجية المارقة — عوالم غير مرتبطة جاذبيًا بأي نجم. يكاد يكون اكتشافها مباشرة مستحيلًا: فهي لا تصدر ضوءًا خاصًا بها ولا تضيئها شمس أم. ومع ذلك، عندما يمر مثل هذا المتجول أمام نجم خلفي بعيد، فإن مجاله الجاذبي يحني مسار أشعة النجم، ليعمل كعدسة كونية.

بالاشتراك مع نجم عادي، عثر علماء الفلك على وزن ثقيل حقيقي — نجم نيوتروني كتلته 2.35 كتلة شمسية. وهذا أكثر من أي نجم آخر له قياسات دقيقة. تولد هذه الأجرام عندما ينفجر نجم على هيئة مستعر أعظم، وينضغط قلبه إلى كرة بحجم مدينة.

يمكن للقمر أن يكون له قمر صغير خاص به — مثل الدمى المتداخلة، لكن في الفضاء. الدمية الخارجية هي الكوكب، والوسطى هي القمر، والداخلية هي قمر صغير تابع، أو قمر فرعي. نيوتن بيّن أن جميع الأجسام تتجاذب، والجاذبية تجمعها معًا. لكن الجاذبية ليست متساوية: فهي أقوى على الجانب القريب من القمر التابع مقارنة بالجانب البعيد.

رياح تهب عكس دوران الكوكب تنفخ مسبك الكربون. هكذا يبدو الغلاف الجوي للجسم PSR J2322-2650b، وهو رفيق شبيه بالمشتري لنجم نابض ميلي ثانية. في مساءين من نوفمبر 2024، راقب تلسكوب جيمس ويب الفضائي هذا النظام، ملتقطًا طيفًا في المدى من 0.6 إلى 5.3 ميكرومتر. ظهرت في البيانات نطاقات امتصاص واضحة أمكن نسبتها إلى جزيئات C3 وC2.

لطالما أثارت الكواكب الثلاثة في نظام Kepler-51 فضول الفلكيين: فهي تشبه زحل في الحجم، لكن كثافتها أقل من كثافة الماء. هذه العوالم «فائقة الانتفاخ»، التي لا تتجاوز كتلتها عشرة أضعاف كتلة الأرض، أشبه ببذور الهندباء الكونية - ضخمة لكنها تكاد تكون عديمة الوزن. مداراتها منتظمة كعازفين في أوركسترا، كل منهم يؤدي دوره، ويقرع الإيقاع بالعبورات.