نجم ضخم

تشبه النجوم الأكثر ضخامة بالونات منفوخة بإفراط: فغلافها لم يعد يتمدد، بل بدلاً من ذلك يبدأ في إطلاق المادة بسرعة. وفي مرحلة معينة، يصبح فقدان الكتلة شديداً لدرجة أن النجم يتوقف عن الازدياد في الحجم. ويرى علماء الفلك هذه اللحظة كانكسار في الرسم البياني حيث تُصنف النجوم حسب سطوعها ودرجة حرارتها. ويُسمى هذا الانكسار حد همفري-ديفيدسون. وطوال عقود ظل هذا الحد مستعصياً على التفسير.

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.

في هدوء السحب الجزيئية الباردة، حيث الغاز بين النجمي ينضغط بفعل الجاذبية إلى تكتلات كثيفة، تُعد ولادة النجوم الضخمة واحدة من أكبر ألغاز الفيزياء الفلكية. قد يبدو أن الإشعاع القوي للعملاق حديث الولادة من شأنه أن يبدد المادة المحيطة، موقفًا نموه.

في المهد الكوني العملاق — سديم الرتيلاء — تفحّص علماء الفلك 122 نجمًا ضخمًا، كلٌّ منها أثقل من الشمس بـ30 مرة أو أكثر. قاسوا محتوى النيتروجين في أغلفتها الجوية، فكانت الصورة مفاجئة. جميع النجوم التي تزيد كتلتها عن مئة كتلة شمسية تقريبًا أصبحت «أبطالًا في النيتروجين»: مستوى هذا العنصر فيها تجاوز توقعات النماذج القياسية بنسبة تتراوح بين 5 و10 أضعاف.

لطالما أثارت الشمس حيرة علماء الفيزياء الفلكية. ففي غلافها الجوي، كانت العناصر المقاومة للصهر — مثل البهارات في وصفة أساسية — أقل قليلاً مما هي عليه في النجوم التوأم المتطابقة تقريبًا.

النجوم الضخمة هي عمالقة كونية، تعيش حياتها تحت لواء طاقة لا تُقهر. عندما يدخل مثل هذا النجم مرحلة نجم B[e] فائق العملقة، يصبح إشعاعه قويًا لدرجة أنه يبدو قادرًا على تفكيك أي جزيء إلى ذرات. الخطوط الطيفية، التي نظمها ذات يوم يوهان بالمر، تتوهج هنا بشراسة خاصة. لكن الطبيعة، مثل نحات متقلب المزاج، تمسك بيدها ليس مطرقة بل منحتًا فوق بنفسجي — وبدلاً من الفوضى تخلق أشكالاً رشيقة.

نموذج النموذج الكوني القياسي ΛCDM، حيث تلعب المادة المظلمة والطاقة المظلمة دور المهندسين الرئيسيين للكون، ظل لعقود يتنبأ بالبيانات الفلكية بدقة الساعات السويسرية. أسس هذا النموذج ثلاثة عباقرة. افترض جورج لومتر توسعاً من 'ذرة' فائقة الكثافة.

تشبه ولادة الكواكب عمل ورشة كونية. تتصطدم الكتل الصخرية وتنصهر معًا. ينتج عن الاصطدام القوي شرارة — تسخن المادة حتى تصبح بيضاء وتتوهج مثل المعدن الذي يبرد. أظهرت الحسابات الحاسوبية أن الوميض يمكن رؤيته من بضعة أيام إلى عدة سنوات، ويصل في ذروته إلى عُشر ضوء الشمس. تستطيع التلسكوبات الحديثة التي تراقب ملايين النجوم التقاطه.

المجرة NGC 1277 تشبه كتابًا قديمًا لم يفتحه أحد لمليارات السنين. لقد تشكلت بسرعة، في فجر الكون، ومنذ ذلك الحين لم تتغير تقريبًا — لم تصطدم بجيرانها، ولم تضف طبقات جديدة. يطلق علماء الفلك على مثل هذه الأنظمة اسم «الأثرية»: فهي تحفظ التركيب الكيميائي للنجوم الأولى، كما يحفظ الكهرمان الحشرات في عصور ما قبل التاريخ.

في أطراف النظام الشمسي تختبئ آلاف الأجسام المماثلة في الحجم لـكوكب خارجي — جسم كتلة كوكبية غير مرتبط بنجمنا. مداراتها فوضوية، ومن وقت لآخر يتقاطع مسار مثل هذا الرحّالة مع مسار الأرض. الاصطدام المباشر ليس التهديد الوحيد: حتى الاقتراب القريب يمكن أن يسبب كارثة بمقياس كوكبي.

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.

في الأوركسترا، يعزف كل موسيقي دوره الخاص، لكن في لحظة معينة تتجمد جميع الآلات على نغمة واحدة. هذا تقريبًا ما تفعله الأشعة الكونية — الجسيمات التي تصل إلينا من نجوم بعيدة.

تأتي الثقوب السوداء في نوعين: صغيرة — بقايا انفجارات المستعرات العظمى، وعملاقة في نوى المجرات. ولكن أين اختفت المتوسطة، التي تبلغ مئات وآلاف المرات كتلة الشمس؟ ربما يكمن الجواب في تجمعات نجمية، حيث تتصادم الثقوب السوداء مثل كرات على طاولة البلياردو، وتنمو بالاندماج.

مصباحان في واجهة عرض: أحدهما يضيء بضوء مزرق بارد، والآخر أكثر دفئًا وأصفر قليلًا. هكذا تقريبًا يبدو النوعان من المستعرات العظمى — Ib وIc — عندما ينظر إليهما علماء الفلك عبر التلسكوب. كلاهما يندلع في نهاية حياة نجم ضخم نجح في نزع غلافه الهيدروجيني، مثلما تفقد زهرة الهندباء زغبها. لكن أحدهما يحتفظ بقليل من الهيليوم، بينما الآخر لا يحتفظ تقريبًا بأي شيء.

النجوم التي تفوق كتلة شمسنا بعشرات المرات لا تموت كما كنا نعتقد سابقًا. فقد أظهرت النمذجة الحاسوبية أن نواها غالبًا لا تنفجر على هيئة مستعر أعظم، بل تنهار سريعًا إلى ثقب أسود. الأمر أشبه بكعكة ينهار وسطها فجأة، فتنسحب معظم العجينة إلى الداخل كما لو كانت في قمع، ولا تتطاير إلا بضع قطرات إلى الخارج. وهذا حال النجم أيضًا: معظم المادة تسقط فيه، ولا تتناثر.

في بدايات الكون، كانت التجمعات النجمية كثيفة لدرجة أنها ولّدت عمالقة بحجم النظام الشمسي. لو وُضع أحد هؤلاء العمالقة مكان الشمس، لامتد طرفه حتى المشتري. كانت هذه النجوم تبتلع أحياناً ثقوباً سوداء صغيرة. يهوي الثقب إلى الأعماق ويبدأ في النمو، محولاً النجم إلى وهج شبح – شبه نجم.

سافر إلينا ضوء مجرتين، التقطه تلسكوب جيمس ويب، لمدة 13 مليار سنة، بدءاً من 600 مليون سنة بعد الانفجار العظيم. وعندما حلّل علماء الفلك هذا الضوء إلى ألوانه (التحليل الطيفي)، لم يروا مجرد مجرات بعيدة، بل منارات ضوئية حقيقية: تشتعل فيها نجوم عملاقة. اتضح أن هناك نجومًا ثقيلة الوزن هائجة، تفوق كتلة الشمس بـ 200–300 مرة.

في قاعة مظلمة شاسعة، هناك من يعزف على أوتار غير مرئية. الغاز الكوني — الهيدروجين المخلخل الذي ملأ الكون الفتيّ — يشبه أوتارًا مشدودة يمكن أن تصدر صوتًا على موجة راديوية طولها 21 سنتيمترًا. هذا هو الهيدروجين يهمس عن درجة حرارته. ولكن عبر هذا الغاز تندفع كتل مظلمة ضخمة من المادة المظلمة، التي لا يراها أحد لكن الجميع يشعر بها من ثقلها.

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.

الطباخ يضيف مزيدًا من السكر إلى العجين، فتختلف النتيجة. وكذلك النجم: فتركيب «عجينته» — سحابة الغاز والغبار التي تولد منها الكواكب — يحدد أي العوالم ستظهر حوله. لاحظ علماء الفلك أنه إذا كان الكربون في النجم أكثر بكثير من الأكسجين، فإن كواكبه العملاقة تدور في الغالب على مسافات كبيرة، مثل الكواكب الخارجية البطيئة كالمشتري لدينا.

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.

ضوء النجم الزائف البعيد — وهو نواة مجرة شديدة السطوع — يمر بجوار مجرة ضخمة وينحني، مثل شعاع مصباح يدوي عبر زجاج غير مستو. إذا كانت العدسة والمصدر في محاذاة شبه مثالية، فإننا لا نرى نجمًا زائفًا واحدًا بل عدة نسخ منه. وقد عثر علماء الفلك على أصغر نظام من هذا القبيل: نصف قطره 0.2 ثانية قوسية فقط — وهذا مثل تمييز عملة معدنية من مسافة 200 كيلومتر.

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.

في أعماق نجم ضخم قبل انفجاره، تتوزع الطبقات فوق بعضها مثل طبقات البصلة. أحيانًا تختلط طبقتان متجاورتان — طبقة الكربون وطبقة الأكسجين. يشبه ذلك اختلاط طبقات المرق والخضار في قدر الحساء إذا حرّكتها بملعقة. هذا الاختلاط يغيّر العناصر الكيميائية التي سيقذفها النجم إلى الفضاء عند الانفجار.

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.

كانت الأرض في شبابها تشبه خلية نحل: كانت تنمو بالتصاق عدد لا يحصى من الكتل الصخرية. وعندما انتهى البناء الأساسي، تعرض الكوكب الفتي لسرب نيزكي متأخر — ما يُسمى بالكسوة المتأخرة. هذه الاصطدامات، كما ظن العلماء، جلبت إلى الطبقات العليا من الأرض البلاتين والذهب ومعادن نادرة أخرى. وفائضها في الوشاح ظل لفترة طويلة دليلاً: ها هي آثار الزوار الكونيين. لكن دراسة جديدة تقلب هذه الصورة.

في السماء الجنوبية يلمع نجم أكروكس (Acrux) بسطوع — وهو أدنى نقطة في كوكبة الصليب الجنوبي. هذا ليس نجمًا واحدًا، بل عائلة كاملة. أظهرت ملاحظات جديدة أنه لا يوجد فيه خمسة، بل سبعة نجوم مرتبطة بالجاذبية، مثل أطفال يمسكون بأيدي بعضهم في رقصة دائرية. في السابق، عرف علماء الفلك أن في مركز النظام يوجد نجمان لامعان — ألفا-1 وألفا-2، وحولهما تدور ثلاثة نجوم أخرى أخفت.

ضوء كل نجم هو جواز سفره الفريد، لكن السجلات فيه مكتوبة بلغة الأطياف والألوان. بالنسبة للعمالقة القدامى، تكاد هذه الوثائق أن تكون متطابقة: فأطيافها تتداخل مع بعضها البعض، وكان فك رموز التفاصيل يدويًا شبه مستحيل. التقط تلسكوب Gaia الفضائي، المزوّد بقياسات ضوئية عالية الدقة فوتومتري — قياس سطوع النجوم وألوانها، ملايين من هذه البصمات الضوئية.

الثقوب السوداء التي تزيد كتلتها عن تريليون كتلة شمسية تتصرف مثل مظلات كونية عملاقة. فهي تلقي بظلها على التوهج الخافت للانفجار العظيم الانفجار العظيم — وهو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، الضوء القديم الذي يملأ السماء بالتساوي.

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.

تحدث على الشمس من وقت لآخر توهجات (flares) — وهي انبعاثات طاقة قوية تستمر من دقائق إلى ساعات. معظمها عشوائي، مثل قطرات المطر التي تضرب السقف. لكن في بعض الأحيان، يبدو أن توهجًا يُشعل توهجًا آخر: يبدأ الثاني بعد الأول مباشرة تقريبًا، رغم أنهما في مكانين مختلفين. يطلق علماء الفلك على هذا اسم التوهجات المتعاطفة (sympathetic flares). لفترة طويلة، لوحظت هذه التوهجات المزدوجة على الشمس فقط.

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.

نجم تبلغ كتلته تسعة أضعاف كتلة الشمس يُشعل حوله منطقة يمكن أن تتجمع فيها مياه سائلة على كوكب. لكن هذه المنطقة — مثل شريط ضيق من الشاطئ عند انحسار المد: بعد 30 مليون سنة ستختفي. هذه النجوم تعيش مشرقة وتموت شابة، ولا تترك للحياة وقتًا لرحلة طويلة من الميكروبات إلى كائنات معقدة. تتبع علماء الفلك مصير الكواكب الشبيهة بالأرض حول نجوم ذات كتل مختلفة — من نجوم خفيفة مثل شمسنا إلى عمالقة أثقل بـ120 مرة.

اشتعلت المجرة CEERS2-588 مثل نار أُلقي فيها حطب كثير دفعة واحدة. فبعد 400 مليون سنة من الانفجار العظيم، كانت قد جمعت كتلة تعادل مليار شمس وأضاءت عددًا كبيرًا من النجوم. ولكن بعد ذلك نفد الوقود — وخلال آخر 10 ملايين سنة، توقف تكوين النجوم فيها تقريبًا تمامًا. قفزة بالمر هي انقطاع حاد في طيف المجرة يدل على عدم وجود نجوم جديدة ساخنة.

يدور نجمان حول بعضهما البعض مثل ثنائي متزلجين على الجليد. كلاهما يشبه الشمس، لكن أحدهما أكثر سطوعًا وقد تمدد، بينما بقي الآخر صغير الحجم. نظر علماء الفلك إلى ضوئهما باستخدام أجهزة المطياف (spectrographs) التي تحلل الضوء إلى ألوانه، واكتشفوا أمرًا غريبًا: أحد النجمين أفقر بوضوح في العناصر الثقيلة من الآخر.

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.

يشبه العملاق الأحمر بالونًا يطلق الهواء ببطء. يتمدد النجم، وتضعف طبقاته الخارجية، وتحمل الرياح النجمية الكتلة إلى الفضاء. لكن ما مقدار ما يفقده النجم بالضبط؟ هذا سؤال مهم: فالإجابة عليه تحدد ما سيكون عليه بقاياه — قزمًا أبيض، أو نجمًا نيوترونيًا، أو ثقبًا أسود. وجد علماء الفلك طريقة لقياس فقدان الكتلة دون متابعة النجم لقرون.

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 عام 2014، رصد علماء الفلك نجماً أصفر ضخماً في مجرة المرأة المسلسلة. بحلول عام 2022، اختفى النجم دون أثر - دون الانفجار المبهر المعتاد لـمستعر أعظم. وكأن الضوء أُطفئ فجأة. اشتبه العلماء في أن نواة النجم انهارت بهدوء إلى ثقب أسود، لكن اللغز لم يُحل إلا بأحدث الأدوات.

بعض النجوم تنطفئ مثل الألعاب النارية المعيبة: فبدلاً من الانفجار المضيء، تظهر سحابة من الدخان. عادةً ما ينهي النجم الضخم حياته بانفجار مستعر أعظم، تاركاً وراءه ثقباً أسوداً. لكن أحياناً لا يحدث انفجار: فالنجم ينضغط مباشرة إلى ثقب أسود، ويكاد لا يُلاحَظ ذلك.