تشكل ثنائي النجوم النيوترونية

قبل عشرين ألف عام، ارتدى النجم الذي سيصبح لاحقًا مستعرًا أعظم 1987A حلقةً. ليس حلقة واحدة، بل ثلاثًا. الحلقتان الخارجيتان، مثل عاكسي ضوء، وقفتا بزاوية بالنسبة للحلقة الاستوائية، وضوء النجم، وهو يشق طريقه عبرهما، كاد لا يصل إلى الراصد لو كان في مستوى الحلقة الاستوائية. هكذا خفت النجم لعدة مئات من السنين إلى خمسة بالمائة من سطوعه السابق.

تخيل قمتين دوارتين تُطلقان على طاولة. إذا دارتا في نفس الاتجاه، يكون دورانهما الكلي كبيرًا؛ وإذا دارتا باتجاه بعضهما البعض، فقد يكون الدوران الكلي صفرًا، رغم أن كل قمة تدور بسرعة منفردة. في زوج من النجوم النيوترونية يقتربان قبل الاندماج، تلعب لفات كل منهما دور هذه القمم الدوارة — اللفات (spins).

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.

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.

قبل الاندماج بثلاثة أجزاء من ألف من الثانية. الثقب الأسود العملاق الذي يدور بسرعة جنونية يسحب نحوه النجم النيوتروني — كرة بحجم مدينة ولكن بكتلة تعادل كتلة شمس ونصف. قوى المد والجزر تمطط النجم إلى خيط رفيع كالإبرة وتنثر المادة بعيدًا.

كرة البلياردو تصطدم بأخرى في ظلام دامس. صوت الاصطدام وقعقعة الكرات الساقطة في الجيوب — هذا كل ما يُسمع. هكذا تقريبًا يدرس الفيزيائيون تفاعلات الجسيمات الأولية عند طاقات لا يستطيع أي مسرع أرضي إنتاجها. في العمل الجديد، حوّل الفيزيائيون الفلكيون مجرات بأكملها إلى مختبرات عملاقة، وأصبحت الكيلومترات المكعبة من الجليد في القارة القطبية الجنوبية ومياه البحر الأبيض المتوسط كواشف.

النجم النيوتروني هو نواة نجم ضخم سابق، انضغطت حتى صارت بحجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن بقدر جبل. لكن داخل هذه الكرة فائقة الكثافة قد يختبئ مفاجأة: تحت ضغط لا يمكن تصوره، تتفكك النيوترونات إلى كواركات، فيكتسب النجم نواة جديدة أكثر انضغاطًا. عندها قد توجد في الكون أزواج من النجوم لها الكتلة نفسها لكن أنصاف أقطار مختلفة — تُسمى النجوم النيوترونية-التوأم.

لطالما حير لغز المادة المضادة في الكون علماء الفيزياء الفلكية: من أين تأتي البوزيترونات التي تترسب كرقائق الثلج في الكواشف؟ قد يكمن الجواب في أكثر أشكال خلفية غاما انتشارًا. فالكون مشبع بضوء متبعثر — خلفية الفوتونات الكونية (CPB).

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.

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.

يدور نجمان النجوم النيوترونية في رقصة أخيرة. إذا تطابق دورانهما مع الحركة المدارية، يندمج الشريكان بدقة، قاذفين شعاعًا ضيقًا من المادة الحارة. أما إذا دارا باتجاهين متعاكسين، تنهار الرقصة، ناثرةً سحابة كثيفة من الحطام.

نجمان محترقان بحجم الأرض — لكن كل منهما أثقل من الشمس — يدوران في مدارين متقاربين بشكل متزايد، حتى يصطدم أحدهما بالآخر. يطلق الاصطدام انفجارًا نوويًا حراريًا، ويولد مستعر أعظم من النوع Ia. هذه التوهجات بمثابة منارات كونية لقياس المسافات في الكون. ومع ذلك، لا تزال تفاصيل نشأتها موضع جدل. في الدراسة الجديدة، حسب العلماء كيفية توهج سحابة الغاز بعد مئات الأيام من الاصطدام.

مصباح لا يحترق بل يتوهج أكثر فأكثر حتى يفجر كامل التركيبة. هكذا تقريبًا تموت أضخم النجوم في الكون. عندما ترتفع حرارة نواة النجم إلى مليارات الدرجات، تبدأ أزواج من الجسيمات في التولد — الإلكترونات ونقيضاتها البوزيترونات. تستهلك هذه العملية الطاقة التي كانت تدعم النجم، فينهار، لكن ليس بهدوء، بل بانفجار نووي حراري هائل. يُطلق على هذا الحدث اسم المستعر الأعظم غير المستقر زوجيًا.

قمة الغزال تدور بسرعة هائلة وبدلاً من الطنين المنتظم تصدر أزيزًا هادئًا — لأنها مشوهة قليلاً. هكذا تعمل النجوم النيوترونية تقريبًا: كرات بحجم مدينة، مضغوطة إلى كثافة تجعل ملعقة صغيرة من مادتها تزن مثل جبل. إذا لم يكن هذا النجم كرة مثالية، بل لديه "نتوء" صغير على جانبه، فإنه يصدر موجات جاذبية مستمرة — تموجات في الفضاء نفسه تنتشر عبر الكون. من الصعب جدًا التقاط هذه التموجات.

في عام 2017، التقطت الكاشفات ارتجاجًا في الفضاء — الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين. وفي اللحظة نفسها، رأت التلسكوبات وميضًا. هكذا، ولأول مرة، تحدّث حدث واحد بلغتين في آنٍ واحد: لغة الضوء ولغة الجاذبية. لكن كلما طال أمد مراقبة الفلكيين للتوهج الخافت، بدا سلوكه أغرب.

عندما يصطدم نجمان نيوترونيان، يولد وميض يضيء كأنه مليون شمس. في عام 2017، شاهد علماء الفلك مثل هذا الوميض لأول مرة — الحدث AT2017gfo. والآن، بنى العلماء نماذج حاسوبية لفهم كيفية نشوء هذا الضوء تحديدًا. في الدراسة الجديدة، تمت محاكاة سيناريوهات مختلفة للاصطدام: تغيرت كتل النجوم، وكتلتها الإجمالية، وخصائص المادة.

نجوم Be هي نجوم سريعة الدوران ذات قرص غازي ساطع. عادةً ما يقوم نجم مرافق بتدويرها: عندما تتدفق المادة من النجم المجاور، فإنها تُدور النجم مثلما يُدور الحجر في المقلاع. لكن توجد أيضًا نجوم Be منعزلة بلا رفيق — وظل أصلها لغزًا طويلاً. تظهر دراسة جديدة أن الانفجار مستعر أعظم يمكن أن يولد هذه المنعزلات.

كل 15 ساعة، في كوكبة تبعد عنا 57 سنة ضوئية، يحدث كسوف شمسي صغير. القزم الأبيض الصغير — نجم بحجم الأرض لكنه أثقل من الشمس — يغوص خلف قرص القزم الأحمر. بالنسبة لعلماء الفلك، هذا ليس مجرد مصادفة جميلة، بل وسيلة للنظر إلى ماضي الزوج النجمي. ذات يوم، تمدد النجم الرئيسي في هذا النظام ليصبح عملاقًا أحمر وابتلع جاره.

قمة دوارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنها تكمل 220 دورة في ثانية واحدة — هذا هو بالضبط ما التقطه التلسكوب الراديوي الصيني FAST. إنه النجم النابض PSR J1810-0623، نجم نيوتروني بحجم مدينة لكن كتلته أكبر من كتلة الشمس. كل 4.55 ميلي ثانية، يمر شعاعه الراديوي بالقرب من الأرض مثل منارة في محيط كوني. هذا النجم النابض ليس وحيدًا.

لوحة النيون الكونية أضاءت في مجرة بعيدة جدًا: كل ضوئها يأتي تقريبًا من غاز ملتهب، وتختفي النجوم في هذا الوهج. سجل تلسكوب جيمس ويب أن الغاز - وهو مزيج من الهيدروجين والهيليوم - ساخن جدًا لدرجة أنه يتوهج بذاته.

النجوم النيوترونية المزدوجة هي أزواج من البقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة انفجرت. تدور حول بعضها البعض وتقترب تدريجيًا حتى تندمج في وميض قوي — مصدر للموجات الثقالية (gravitational waves). لكن أين تتشكل هذه الأزواج بالضبط؟ أحد الاحتمالات هو داخل العناقيد النجمية، حيث تتجمع النجوم بكثرة وتتفاعل بشكل وثيق.

يُعرف النظام الثنائي الثقب الأسود SS433 بأن ثقبًا أسود فيه يسلخ المادة عن نجم مجاور. جزء من الغاز يسقط في الثقب، وجزء يُقذف في نفاثين ضيقين يدوران مثل قمة الغزل. تُرى هذه النفاثات في نطاق الراديو والأشعة السينية. مؤخرًا، رصدت تلسكوبات H.E.S.S. وHAWC وLHAASO إشعاع غاما في مكان غير متوقع: ليس عند المصدر نفسه، بل على بعد مائة سنة ضوئية منه.

في النواة الكثيفة للعنقود الكروي NGC 6397، حيث تتزاحم النجوم كالركاب في ساعة الذروة، لاحظ علماء الفلك زوجًا غريبًا. أحد النجمين قزم أبيض بدرجة حرارة سطحية تبلغ 16,000 كلفن (بقايا نجم محترقة تبرد على مدى مليارات السنين)، وبجانبه يدور رفيق غير مرئي. يكملان دورة حول مركز الكتلة المشترك في 0.54 يوم — أسرع من دوران الأرض حول محورها.

الأزواج الواسعة من النجوم تشبه راقصين يمسكان بأيدي بعضهما لكنهما يقفان في طرفي قاعة مختلفة. رابطهما ضعيف، وأي عابر قد يفرقهما. وجد علماء الفلك 26 زوجًا من هذا النوع واختبروا مدى تماسكها. اتضح أن 12 زوجًا ترقص وفق قوانين نيوتن: يمكن حساب مداراتها كما يُحسب مدار الكواكب حول الشمس. لكن ثلاثة أزواج تتحرك بسرعة كبيرة جدًا. الفرق في السرعات كبير لدرجة أن أي جاذبية عادية لن تمسك بها.

في أعماق الفضاء توجد سحابة غازية تشبه عقدًا بخرزات لامعة. هذا هو سديم العقد — بقايا نجم انتفخ ذات يوم وابتلع جاره. في المركز بقيت سحابة مزدوجة: نجم صغير حار ورفيقه المنتفخ الغني بالكربون. وجّه العلماء تلسكوب هابل الفضائي نحو السديم، وفحصوا كمية الكربون في جزئه الداخلي. اتضح أن الكربون فيه قليل — وكأن أحدهم كشطه بملعقة.

تنهي النجوم الضخمة حياتها بانفجار هائل - مستعر أعظم. تنضغط أنويتها إلى نجم نيوتروني (كرة فائقة الكثافة حيث تزن ملعقة صغيرة من مادتها مليار طن) أو إلى ثقب أسود. ولوقت طويل، كان يُعتقد أن النوع الأكثر شيوعًا من هذه الانفجارات يقتصر على النجوم المنفردة. لكن المستعر الأعظم SN 2018gj خرق القاعدة.

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.

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.

تخيل جسراً فوق نهر اقتُلعت وسطه: السيارات على الضفة الأخرى — مفاجأة. هكذا نظر الفلكيون لفترة طويلة إلى الثقوب السوداء ذات الكتل من 50 إلى 130 كتلة شمسية: النجوم القادرة على إنتاجها تنفجر مثل المستعرات العظمى الناتجة عن عدم الاستقرار الزوجي.