دوران النجم النيوتروني

راقصان على مسرح واحد: أحدهما يجذب شريكه نحو جهة، والآخر نحو الجهة المعاكسة. في بلورة Cu2(OH)3Br، المعروفة باسم بوتالاكيت، تترتب ذرات النحاس في سلاسل حيث تتوازى سبينات (عزوم مغناطيسية) الأيونات المتجاورة أحيانًا كما في الفيرومغناطيسية، وتتضاد أحيانًا أخرى كما في المغناطيسية المضادة.

هذا مثل رقم قياسي في سباق المسافات القصيرة: لكسره، تحتاج إلى اندفاعة مثالية. لكن النوابض دون الميلي ثانية النجوم النابضة مسافة اندفاعها قصيرة جدًا. أسرع نابض معروف، PSR J1748-2446ad، يدور 716 دورة في الثانية، أسرع من خلاط المطبخ. لو كان بحجم الأرض، لتحركت نقطة على خط استوائه بسرعة تعادل 0.24 من سرعة الضوء.

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).

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.

في مركز نجم يحتضر، عندما ينضغط نواته إلى كرة نيوترونية، تولد عاصفة غير مرئية. تريليونات من النيوترينوات — جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة — تندفع في البلازما شديدة الحرارة. وهي كثيرة جدًا لدرجة أنها تبدأ في التأثير على بعضها البعض، مغيرًة "نكهاتها" (الأنواع: إلكتروني، ميوني، تاو-نيوترينو) مثل الحرباء.

التجمع الكروي (globular cluster) — سرب كثيف من مئات الآلاف من النجوم — يخترق المجرة مثل رصاصة تخترق الماء. في المادة المظلمة العادية (الكتلة غير المرئية التي تمسك المجرات)، يجب أن يفقد سرعته بسرعة بسبب الاحتكاك المدّي (dynamical friction). لكن في المجرة القزمة الكور، العديد من هذه التجمعات لم تسقط بعد نحو المركز. يسمي علماء الفلك هذا "مشكلة الزمن".

تعيش الهالة الشمسية حياة عاصفة. الحقول المغناطيسية هنا تخضع لحركات السطح الكثيف لـالشمس (الغلاف الضوئي)، لكنها أحياناً تعيد هي نفسها رسم النمط المغناطيسي. أثناء التوهجات، تلتف الحلقات الهالية - الأقواس البلازمية - وتعيد الاتصال. ثم تبدأ في فك الالتفاف، ولا يختفي الالتواء بل ينساب إلى الأسفل.

في قلب درب التبانة تمامًا، تدور نجوم حول ثقب أسود هائل غير مرئي. أحد هذه النجوم، S301، يكمل دورة كاملة في 8.7 سنة فقط. مساره يشبه قطعًا ناقصًا شديد التفلطح: تارة يقترب كثيرًا من الثقب الأسود، وتارة يبتعد بعيدًا. وعند أقصى اقتراب، تصبح المسافة إلى الثقب ضئيلة بمقاييس الكون. مدار S301 مستطيل لدرجة أن انحرافه المركزي (eccentricity) يساوي 0.982.

ينخفض نصف قطر النجم بمقدار ألف كيلومتر. ليس لأن كتلته زادت، بل لأن مجاله المغناطيسي الذاتي ضغط القشرة مثل مشد غير مرئي. في مركز هذا الجسم — القزم الغريب — تختبئ نواة كواركية: كرة من المادة الغريبة تزن مثل الشمس، لكن قطرها ثلاثة أو أربعة كيلومترات فقط. هذه هي البذرة الثقيلة.

العربة الدوّارة لا تدور بك في دائرة فحسب — بل مع كل دورة تغوص قليلاً في الأرض. هذه الحركة الشبيهة بالبرغي هي جوهر شحنة NUT — خاصية خاصة للزمكان يدرسها الفيزيائيون منذ منتصف القرن الماضي. في العمل الجديد، عاد الباحثون إلى الحلول القديمة لمعادلات أينشتاين التي تصف الفضاء المنحني حول الأجسام الدوارة ذات هذه الخصائص «اللولبية».

89 ميلي ثانية. هذه هي المدة التي يستغرقها انهيار جليدي دوامي يعمل على تسريع دوران النجم النابض Vela فجأة – أحد أشهر النجوم النابضة القافزة. النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران تنشأ من انهيار مستعرات عظمى.

الدوامة: تدوير الخفيفة أسهل من الثقيلة. هذا ما تفعله النجوم النيوترونية تقريبًا — وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. نظر علماء الفلك إلى نحو خمسين نظامًا ثنائيًا يدور فيه نجم نيوتروني حول آخر، فلاحظوا: كلما زادت كتلة النجم، طال زمن دورانه. العلاقة ليست حتمية، لكنها ملحوظة إحصائيًا. معامل الارتباط (مقياس العلاقة الإحصائية) حوالي -0.26، ومع احتمال 96% يكون أقل من الصفر.

نجمان نيوترونيان — بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة — يندمجان في نجم واحد، فيرتجف الفضاء من حولهما: تولد موجة ثقالية، تموج في نسيج الزمكان نفسه. وفي نفس الوقت تقريبًا، ينطلق من موقع الكارثة تيار ضيق من المادة — النفاث. يتحرك هذا التيار بسرعة تقارب سرعة الضوء، وعند اختراقه الغلاف الخارجي المكون من المادة المقذوفة، يسبب ومضة.

تلسكوب الفضاء «جيمس ويب» نظر إلى قلب بقايا المستعر الأعظم SNR 0540-69.3 — ما تبقى بعد موت نجم ضخم في مجرة مجاورة. في الداخل، بين الحطام المتناثر، رأى علماء الفلك نمطًا واضحًا: كتل مضيئة وفراغات تشكلت في شكل متناظر. يبدو النصف وكأنه انعكاس للآخر، لكنه مُدار بزاوية 189 درجة. هذا التناظر النقطي ليس مصادفة، بل هو أثر لنفاثات قوية اخترقت المادة أثناء الانفجار.

في عام 2017، سجل تلسكوب آيس كيوب النيوترينوي في القارة القطبية الجنوبية جسيمًا بطاقة تقارب 290 تيرا إلكترون فولت قادمًا من أعماق الكون.

عندما يدور نجمان نيوترونيان حول بعضهما البعض، لا يظل جسماهما كرويين صلبين. جاذبية الشريك تمدد كل نجم، مما يخلق حدبتي مد وجزر — تمامًا كما يرفع القمر مياه محيطات الأرض. لكن على عكس الماء، هنا تتشوه مادة فائقة الكثافة: ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن مليارات الأطنان.

عندما يدور نجمان فائقا الكثافة في رقصة متقاربة، يرتجف الفضاء من حولهما. هذا الارتجاف — الموجات الثقالية — تلتقطه كاشفات عملاقة على الأرض. لكن فك شفرة الإشارة ليس سهلاً: علينا أن نفهم ما الذي نواجهه بالضبط — زوجاً من الثقوب السوداء أم نجمين نيوترونيين. للأخيرين بصمة خاصة: فهما يستجيبان لقوى المد والجزر من رفيقهما، كالجرس الذي يرن عند الضربة.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم عملاق انفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن مليار طن. داخل هذا النجم، الجسيمات متراصة بكثافة بحيث تبدأ التأثيرات الكمومية بالظهور. أحد هذه التأثيرات هو دوران الجسيمات حول نفسها، أو الدوران المغزلي. عادةً، يتم حساب متوسط الدوران المغزلي وتجاهله، لكن مؤلفي الدراسة قرروا النظر في ماذا سيحدث إذا أخذناه على محمل الجد.

من بين مئات الأقمار في المجموعة الشمسية، يؤدي نيريد أشد الرقصات يأساً: يغوص قريباً من نبتون إلى 1.4 مليون كيلومتر، ثم يحلّق بعيداً إلى 9.7 مليون — كل هذا في أقل من سنة أرضية. انحراف مداري قدره 0.75 — وسمٌ لدخيلٍ مأسور. لعقود صُنّف كأسيرٍ من حزام كايبر — متجوّل جليدي تائه.

ارمِ حفنة من العملات المعدنية على الطاولة — كل واحدة ستسقط على وجهها أو ظهرها من تلقاء نفسها. والآن، تبدأ العملات في الانقلاب، وتدفع بعضها البعض. هذا تقريبًا ما تفعله النيوترينوات في بيئة شديدة الكثافة.

داخل النجم النيوتروني، تنضغط المادة بشدة لدرجة أن النوى الذرية تلتصق ببعضها في خيوط طويلة وألواح مسطحة. يطلق الفيزيائيون الفلكيون على هذه البنى اسم "المعكرونة النووية". على سطحها، تنخفض كثافة المادة إلى ما يقارب الصفر — كما لو كنت تغوص من هلام كثيف إلى هواء رقيق. هذا الانحدار الحاد هو ما يخلق التأثير غير العادي.

النجم النيوتروني هو كرة بحجم مدينة، لكن كتلته تعادل كتلة الشمس بأكملها. يمكن لمجاله المغناطيسي أن يمزق الذرات على مسافة آلاف الكيلومترات.

يتصادم تياران سريعان من الجسيمات المشحونة — وتبدأ خطوط المجال المغناطيسي في التمزق وإعادة الاتصال. تغذي هذه العملية التوهجات الشمسية والشفق القطبي. كان يُعتقد عمومًا أن جميع الجسيمات تتصرف بنفس الطريقة، مثل الرصاصات المنطلقة من بندقية واحدة. لكن لكل جسيم قمة دوّارة صغيرة — دورانه الذاتي، أو السبين. في العمل الجديد، أظهر العلماء أنه في الظروف القاسية، يمكن لهذه القمة أن تغيّر الصورة جذريًا.

النجمان النيوترونيان هما كرتان بحجم مدينة، لكن بكتلة الشمس. عندما يقتربان من بعضهما في شكل حلزوني، تمدد قوى المد والجزر كلاً منهما، كما لو كانت يد عملاقة تعصر وتلف كرة الرغبي. يبدأ النجم بالاهتزاز — تجري بداخله موجات كثافة، مثل الدوائر التي تنتشر على سطح الماء عند إلقاء حجر. لوصف هذا الاهتزاز، يحلل الفيزيائيون الفلكيون الاهتزازات إلى نغمات بسيطة — أنماط.

إذا ضربت جرسًا، فإنه سيصدر نغمة واحدة. أما إذا وضعت بداخله لسانًا ثانيًا، ورنّ كلاهما دون أن يتلامسا، فسيصبح الصوت أكثر تعقيدًا. هذا تقريبًا هو حال النجم النيوتروني في الدراسة الجديدة. إنه ليس مجرد كرة ملتهبة: فقد تتدفق في داخله سائلان لا يمتزجان — مثل النيوترونات فائقة الميوعة والبلازما العادية.

قمة دوّارة تدور بسرعة تكاد تمزقها إربًا. أضف إليها مغناطيسًا فائق القوة — لو وُضع مكان القمر لمسح بيانات جميع البطاقات الائتمانية على الأرض. هذا هو المغناطيس النجمي: بقايا فائقة الكثافة لنجم منفجر، كتلة من المادة حيث تزن ملعقة صغيرة مثل جبل.

النجم النيوتروني هو كتلة دوارة بكتلة الشمس مضغوطة إلى حجم مدينة. يولد في لهيب مستعر أعظم وعادةً ما يتباطأ دورانه فقط. لكن أحيانًا، وبدون سبب واضح، يتسارع فجأة - وتسمى هذه القفزة 'غليتش'. تصبح العديد من النجوم النيوترونية نباضات: فهي تصدر نبضات راديوية منتظمة، مثل منارات كونية.

بلورة إيريدات البيروفسكايت SrIrO₃ تشبه صفًا من الجنود، حيث يحمل كل ذرة إيريديوم عزمًا مغناطيسيًا. عندما يُستبدل جزء من "جنود" الإيريديوم بالقصدير، الذي لا يمتلك عزمًا مغناطيسيًا، يخف الصف.

في السابق، كان علماء الفلك يحسبون كتلة المجرات كما لو كانت كرات مثالية. لكن المجرة عبارة عن قرص مسطح كالرقاقة. النموذج الجديد «المفقود والمعثور عليه» يأخذ الشكل الحقيقي في الحسبان: فهو يجمع قوى الجاذبية من جميع أجزاء القرص، وليس فقط من الانتفاخ المركزي.

السماء الليلية مليئة بالمنارات التي تومض وفق جدول زمني. النجوم النابضة (pulsars) هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران، وتصل نبضاتها الراديوية بدقة الساعة. لكن هناك منارات أخرى: تظل صامتة لدقائق أو ساعات، ثم تُطلق فجأة نبضة واحدة، ثم تعود إلى الصمت. تُعرف هذه الأجسام بالراديوهات العابرة الدوارة (rotating radio transients)، وكانت تُعتبر حتى وقت قريب ظاهرة نادرة وغريبة.

النجم النيوتروني هو نواة مضغوطة لنجم ميت، جسم بحجم مدينة لكن بكثافة هائلة. بعض هذه النجوم تصبح نجومًا نابضة — منارات كونية تصدر نبضات إشعاعية دورية بدقة متناهية. مجالها المغناطيسي أقوى بمليارات المرات من مجال الأرض؛ وعند القطبين المغناطيسيين ينفجر إلى الخارج كنافورة بلازما عاتية.

الإلكترون في سلك عادي مثل ساعي بريد يحمل الطرد وتوقيع المستلم معًا: شحنته وسبينه دائمًا معًا. لكن إذا جعلنا السلك بسماكة ذرة واحدة، يصبح الساعي في ضيق. في مثل هذا الأنبوب أحادي البعد، لا تستطيع الإلكترونات تجاوز بعضها البعض، ويتغير سلوكها الجماعي بشكل لا يمكن التعرف عليه. ميكانيكا الكم تسمح للجسيمات بالتفكك إلى مكونات تعيش حياتها الخاصة.

عندما يصطدم نواتا رصاص بسرعة هائلة، تنشأ للحظة سحابة من المادة الملتهبة — أكثر كثافة وحرارة من مركز الشمس. عبر هذه السحابة تطير نفثات من الجسيمات: حزم ضيقة مثل أشعة الليزر، قُذفت بفعل الاصطدام. كاشف CMS يلتقط آثارها ويُظهر كيف تتغير النفثات وهي تشق طريقها عبر "الضباب" الساخن. قاس العلماء مدى اتساع انتشار جسيمات النفثة في اتجاهين: على طول محور الحزمة وعرضيًا.

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.

النجم النيوتروني هو مدينة بحجم مدينة كبرى، مضغوطة إلى حجم كويكب صغير. حوله تغلي بلازما — غاز من جسيمات مشحونة، تمر عبره موجات مثل تموجات على سطح بركة. هناك ثلاثة أنواع من الموجات: ألففين (A)، وعادية (O)، وغير عادية (X). يمكن أن تتحول إلى بعضها البعض، وهذا التحول يتحكم في كيف نرى الضوء القادم من النجوم النابضة.

تضخم عملاق أحمر في كوكبة الدجاجة لدرجة أن طبقاته الخارجية تتدفق نحو جاره الصغير لكن الثقيل — القزم الأبيض. يدور الغاز حول القزم كما يدور الماء حول مصرف الحمام، ثم يسقط عليه. لكن في نظام الدجاجة CH، هذا التدفق ليس هادئًا: كل 682.5 ثانية، يتوهج إشعاع الأشعة السينية ثم يخفت. الأمر يشبه منارة تدور وترسل شعاعًا.

قبل حوالي 300 مليون سنة، كانت منظومة زحل تشبه حلبة رقص مزدحمة، حيث أي خطوة خاطئة قد تؤدي إلى كارثة. القمر الأضخم، تيتان، بدأ يزيح عن موضعه — وهذه الحركة، كدفعة عنيفة في زحام، أخرجت الجيران عن توازنهم.

يسقط شعاع الليزر على بلورة لامعة — فيعود وقد تغيّر: لونه انزاح قليلًا واستقطابه تبدّل. في الحقل المغناطيسي يصبح هذا التحول في الضوء واضحًا بشكل خاص. وهذا ما رآه الفيزيائيون عندما وجّهوا الليزر إلى بلورة CsPbBr3 (مركب من السيزيوم والرصاص والبروم) داخل مغناطيس بحقل يصل إلى 10 تسلا — أي أقوى بنحو 200 ألف مرة من حقل الأرض. يولّد الضوء في البلورة أزواجًا: إلكترونًا سالبًا و«ثقبًا» موجبًا — مكانًا ينقصه إلكترون.

النجم النابض في سديم السرطان يومض مثل منارة: كل 33 ميلي ثانية يرسل نبضة راديوية، وهكذا بدقة الساعات الذرية. لكن في بعض الأحيان يضطرب دورانه: يزداد النجم فجأة في السرعة قليلًا، وكأن شيئًا ما ينزلق في داخله. كانت هذه الأعطال تُعتبر عشوائية، مثل نقرات بندول الإيقاع الذي يُدفع أحيانًا.

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.