تشكل الكواكب المصغرة

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.

على سطح القمر والكويكبات توجد حفر أصغر من رأس الدبوس، لكن بحواف لامعة منصهرة. تترك هذه الآثار نيازك دقيقة، لكن السرعة اللازمة لتكوّن الذوبان ظلت غير واضحة. لمعرفة ذلك، استبدل الباحثون الصخرة الفضائية بالليزر: نبضة قصيرة تسخّن نقطة على الصخرة تمامًا كما يفعل اصطدام ذرة غبار سريعة. أتاح الليزر ضبط الطاقة بدقة. عرّض العلماء عينات من الصخور للإشعاع وقاسوا الحفر الناتجة.

في أعماق الفضاء الباردة تسبح صخور أقدم من الأرض نفسها. داخل بعضها تختبئ كريات زجاجية صغيرة — الكوندريلات، وهي كرات بحجم المليمتر، قطرات متجمدة من مادة سيليكاتية منصهرة. تشكلت عندما كان قرص الكواكب الأولي من الغاز والغبار لا يزال يدور حول الشمس الفتية — ذلك "المهد" الذي ستتجمع منه الكواكب لاحقًا.

ولادة القمر هي كارثة كونية. يصطدم كوكبان شابان، وتلتف سحابة من الحطام المتوهج حول العالم الناجي. من هذا القرص، كما لو كان من الطين على عجلة الخزاف، يتشكل قمر بمرور الوقت. هكذا، على الأرجح، وُلد قمرنا. لكن ماذا لو كانت عجلة الخزاف تهتز وتنتفض بسبب النجم نفسه؟ لقد درس علماء الفلك هذا السيناريو تحديدًا.

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.

حافة الكشاف. بمجرد إزالة الضوء المبهر للنجم المركزي، يظهر مسرح الظل. كورونوغراف جيمس ويب، مثل ستارة كثيفة، حجب نجم تي دبليو هايدري – وعلى مسرح طوله 120 وحدة فلكية (أربعة أضعاف المسافة إلى نبتون) لعب قرصه التنامي دوره.

اثنان وسبعون قرص التنامي — شرنقة دوارة من الغاز والغبار، مليئة بـ الغبار الكوني والغاز — دخلت في مرمى أداة التحليل الطيفي على جيمس ويب. لدى معظمها، تندفع تيارات إلى الفضاء: هياكل مخروطية كثيفة ونفثات رفيعة عالية السرعة. تضرب مثل النوافير. هذه العملية ليست عشوائية.

حول بعض النجوم الشابة، حيث انتهى مؤخرًا تكوّن النجوم، تدور حلقات غبار ليست مجرد حلقات غبارية، بل هي ساحات حقيقية لمعارك كوكبية — أقراص حطام متطرفة. على عكس أقراص الكواكب الأولية الهادئة، تحتفظ هذه المكبات الكونية في وهجها تحت الأحمر بأدلة على كوارث قادرة على تبخير كواكب بأكملها.

عندما ينمو كوكب عملاق، فإنه يسحب الغاز إليه. جزء من هذا الغاز يدور حوله مكونًا قرصًا صغيرًا يُعرف بالقرص المحيط بالكوكب. يُعتقد أن الأقمار تنشأ في مثل هذه الأقراص. بالنسبة للكوكب PDS 70 c، الذي يبعد 370 سنة ضوئية عنا، شوهد هذا القرص مباشرة باستخدام مصفوفة الهوائيات ALMA في نطاق المليمتر.

حول النجم الفتي CI Tau، الذي يبلغ عمره مليونَي عام، يدور قرص من الغاز والغبار — مهد كوكبي أولي. أظهرت أرصاد ALMA بالفعل حلقات وفجوات فيه، لكن أدق التفاصيل ظلت غير مرئية: عرضها أقل من قدرة الجهاز على التمييز. ابتكر علماء الفيزياء الفلكية طريقة للنظر خلف هذا الحد. القرص مائل بالنسبة لشعاع الرؤية، وهذا يحوله إلى آلة موسيقية من نوع خاص.

الفضاء مليء بالمجالات المغناطيسية. توجد في المجرات والنجوم وحتى في الفراغات الكونية الشاسعة (فجوات هائلة بين تجمعات المجرات). يُعتقد عادةً أن هذه المجالات تتقوى من مجالات «بذورية» ضعيفة بفضل الاضطراب (turbulence) — تمامًا مثل مولد كهربائي. لكن طبيعة المجالات البذورية نفسها ظلت لغزًا. يقدم العمل الجديد آلية غير متوقعة.

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.

كانت الأرض الفتية كرة ملتهبة من الصخور السائلة، بينما كانت ثيا التي اصطدمت بها قد بردت وتحجرت. كمثل إلقاء قطعة من الزبدة الباردة في قدر الحساء: يتناثر الحساء، بينما الزبدة بالكاد تتحرك. هكذا اندفعت باطن الأرض إلى الفضاء، مكوّنة سحابة من الغبار الكوني والحطام. ومع الوقت، تشكّل القمر من هذه السحابة.

في مركز مجرة بعيدة، يحيط بالثقب الأسود فائق الكتلة قرص مسطح دوار من الغاز والغبار — قمع عملاق يحتوي مادة كونية. قد يظهر في هذا القرص جسم مضغوط صغير، مثل ثقب أسود آخر بكتلة نجمية. يتحرك على طول مداره، لكنه من وقت لآخر يخترق القرص بالكامل، مثل إبرة تخترق القماش. كل اختراق من هذا القبيل هو لقاء مع مقاومة الغاز، مما يغير مساره تدريجياً.

حساء كثيف يبرد ببطء في قدر. فجأة، تشتعل النار تحته، فيبدأ الحساء بالغليان ويتكسر إلى العديد من الدوامات الصغيرة. هذا تقريبًا ما يفعله قرص الغاز والغبار حول نجم فتّي عندما يشهد توهجًا — تدفقًا مفاجئًا للمادة من القرص إلى النجم. لاحظ علماء الفلك منذ زمن طويل مثل هذه التوهجات لدى النجوم الفتية، لكنهم حتى الآن لم يتمكنوا من تتبع ما يحدث للغبار في القرص أثناء هذه الأحداث بالتفصيل.

في تجميع النظام الشمسي، كما في وصفة طبخ متقنة، لا يكون المزيج ثابتاً مسبقاً دائماً — أحياناً يُضاف المكوّن الأخير بينما الطبق على النار. هذا المكوّن بالنسبة للكواكب الخارجية كان تياراً من المواد من السحابة الجزيئية، تم حقنه في القرص الكوكبي الأولي بعد ملايين السنين من بدء التراكم.

عندما يلتقط التلسكوب ضوء قزم أبيض بعيد، يصطاد المطياف أحيانًا عناصر ثقيلة - كالسيوم، حديد، مغنيسيوم. هذه الفلزات لا يمكنها البقاء في الغلاف الجوي الرقيق لبقايا النجم؛ إنها أثر لحطام كوكبي سقط حديثًا. التحليل الطيفي للأقزام البيضاء الملوثة يرسم مقابر لأنظمة كواكب خارجية نجت من موت شمسها.

في قلب سديم النسر، على بُعد حوالي 7000 سنة ضوئية منا، ترتفع ثلاث أعمدة هائلة من الغاز والغبار — أعمدة الخلق. شكلها مألوف لدى الكثيرين من صور تلسكوب هابل. الآن، سمحت كاميرا الأشعة تحت الحمراء الخاصة بويب بالنظر إلى داخل هذه الشُرنقات الكثيفة حيث تولد النجوم.

الجرد الكوني أظهر خللًا. المحاسب يحاول موازنة الدفاتر: في عمود نجد جميع الكواكب التي عدّها الفلكيون في المجرة، وفي العمود الآخر نجد مخزون مواد البناء في الشرانق الغبارية للنجوم حديثة الولادة. الأرقام لا تتطابق. حتى لو جمعنا كل الغبار حتى آخر ذرة وشكلنا منه كواكب، لن تكفي المواد.

ينهار نجم ضخم، ويُولد ثقب أسود، محاط بقرص من البلازما الحارة. لكي تندفع من هذا القرص نفاثات ضيقة، تحتاج إلى مجال مغناطيسي منظم. لكن داخل النجم يكون المجال متشابكًا.

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.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تصرفت الكون وكأنه بالون منفوخ بشدة: الضغط المرتفع منع الانضغاط المحلي للمادة إلى كتل. ومع ذلك، فإن جسيمات افتراضية فائقة الثقل — وهي نوع من "أثقال" العالم الصغير — قد تكون قللت مؤقتًا من هذه المرونة. ونتيجة لذلك، تجمعت المادة بسهولة أكبر إلى كتل، ووُلدت ثقوب سوداء بدائية بكتل تتراوح بين مليار ومليار مليار طن.

النجم الفتي محاط بقرص مسطح دوّار من الغاز والغبار — مثل عجينة البيتزا التي تُلفّ وتُدوَّر. داخل هذا القرص تولد الكواكب. لكن حول ثلاثة نجوم — Elias 2-24 وIM Lup وDM Tau — لاحظ علماء الفلك أمرًا غريبًا: بعيدًا خلف حافة القرص الساطع تمتد هالة غبارية بالكاد تُرى لكنها ضخمة، وكأنها دقيق متناثر حول لوح التقطيع.

في قرص من الغاز والغبار حول نجم فتي، تتصرف جزيئات الغبار مثل حبيبات الرمل في تيار الماء: يتدفق الغاز أسرع، ويتخلف الغبار، وينشأ بينهما احتكاك. هذا الاحتكاك يمكن أن يهز الموجات المغناطيسية التي تجري عبر القرص. المجرة مليئة بمثل هذه الأقراص — ففيها تولد الكواكب.

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.

حول النجوم الفتية تدور أقراص من الغاز والغبار — وهي المادة الخام لكواكب المستقبل. داخل هذه الأقراص، لا تطير حبيبات الغبار عشوائيًا: بل تصطف على طول خطوط غير مرئية يتدفق عبرها الغاز. مؤخرًا، لاحظ علماء الفلك أن الحبيبات في هذه الأقراص تتصرف مثل كرات الريشة في لعبة الريشة الطائرة — فهي دائمًا تدور بحيث يكون جانبها الطويل في اتجاه الريح.

في الأطراف الباردة للنظام الشمسي، يُعتبر الماء مادة البناء الرئيسية للجليد. لكن في بعض المذنبات والأجسام الجليدية البعيدة، تكون نسبة أول أكسيد الكربون (CO) إلى الماء مرتفعة بشكل غير عادي — وكأن الآيس كريم فجأة يحتوي على الكثير من الشراب. من أين يأتي هذا الاختلال؟ حاول مؤلفو العمل الجديد معرفة ذلك.

تولد الكواكب من الغبار. في القرص حول نجم فتي، تتصادم حبيبات الغبار الصغيرة وتلتصق وتنمو تدريجيًا مثل كرة الثلج التي تتدحرج من الجبل. لكن هناك عائق: الغاز في القرص يتحرك أسرع من الغبار ويبطئه، مانعًا إياه من التجمع في كتل كبيرة. لكي يلتصق الغبار، يجب أن تكون كميته كافية. عندها تبدأ الحبيبات في "الإحساس" ببعضها البعض وتتجمع في تكثفات كثيفة.

في القرص الكوكبي الأولي - سحابة من الغاز والغبار حول نجم شاب - لا تطير حبيبات الغبار في دوائر فحسب. بل تنجرف مع تدفق الغاز مثل الرمال مع الريح، وتغير هي نفسها هذا التدفق. تنشأ طبقات تنزلق بالنسبة لبعضها البعض، وعند حدودها يولد عدم استقرار - موجات ودوامات. في مثل هذه المناطق الدوامية يتجمع الغبار في كتل، والتي تنمو لاحقًا لتصبح كواكب.

تلتصق حبيبات الغبار في القرص حول النجم الفتي ببعضها البعض، وتنمو، وستصبح يومًا ما كواكب. لكن لفهم كمية المواد المتاحة لتشكل الكواكب في كل قرص، يجب قياس كتلته وحجمه. لا يمكن وزن سحابة بعيدة مباشرة — لذا نعتمد على الإشعاع الصادر عن الغبار. درّب علماء الفلك شبكة عصبية على آلاف نماذج الأقراص المحسوبة بواسطة كود حاسوبي مفصل. تعلمت الشبكة إخراج معلمات القرص بسرعة من صورته وطيفه.

يرتفع العجين بشكل أسرع إذا كان يحتوي على الخميرة. وبالمثل، ربما كانت المجرات تتجمع بشكل أسرع إذا كانت تحتوي على ثقوب سوداء مسبقًا. درس الفيزيائيون الفلكيون حالة وجود ثقوب سوداء بدائية في الكون منذ البداية - وهي أجسام ربما تشكلت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

كان النظام الشمسي الفتي يشبه موقع بناء ضخمًا: حول الشمس الوليدة كان يدور قرص من الغاز والغبار، ومن هذا الغبار تجمعت تدريجيًا حجارة وصخور ثم أجنة الكواكب — الكواكب المصغرة. واليوم تسقط شظاياها على الأرض في هيئة نيازك. وتنقسم النيازك من حيث التركيب إلى عائلتين كبيرتين: فقد تشكلت قديمًا على جانبي حاجز غير مرئي في القرص — ربما بالقرب من مدار المشتري المستقبلي.

قبل نحو 4 مليارات سنة، كانت الأرض الفتية تشهد عصر قصف نيزكي مكثف. الأجسام الساقطة تركت على السطح فوهات صدمية عديدة. كانت الأمطار تملأ هذه المنخفضات بالماء، محولةً إياها إلى أحواض ضحلة معزولة. في هذه المسطحات المائية، تركزت تلقائيًا فقاعات دهنية — حويصلات ذات غشاء دهني ثنائي الطبقة، مماثل بنيويًا لأغشية الخلايا الحديثة. كانت تتشكل بمجرد خلط الماء بمواد شبيهة بالدهون.

الكوكب الفتي في القرص الغازي يشبه سباحاً يحاول السباحة عكس التيار: الاحتكاك بالغاز يبطئه، فيقترب من النجم بشكل حلزوني. بالنسبة للكواكب الصخرية الصغيرة، قد يستغرق هذا السقوط وقتاً أقل من الوقت اللازم لنموها. لكن في القرص توجد أيضاً تيارات معاكسة — دوامات يمكنها أن تدفع الكوكب إلى الخارج. بنى العلماء نموذجاً حاسوبياً لقرص حول نجم فتي.

الجسم الجليدي أروكوث يشبه رجل الثلج: كرتان ملتصقتان ببعضهما. هناك العديد من هذه الأجسام ذات الرأسين خلف مدار نبتون، في حزام كايبر. لفترة طويلة، كان يُعتقد أنها تنشأ من تصادم بطيء بين جسمين منفصلين. النمذجة الجديدة تُظهر مسارًا مختلفًا. سحابة من الحصى الصغيرة حول الشمس الفتية تنضغط بفعل جاذبيتها الذاتية. لا تتكتل الحصى في كرة واحدة، بل في كتلتين متجاورتين تلتحمان معًا بلطف.

النجم الفتي PDS 66 محاط بقرص مسطح من الغاز والغبار — مهد الكواكب المستقبلية. في الأجزاء الخارجية الباردة من هذا القرص، عادةً ما يكون السيليكون والكبريت مختبئين في حبيبات الغبار، لكن علماء الفلك لاحظوا بقعة غازية ساطعة على مسافة حوالي 60 وحدة فلكية من النجم. هذا مثل العثور على بخار دافئ فوق جرف ثلجي: شيء ما سخّن الجليد وأطلق الجزيئات إلى الخارج.

الغبار حول النجم الفتي CVSO 1942 توهّج كما لو أن مصباحًا أُشعل بكامل قوته. في عام 2024، نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) إلى القرص الانتقالي — وهو حلقة من الغاز والغبار حيث تتشكل الكواكب للتو — ورأى أنه في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (أطوال موجية أقصر من 10 ميكرومتر، أي أنحف بحوالي عشر مرات من شعرة الإنسان) أصبح القرص أكثر سطوعًا بمرتين مما كان عليه في عام 2005…

نيزك مورشيسون، الذي سقط في أستراليا عام 1969، يحفظ غبارًا أقدم من النظام الشمسي. من بينها حبيبات جرافيت صغيرة جدًا أصغر من جزء من الألف من المليمتر. في خمس من هذه الحبيبات وُجد نظير سترونشيوم-84: ذراته أخف قليلًا من السترونشيوم العادي.

حول النجوم الفتية تدور سحب مسطحة من الغاز والغبار — ومنها تتجمع الكواكب لاحقًا. لكي تلتصق المادة في مثل هذا القرص وتتكتل، يجب أن تختلط باستمرار. ولكن ما الذي يجعل الغاز يتحرك بشكل عشوائي إذا كان هادئًا في حد ذاته؟ جزء من الإجابة يكمن في أن الغاز في القرص بالكاد يوصل الكهرباء — فهو ضعيف التأين.

حول نجم شاب يدور قرص مسطح من الغاز والغبار — وهو المادة الخام لكواكب المستقبل. يسخنه النجم بالأشعة فوق البنفسجية، فيتطاير الغاز من سطح القرص إلى الفضاء، مثل الماء من بركة صغيرة تحت الشمس. إذا كان التبخر نشطًا، تظهر فجوة في القرص — ثغرة حلقية خالية من المادة.