انتقال الكتلة

النجم النيوتروني هو بقايا مضغوطة لنجم ضخم بعد انفجار مستعر أعظم. المادة فيه مضغوطة إلى الكثافة النووية: ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن مثل جبل. في هذه الظروف القصوى، تكون البروتونات والنيوترونات متراصة، وتحت ضغط هائل قد تولد هيبرونات — وهي باريونات تحتوي على كوارك غريب.

يدور نجمان حول مركز كتلة مشترك، مثل راقصين يقتربان تارة ويتباعدان تارة أخرى. مع مرور الوقت، ينتفخ أحدهما، وتنتقل طبقاته الخارجية - الغلاف الغازي المخلخل - إلى جاره. النجم الذي يستقبل المادة الغريبة لا يمكن تمييزه ظاهريًا عن النجم المنفرد: لا من حيث لمعانه ولا كتلته يمكن التعرف مباشرة على طبيعته الثنائية. ومع ذلك، فإن سطحه يحتفظ بذاكرة الغاز المنقول.

بالون يهرب منه الهواء على دفعات متقطعة، فيندفع في أرجاء الغرفة — النفاثة تضرب تارة في اتجاه وتارة في آخر. هكذا يتصرف نجم يحتضر عندما يطرح غلافه المتضخم. لكن بدل الهواء، هناك غاز شديد الحرارة، وبدل البالون، هناك قزم أبيض مستقبلي (بقايا نجم كثيفة بحجم الأرض، حيث المادة مضغوطة إلى كثافات قصوى). أظهرت ملاحظات حديثة أن الأقزام البيضاء تتلقى ركلة تبلغ حوالي كيلومتر واحد في الثانية.

حول نجمٍ بدأ للتو في الاشتعال، يدور دوام من الغبار والغاز. هذا الدوام — القرص الكوكبي الأولي (protoplanetary disk) — ينمو بامتصاص المادة من السحابة المحيطة. ولكن كيف تسقط هذه المادة بالضبط: هل تتدفق بالتساوي على طول "الحواف" أم تندفع في تيارات كثيفة منفصلة؟ درس علماء الفيزياء الفلكية تسعة أنظمة نجمية باستخدام محاكاة ثلاثية الأبعاد على حاسوب فائق.

في أعماق السحب الجزيئية تختبئ مضخمات طبيعية — مازرات كونية. تعمل مثل الليزر، لكن في نطاق الراديو: جزيئات مثارة تبعث معًا موجات بنفس التردد، منتجة شعاعًا ساطعًا. المشكلة أن هذه الجزيئات غالبًا ما تملك عدة مسارات لتفريغ الطاقة. أحدها يؤدي إلى التضخيم، والآخر — مثل ثقب في دلو — يفرغ المخزون بسرعة دون فائدة. كان يبدو أن التسرب السريع يجب أن يفرغ المستوى العلوي ويطفئ المازر. لكن الحياة أعقد من ذلك.

قرص غازي بوزن أربعمائة ألف شمس يحيط بـ الثقب الأسود فائق الكتلة في مركز درب التبانة. يعمل جاذبيته كدفة ثقالية: يدير مدارات النجوم الثنائية ببطء ولكن بحتمية، دافعاً إياها إلى المنطقة حيث القوى المديّة تمزق الزوجين.

يحتاج الزوج النجمي J05+50 إلى شهرين تقريبًا لإكمال دورة واحدة حول المركز المشترك. من الأرض، يظهر كنقطة خافتة في كوكبة هرقل — على بعد 4625 فرسخًا فلكيًا منا. فوتومتري (photometry) من نجم ثنائي (binary star) يسجل فقط تذبذبًا منتظمًا في السطوع، مثل نبض قلب عملاق.

متزلجان على بحيرة متجمدة حتى الأفق. إنهما بعيدان جدًا لدرجة أن صورتيهما الظليتين تحولتا إلى نقطتين، وجاذبيتهما المتبادلة تكاد تكون مفهومًا لاهوتيًا. وفق تعاليم نيوتن، ينبغي أن يدورا في رقصة فالس بطيئة تخيلية. لكن التلسكوبات ترى شيئًا مختلفًا. الأزواج تدور أسرع، وكأن الجليد نفسه يتنفس تحتهما، مانحًا تسارعًا لا ينبغي أن يكون هناك.

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.

في مركز درب التبانة، حيث يهيمن الثقب الأسود فائق الكتلة الرامي A* بلا منازع (والذي حُسبت مقياسيته لأول مرة بواسطة كارل شفارتسشيلد)، يخوض النجم S4714 رحلة مذهلة.

اقترب كوكب بحجم نبتون كثيرًا من نجمه. يبدأ النجم في جذب الطبقات العليا من الكوكب نحو نفسه، ويتدفق الغاز منه مثل الماء من دلو ممتلئ. تُعرف هذه العملية باسم التدفق عبر فص روش (Roche lobe)، وهو الحد الذي يمكن للنجم بعده أن يمزق المادة من الكوكب. اتضح أن ضخ الغاز هذا لا يدمر الكوكب فحسب، تاركًا نواة كثيفة، بل يعمل أيضًا كمثبت ضخم.

حجران يسقطان في بركة. من كل منهما تنتشر دوائر، لكن عندما يصطدمان ينشأ دفقة وضربة رنانة قصيرة. هكذا تقريبًا يبدو اندماج نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. فقط «البركة» هنا هي الزمكان نفسه، و«الرنين» هو الموجات الثقالية التي تلتقطها كاشفات عملاقة على الأرض. هذا الرنين ليس عشوائيًا.

تخيل لاعباً يمشي على حبلٍ مشدودٍ فوق هاوية. كل خطوةٍ تُغير شد الحبل، وأي انزياحٍ طفيفٍ لمركز الثقل قد يكون قاتلاً. هكذا تقريباً تبدو رقصة نجمٍ شبيهٍ بالشمس حول ثقبٍ أسود تبلغ كتلته عشر كتلٍ شمسية، إذا كان المدار شديد الاستطالة. في الحضيض - نقطة الاقتراب الأقصى - تحاول القوى المدية تمزيق النجم، ويتقرر مصير النظام كله بتوازنٍ بديعٍ لنصفي قطر: نصف القطر المدي وتجويف روش.

تلتقط الكواشف «التموجات» الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية - وكأنها صدى المطبخ حيث أُعد الطبق الكوني. يحاول علماء الفلك استعادة الوصفة: كيف تحول نجمان ضخمان إلى زوج غريب واصطدما.

متزلجان فنيان يدوران على الجليد. أحدهما خفيف وحذر، لا يكاد يدور. والآخر ضخم وسريع، يدور بكل قوته، بل وفي اتجاهات مختلفة. هذا تقريبًا هو المشهد الذي رسمته الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء. حلل العلماء بيانات الكتالوج الرابع لمرصدي LIGO–Virgo–KAGRA ووجدوا أن سرعة دوران الثقوب السوداء في الزوج تعتمد بشدة على كتلتها.

في الفضاء، كثيرًا ما توجد أزواج من الثقوب السوداء المندمجة، يكون فيها أحد الثقبين أكبر كتلةً من الآخر بشكل ملحوظ. هذا الاختلاف في الوزن ليس مجرد رقم، بل هو مفتاح لتاريخهما المشترك. درس علماء الفيزياء الفلكية قناة النقل المستقر للكتلة — وهي عملية ينتقل فيها المادة من نجم إلى آخر بسلاسة دون تدمير النظام. بنوا نموذجًا رياضيًا يربط بين لحظتين رئيسيتين: مدى استقرارية النقل، ومدى كفاءة النجم المجاور في التقاط هذه المادة.

المنارة تومض بدقة مرة كل ثانية. إذا كانت تتحرك في مدار دائري، فإن ومضاتها تصل إما أبكر قليلًا أو متأخرة قليلًا — مما يكشف عن رفيق غير مرئي. هكذا كشف علماء الفلك عن الرفيق الخفي للنجم IY Lyrae. IY Lyrae هو نجم متغير نابض في القرص السميك للمجرة. يتغير لمعانه بفترة تبلغ حوالي نصف يوم: يتمدد النجم وينكمش بإيقاع منتظم. لكن ظهرت خلل في هذا الإيقاع.

ثقبان أسودان الثقبان الأسودان — جسمان فائقا الكتلة، لا تطلق جاذبيتهما الجاذبية حتى الضوء — عندما يدوران حول بعضهما، يتصرفان كقارب يجدف بالنجوم. كل نجم يمرّ بالقرب منهما، يلتقطه جاذبية الثنائي، يُقذف بعيدًا كما لو كان ضربة مجذاف، وينقل إلى النظام دفعة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذه العملية ببساطة تقرّب الثقبين الأسودين، مما يقلل نصف قطر مدارهما.

جلب الحصاد الجديد لموجات الجاذبية لغزًا. رصدت كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA عشرات الإشارات من اندماج ثقوب سوداء، وعلى الرسم البياني لكتلها تظهر فجوة واضحة: لا توجد تقريبًا أجسام أثقل من 45 كتلة شمسية، وما يوجد منها يدور بسرعة مريبة. يقول البعض إن النجوم العملاقة تنفجر بشكل «نظيف» للغاية، فلا تترك خلفها شيئًا.

على النجم النيوتروني — وهو البقايا فائقة الكثافة لنجم منفجر — يسقط الغاز. يتراكم هذا الغاز عند القطبين المغناطيسيين مكوّناً جبلاً. لكن الجبل على النجم النيوتروني لا يشبه الجبال الأرضية: فهو لا يُثبَّت بالصخر، بل بخطوط المجال المغناطيسي، مثل برادة الحديد على مغناطيس. عندما يزداد الغاز أكثر من اللازم، يبدأ الجبل في الانهيار.

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).

تشبه الأنظمة الكوكبية الفتية أوركسترا بدأت للتو بروفتها: يحاول جميع الموسيقيين العزف على إيقاع واحد. لاحظ علماء الفلك، وهم يراقبونها عبر تلسكوب TESS، أن الكواكب حول النجوم الفتية تتحرك غالباً بشكل متزامن — مداراتها مرتبة بحيث يقابل كل دورتين لكوكب واحد دورة واحدة بالضبط لكوكب آخر. لكن عند عمر مائة مليون سنة، ينهار هذا التناغم، وتبدأ المدارات تشبه التنافر بعد انقطاع طويل عن البروفات.

جمرتان خافتان تدوران في الظلام على مقربة شديدة لدرجة أن إحداهما تبدأ باقتلاع قطع ملتهبة من الأخرى. هكذا يبدو النظام ZTF J1239+8347، الذي رصده تلسكوب Zwicky Transient Facility. إنهما قزمان بنيان (brown dwarfs) — جسمان أثقل من الكواكب، لكنهما أخف من أن يشعلا نار الاندماج النووي كما تفعل الشمس. أحدهما، وكأنه جار جائع، يسحب المادة من الآخر، ويسقط هذا التدفق عليه بسرعة هائلة.

قطعة سكر موضوعة على صحن بجانب كوب شاي ساخن. إذا أسقطتها في الشاي، ستذوب خلال دقائق. لكن إذا أنزلتها ببطء، يذوب السكر تدريجيًا، معطيًا حلاوته للمشروب. شيء مشابه يحدث في زوجين نجميين اكتُشفا مؤخرًا، لكن بدل السكر — قزم بني، وبدل الشاي — نجم. القزم البني هو جسم لم يستطع أن يصبح نجمًا مكتملًا: لم تكن كتلته كافية لإشعال تفاعلات الاندماج النووي في نواته.

نجمان خافتان يدوران في مدار متقارب لدرجة أن أحدهما يسحب المادة من الآخر، مثل ملعقة تزيل الرغوة بحذر من مرق. لأول مرة، حسب علماء الفلك مصير مثل هذه الأزواج — الأقزام فائقة البرودة والأقزام البنية، أبرد وأخفت سكان المجرة. كان يُعتقد سابقًا أن تبادل الكتلة بينها مستحيل: فهي هشة للغاية.

في ليلة على طريق صحراوي، يضيء المصباح نادرًا، لكنه فورًا بكامل قوته. هكذا تتصرف النجوم من نوع WZ Sge: تظل خافتة بالكاد لسنوات، ثم تتوهج دفعة واحدة بمئات المرات أكثر سطوعًا. قرر علماء الفلك التحقق مما يحدث في أقراصها الغازية خلال الفترات الهادئة — فوجدوا فيها فراغًا تقريبًا. القرص حول مثل هذا النجم يشبه سحابة رقيقة جدًا: إنه شفاف للضوء مثل زجاج النافذة.

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.

على مدى 39 عامًا، سجّل علماء الفلك كيف يشتعل نجم "BE Lyn" ويخفت. ضوءه ينبض بإيقاع يستغرق بضع ساعات، مثل منارة تومض دون توقف. لكن في هذا الإيقاع وُجد خلل: أحيانًا كانت الومضات تأتي أبكر قليلًا، وأحيانًا متأخرة قليلًا. كان النجم يقترب من الأرض تارة ويبتعد تارة أخرى، وكأن شيئًا ما يسحبه في مدار دائري. اتضح أن "BE Lyn" ليس وحيدًا. يدور حوله رفيق غير مرئي، ومدار هذا الزوج ممتد إلى أقصى حد.

في العنقود النجمي، كما في حلبة رقص مزدحمة، نادرًا ما تبقى النجوم الضخمة بمفردها. في أغلب الأحيان، تدور في أزواج أو ثلاثيات، وقد تكون المسافة بينها أقل من المسافة بين الأرض والشمس. ولكن كيف تتمكن من الالتصاق ببعضها البعض بهذا الشكل؟ أظهرت المحاكاة أن السر يكمن في القرص المكون من الغاز والغبار الذي يحيط بالزوج. هذا القرص، مثل قمع في حوض، يدوّر النجوم ويسحبها ببطء إلى الداخل.

النجم الثنائي الفتي IRS 44 في كوكبة الحواء يشبه مطبخًا مزدحمًا: تيارات الغاز، مثل خيوط العجين، تسقط على القرص الدوار، وعند نقطة الاصطدام يولد الحرارة. رصدات جديدة عالية الدقة أظهرت لأول مرة أن هذه الاصطدامات هي سبب التوهج غير المعتاد لجزيئات الكبريت. وجّه علماء الفلك مصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية/تحت المليمترية (ALMA) نحو النظام ورصدوا نجمين: IRS 44 A وIRS 44 B. حول النجم الثاني، يسقط الغاز بسرعة أكبر.

نجمان يدوران في رقصة حميمة. أحدهما نجم نيوتروني، كرة فائقة الكثافة بحجم مدينة، لكن كتلتها تعادل كتلة الشمس ونصف. والآخر نجم عادي يتمدد ويفيض بمواده على جاره. أحيانًا يكون هذا الفيضان سريعًا جدًا، فيغلف النجمين غلاف غازي مشترك - مثل ملعقتين في قدر واحد من الحساء المغلي. النجم النيوتروني هو ما يتبقى بعد انفجار مستعر أعظم.

ومضات أشعة غاما القصيرة هي انفجارات هائلة، تطلق في أجزاء من الثانية طاقة تعادل ما تشعه شمسنا خلال مليارات السنين. تقليديًا، يُعتقد أن مصدرها ثقب أسود مع قرص تراكمي من البلازما شديدة الحرارة، يتشكل عند اندماج نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة.