أنظمة الكواكب المتعددة

تعداد سكاني حسب شكل الجسم: هكذا يمكن وصف ما فعله علماء الفلك مع 6348 مجرة ضخمة. بدلاً من الطول والوزن، قاسوا مدى تركيز الضوء نحو المركز، ومدى تفلطح المجرة، ومدى عدم تناظر شكلها. ثم أجروا نفس القياسات على المجرات من ثلاثة نماذج حاسوبية للكون وقارنوا النتائج. كل نموذج يشبه فناناً يرسم صورة شخصية من الذاكرة: يلتقط الملامح العامة لكنه يخلط في التفاصيل.

ألبوم العائلة لهذا الثنائي النجمي ظل يُحدَّث على مدى 45 سنة، لكن الصور كانت ضبابية والتعليقات متناقضة. الآن، أخرج علماء الفلك الصور القديمة، والتقطوا لقطات جديدة واضحة، وأعادوا ترتيب الجميع في أماكنهم الصحيحة. غاما قيفاوس نجم لامع يُرى بالعين المجردة، وله رفيق غير مرئي يدور حوله كل 70 سنة. تبيّن أن الرفيق نجم خفيف كتلته 0.396 من كتلة الشمس، وليس كوكبًا ثقيلًا كما كان يُعتقد سابقًا.

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.

في بيت في شارع مشمس تعيش عائلة كبيرة: أب عملاق يجلس دائمًا عند النافذة، وطفل صغير يركض في الفناء. هكذا يبدو نظام TOI-4468: عملاق غازي مشترٍ حار يلتصق بالنجم، وعلى مسافة أبعد قليلاً يدور كوكب دون نبتوني — كوكب أصغر من نبتون لكنه أكبر من الأرض. عادةً في مثل هذه العائلات، يطرد العملاق جميع الجيران.

نجمان — AF Lep A و ε Indi A — أصبحا محط اهتمام علماء الفلك. باستخدام مطياف GHOST على تلسكوب Gemini، قام العلماء بتحليل ضوئهما إلى ألوانه، ومن خلال خطوط الامتصاص حددوا كميات الكربون والأكسجين والكبريت وثلاثة عشر عنصرًا آخر في أجواء النجمين. هذا يشبه معرفة مكونات الوقود من لون اللهب: كل عنصر يترك بصمة فريدة في الطيف.

تبدو السماء ليلاً ثابتة، لكن المجرات تتبادل المادة باستمرار. درب التبانة، مثل نهر كبير، يستوعب الجداول الأصغر — المجرات القزمة. ومع نجومها قد تصل إلينا كواكب أيضًا.

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.

النجم ليس مجرد شمس بعيدة. إنه مهد للكواكب، يحفظ في ضوئه قصة ولادة النظام بأكمله. التركيب الكيميائي للنجم هو حمضه النووي (DNA). يتأمل علماء الفلك في هذا الحمض النووي لفهم سبب دوران كرات صخرية مثل الأرض حول بعض النجوم، بينما تدور عمالقة غازية حول أخرى. في دراسة جديدة، أخذ العلماء عينة ضخمة — أكثر من 28 ألف نجم — راقبتها تلسكوبات «كيبلر» وLAMOST وGaia.

في نظام نجمي واحد تدور مجموعتان من الكواكب. بعضها يتحرك في مدارات منتظمة، مثل متزلجي الأداء على حلبة التزلج، متجنبًا الاصطدامات. والبعض الآخر يتجمع في حشد، وتتقاطع مساراته، وعاجلًا أم آجلًا يقع حادث كوني — اصطدام عملاق.

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.

بين الكواكب الخارجية المتوهجة التي تدور على مسافة خطيرة من نجومها، يكمن سر النشأة. منذ ما يقرب من ثلاثة عقود، اكتشف ميشيل مايور وديدييه كيلو أول عالم من هذا النوع، ومنذ ذلك الحين يحير علماء الفلك سؤال: كيف ينتهي المطاف بعملاق غازي ملتصقًا بوجه نجمه؟ التكوّن المباشر هناك غير وارد – حرارة شديدة، ومواد…

عندما يحلل تلسكوب JWST ضوء كوكب خارجي بعيد إلى طيف، فهو يقرأ سجلاً كيميائيًا. لكن هذا السجل ليس حقيقة متجانسة، بل هو غلاف جوي تعيد كتابته باستمرار إشعاعات النجم. مهمة الفلكيين هي استعادة الرسالة الجيولوجية الأصلية، والمفتاح لفك الشيفرة هو مركبات الكبريت.

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.

داخل الكواكب والنجوم، في محيطات البلازما الدوارة، تتصادم التدفقات المضطربة وقوى كوريوليس والتوتر المغناطيسي. اللغز الرئيسي هو كيف تتبلور طاقة هذه الفوضى في إطار مغناطيسي مستقر قادر على البقاء لمليارات السنين. لطالما شبهت عمليات البحث مطاردة شبح: حتى أن لودفيغ بولتزمان كان يأمل في العثور على تكاملات مخفية في النظرية الحركية، لكنه فشل.

كل نجم هو أرشيف حي، وطيفه مخطوطة متعددة الطبقات. على مدى مليارات السنين، كُتب فيه تاريخ المجرة: التطور الكيميائي المجري لدرب التبانة يترك أثرًا سلسًا في وفرة العناصر. لكن أحيانًا تظهر فوق هذه الطبقة سطور أخرى — حادة ودرامية، تروي كيف ابتلع النجم كوكبه الخاص.

كل حضارة تولد ومعها التزام جاذبي. كتلة الكوكب الأصلي تحدد مقدار الالتزام، ومعادلة تسيولكوفسكي هي التكلفة التي تفرض على كل كيلوغرام من الحمولة. لإرسال مسبار إلى النجوم، علينا أن ندفع بالوقود، وينمو الالتزام أضعافا مضاعفة.

الكوكب الصخري الملتهب يشبه قدرًا من الحساء المغلي، لكن غطاءه هو الغلاف الجوي. تنطلق الغازات من الصهارة، وتلف العالم ببطانية كثيفة، وتؤثر بدورها على سرعة تبريد الجرم السماوي. بالنسبة للكوكب GJ 1132 b، الذي يقع قريبًا جدًا من نجمه لدرجة أن السنة فيه تستغرق يومًا ونصفًا أرضيًا فقط، هذه العلاقة مهمة بشكل خاص. دون مراعاة تبادل الغازات، لا يمكن فهم ما إذا كان سيتصلب خلال مليار سنة أم سيبقى كرة نارية.

إذا هززت قدرًا فيه حساء يغلي بقوة، فستتموج السوائل وتضرب الأمواج الجدران. تقريبًا نفس الشيء يحدث داخل كوكب غازي عندما يمر بالقرب من نجمه في مدار إهليلجي. جاذبية النجم تثير موجات داخلية قوية في الكوكب — تُسمى الموجات الثقالية الأساسية. هذه الموجات يمكن أن تغير مصير الكوكب تمامًا.

في فهارس الكواكب الخارجية تراكمت عوالم كثيرة بأحجام بين الأرض ونبتون. وتُقسم إلى مجموعتين: الأرض العملاقة الصخرية وعمالقة النبتون الصغرى الغازية. لا توجد مثل هذه الكواكب في نظامنا الشمسي، ويختلف العلماء حول مصدرها. نظر مؤلفو الدراسة إلى "جواز سفر" كل كوكب — مداره. فوجدوا علاقة واضحة لدى عمالقة النبتون الصغرى: كلما كانت السنة أقصر (فترة الدوران)، زاد استطالة المدار.

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.

شبيهة بأجرام معلقة في سرير الطفل بخيوط تستجيب لأي هبة هواء، الكواكب التي تدور في مدارات واسعة جداً بالكاد تمسكها جاذبية نجمها — فتحس بأدنى «نسمات جاذبية». اقترح الفلكيون تحويل هذه الكواكب إلى كواشف لـالمادة المظلمة. هذه المادة الخفية لا تشع ضوءاً، لكنها بجاذبيتها تتحكم في حركة النجوم والمجرات.

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.

عندما يمر كوكب خلف حافة نجمه، يضيء النجم غلافه الجوي — تمامًا كما تضيء شمس الغروب السحب فوق الأفق. هذه اللحظة العابرة، التي تستمر بضع دقائق فقط، تحمل بصمة الغازات التي مر عبرها ضوء النجم. وجّه علماء الفلك تلسكوب SPIRou نحو نظام WASP-33: حيث يكمل كوكب خارجي من نوع المشترى الحارق دورة كاملة حول نجمه في 1.2 يوم أرضي فقط.

ثقبان أسودان ثقبان أسودان يضربان بعضهما بسرعة، بينما يدور ثالث قريب. في الحياة العادية، كان من شأن هذا الاصطدام أن يولّد دفقة من الموجات الثقالية (تموجات في الفضاء، مثل تموجات حجر يُلقى في بركة). لكن هنا، يمر جزء من التموجات بجوار الجار الضخم - ويتغير، مثل الضوء في مرآة مشوهة.

قرص دوار هائل من الغاز والغبار يحيط بنجم شاب. في هذا "المهد" لتكوين الكواكب كثيرًا ما تُرى حلقات وفجوات — وكأن محراثًا خفيًا شق أخاديد. عادةً ما تُعزى هذه الظواهر إلى كواكب تشكلت بالفعل، والتي تنظف المسارات بجاذبيتها. لكن حول النجم V1094 العقرب رأى الفلكيون شيئًا غير عادي: أربعة أزواج من الحلقات تمتد حتى 380 وحدة فلكية.

تخيل أن عملة معدنية صغيرة وُضعت في خزنة مثالية، لكن جدرانها رقيقة جدًا لدرجة أن العملة تمر أحيانًا عبرها تاركة صوتًا بالكاد يُسمع. الأكسيونات هي مثل هذه العملات، لكن بدل المعدن لدينا جسيمات، وبدل الخزنة لدينا المادة العادية. فهي لا تكاد تلاحظ العوائق، ومن الصعب للغاية التقاطها مباشرة. لكن هناك أماكن تكون فيها هذه «الخزنات» محمّاة إلى مليارات الدرجات ومضغوطة إلى كثافة هائلة.

لا يصدر وتر الغيتار إلا نغمات معينة عند الضغط على الدساتين. وهكذا قرص الغاز والغبار حول النجم الفتي: تخترقه موجات موقوفة، لكن لا تبقى إلا اهتزازات محددة. حيث تبلغ الموجة قمتها، تتكثف الغبار الكوني والهيدروجين، ثم تولد كواكب خارجية من بعد. وبين القمم توجد منخفضات لا تكاد توجد فيها كواكب.

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.

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.

ظل تلسكوب «كيبلر» يراقب آلاف النجوم لسنوات، ويعثر على الكواكب من خلال الانخفاضات الصغيرة في ضوئها عندما يمر الكوكب أمام نجمه. هذا المرور، أو طريقة العبور، يسمح بقياس حجم الكوكب، لكنه لا يكشف شكل مساره. ومع ذلك، إذا كان الكوكب يتحرك في مدار مستطيل، فإنه يتسارع تارة ويتباطأ تارة أخرى — فيتغير الزمن بين انخفاضات الضوء قليلًا.

معادلات بسيطة تصف دورات الثعلب والأرنب حُوّلت لدراسة البكتيريا على كواكب خارجية بعيدة مثل K2-18 b. هذه العوالم تحتوي على محيطات عميقة تحت سماء كثيفة من الهيدروجين. مثل طحلب البط على بركة، تغطي الميكروبات التي تتغذى على الضوء سطح الماء المشمس، سارقةً الضوء من تلك التي بالأسفل.

سبع ساعات — هذه هي مدة العام على كوكب TOI-4552b. إنه يندفع حول نجمه أسرع من بعض الأقمار حول الأرض. النجم هو قزم أحمر خافت، أصغر من الشمس بأربع مرات، لكن الكوكب ملتصق به لدرجة أنه يتلقى حرارة أكبر بمئات المرات مما نتلقاه نحن. فريق من علماء الفلك تحقق من اكتشاف تلسكوب TESS الفضائي باستخدام عشرة تلسكوبات أرضية.

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.

تخزّن السحابة الرعدية الكهرباء كما تخزّن البطارية قبل أن تنطلق شرارة. يمكن أن تفرّغ شحنتها بطريقتين: إما ببرق، أو بتوليد جسيمات ذات شحنة صغيرة جدًا — تُعرف باسم الجسيمات الميلي-مشحونة (millicharged particles). هذه الجسيمات شبه غير مرئية للأجهزة، لكن يمكن التقاط أثرها من خلال تواتر وميض البروق. قارن مؤلفو الدراسة العواصف الرعدية على كواكب مختلفة في النظام الشمسي.

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.

لإجراء عملية التمثيل الضوئي مع إطلاق الأكسجين، يجب تفكيك الماء. يشبه ذلك ناعورة الماء: فلكي تدور، تحتاج إلى تيار قوي. يؤدي الضوء دور التيار، بينما تمثل جسيمات الضوء نفاثاته. أما الأقزام الحمراء، وهي أكثر النجوم شيوعًا، فضوؤها «بارد» وضعيف — بالكاد تحرك النفاثات الناعورة.

بالنسبة لـالكواكب الخارجية التي تواجه النجم دائمًا بوجه واحد، فإن نصفها الليلي محكوم عليه بالبرد الأبدي. لكن الجبال قادرة على قلب المعادلة. تضاريس السطح الوعرة تُثير محيط الهواء، موجهةً تيارات الرطوبة عبر الحد الفاصل بين النهار والليل. عندما تصل إلى الظلام، يتجمد الماء في السحب، وتعمل السحب كبطانية: تحتفظ بالحرارة وتمنع العالم من البرودة.

تعمل الرياح الشمسية والأشعة فوق البنفسجية باستمرار على نزع طبقة رقيقة من الغازات من الأرض، تمامًا كما تحمل الرياح البخار فوق قدر ساخن. هذه العملية بطيئة وتستمر مليارات السنين. لكن بالنسبة للكواكب القريبة من الأقزام الحمراء، الأمور أقسى: فهي تسخن قرب النجم نفسه، وتيارات الأشعة السينية تجرد الغلاف الجوي كما لو كانت آلة رملية.

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.