عملاق أحمر

وحش صغير يختبئ في مجرة قزمة، وجاره يطعمه. المجرة التابعة تندمج ببطء مع جارتها الضخمة، والغاز من المناطق الخارجية يسقط نحو المركز حيث يقع الثقب الأسود. إنه ليس كبيرًا بمقاييس الكون: فقط من ثمانمائة إلى خمسة آلاف كتلة شمسية، لكن شهيته وحشية.

قمتان تدوران قريبتين جدًا حتى تكادان تلامسان بعضهما. إحداهما زرقاء محمّاة، والأخرى بيضاء خافتة. معًا يكملان دورة كاملة خلال عشرين ساعة. هذا هو زوج فيغه 64: نجم أزرق كتلته ثلث كتلة الشمس فقط، وقزم أبيض — نواة باردة لنجم سابق — أثقل من شمسنا بمقدار مرة ونصف. النجم الأزرق يبدو حارًا جدًا بالنسبة لكتلته. درجة حرارته خمسة عشر ألفًا وخمسمائة درجة، مثل أسخن خيط في مصباح.

المجرة NGC 5584 هي مدينة نجمية شاسعة، بعض أحيائها ما تزال قيد الإنشاء، بينما تميزت أخرى بعمالقة قدامى. لرؤية النوعين معًا، استخدم علماء الفلك «مصباحين» مختلفين تمامًا. التلسكوب فوق البنفسجي سويفت أظهر بقعًا زرقاء ساخنة — مشاتل نجمية حيث تتوهج النجوم الضخمة حديثًا.

العملاق الأحمر في تجمع نجمي كروي هو نجم في مرحلة متأخرة من التطور، وهو بمثابة "نجم متقاعد". لقد استنفد الهيدروجين في نواته وأصبح الآن يحافظ على الاحتراق في طبقة رقيقة حول النواة الهيليومية. خلال هذه المرحلة، يزداد لمعانه ببطء حتى يحدث وميض الهيليوم — اللحظة التي تشتعل فيها النواة فجأة من جديد.

منكب الجوزاء — عملاق أحمر فائق، يعرفه الكثيرون من كتف الجبار — ما زال يدهش علماء الفلك. بعد التعتيم العظيم الغامض في 2019–2020، عندما انخفض سطوع النجم فجأة، لم يتعافَ فحسب، بل غيّر أيضًا «عاداتِه».

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.

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.

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.

في انتفاخ المجرة، حيث يمتزج ضوء مليارات النجوم في وهج متصل، مرّ أربعة عمالقة باردة دون أن يُلاحظوا. لا يمكن رؤيتهم بالتلسكوب — فهم بعيدون جدًا وخافتون للغاية. لكن الجاذبية أدّت دور عدسة كونية: فعندما يمر كوكب كهذا مع نجمه أمام نجم خلفي أكثر بُعدًا، يحني الزمكان ويركّز الضوء، تمامًا كما تضخّم قطرة مطر على زجاج النافذة لهب شمعة خارجها.

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.

عندما يصطدم نجمان نيوترونيان — النوى فائقة الكثافة لنجوم ميتة — يولد كيلونوفا: انفجار أكثر سطوعًا بألف مرة من المستعر العادي. إنه مسبك كوني حقيقي. داخل سحابة ملتهبة تندفع بسرعات تقارب سرعة الضوء، يقوم سيل هائل من النيوترونات بتحويل أنوية الذرات إلى ذهب وبلاتين وأوزميوم. لكن المرحلة المتأخرة من هذه الأحداث ظلت لغزًا طويلًا.

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.

بعد 5 مليارات سنة، الشمس، بعد أن تستنفد وقودها، ستبدأ بالانتفاخ متحولةً إلى عملاق أحمر. كمنطاد يفقد هواءه، سيضعف قبضة الجاذبية للنجم، وستبدأ الأرض — كحبة رمل على خيط غير مرئي — بالابتعاد إلى مدار أبعد. كان يُعتقد سابقًا أن قوى المد والجزر، التي تسبب المد في المحيطات على الأرض، ستبطئ الكوكب وتسقطه في الشمس.

لوقت طويل، صُنف أورانوس ونبتون كـ"عملاقين جليديين"، بافتراض وجود طبقات سميكة من الماء المتجمد والميثان الميثان والأمونيا الأمونيا تحت أغلفتهما الجوية. ومع ذلك، تقدم حسابات جديدة أجراها العلماء صورة مختلفة تمامًا للبنية الداخلية.

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.

الكوكب العملاق الرضيع ما زال يجذب بقايا مواد البناء من السحابة المحيطة به. هذا هو المشهد الذي التقطه تلسكوب هابل الفضائي موجّهًا كاميراته نحو الجسم المعروف بالاسم الفهرس SR 12 c. هذا الكوكب المرافق يدور حول نجم شاب ويبعد عنه مسافة كبيرة — أبعد من نبتون عن الشمس. في طيفه، وكأنه قوس قزح ممتد عبر الأطوال الموجية، تظهر حافة مميزة — قفزة بالمر.

الكون في عمر 700 مليون سنة هو موقع بناء صاخب، حيث تبدأ الأضواء الأولى في الاشتعال. التقطت التلسكوبات إشارة من تلك الحقبة البعيدة: المجرة REBELS-25، الضخمة والمليئة بوقود النجوم. كشفت الملاحظات الراديوية بتلسكوبي VLA وALMA عن توهج خافت لكن مؤكد لجزيئات أول أكسيد الكربون (CO). هذا هو المؤشر الأكثر موثوقية للهيدروجين الجزيئي البارد — المادة التي تولد منها النجوم.

النجم النيوتروني هو عدسة جاذبية تتركز فيها محاولاتنا لرؤية المادة المظلمة. عبر مادته فائقة الكثافة، كما لو كنا ننظر عبر زجاج غريب، نبحث عن الأكسيون - ذلك الجسيم المراوغ القادر على تفسير الكتلة الخفية للكون.

المليارا سنة الأولى بعد الانفجار العظيم — حقبة كان الكون فيها أشبه بموقع بناء يغلي بالنشاط. المادة المظلمة كانت تجمع الغاز في كتل، فاشتعلت تلك الكتل بالنجوم الأولى. كان يبدو أن الوقت لم يكن كافياً لتجميع مجرات إهليلجية ضخمة من هذه المواد الخام — تلك 'المدن النجمية' الخامدة.

باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، أجرى علماء الفلك تحليلًا كيميائيًا للقنطور تشيرون — وهو جرم جليدي من أطراف النظام الشمسي. اتضح أن نشاطه الغازي يشبه معجنات متعددة الطبقات. يتبخر ثاني أكسيد الكربون من السطح، مكونًا قشرة علوية. وعلى عمق أعمق قليلاً، مثل الحشوة، ينبعث الميثان.

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.

الأكسيونات جسيمات أولية افتراضية أدخلها في النظرية روبرتو بيتشي وهيلين كوين عام 1977 لحل ما يُعرف بمسألة CP القوية في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

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.

أحيانًا تقدم السماء الليلية ألغازًا تخطف الأنفاس. أحدها حلقة من المجرات تمتد على ثلث الأفق. أطلق عليها علماء الفلك اسم «الحلقة العملاقة في السماء»: عنقود من المجرات امتد كخيط رفيع وانغلق ليشكل دائرة يبلغ قطرها نحو 400 ميغابارسيك. إذا وضعت 1300 مجرة درب التبانة خلف بعضها البعض، فستحصل على طول مماثل تقريبًا.

بعد الانفجار العظيم، امتلأ الفضاء بمزيج من الغازات المتعادلة، معظمها من الهيدروجين والهيليوم. وقد غلفت هذه المادة الباردة الكون مثل ضباب صباحي كثيف، لا يمكن للإشعاع أن يخترقه. وهكذا بدأ عصر يُعرف بالعصور المظلمة.

في العنقود المفتوح Trumpler 5، حيث تتحرك مئات النجوم معًا، تتصرف نجمة واحدة كمراهق بين شيوخ. إنها تنبض — تتمدد وتنكمش، متغيرة لمعانها كل بضع ساعات. هذه النجوم النابضة، القيفاويات الكلاسيكية ونجوم RR Lyrae، تُعتبر عادةً معاصرة للعناقيد الكروية القديمة — عمرها يتجاوز عشرة مليارات سنة. لكن هذه النجمة، بناءً على حركتها وكيميائها، عمرها 2–5 مليارات سنة فقط.

ثمانية عمالقة حمراء — نجوم قديمة منتفخة تشبه شمسنا في المستقبل — تتصرف بشكل غير متوقع. سطحها يهتز بإيقاع منتظم كالجرس، لكن في هذا الرنين تُسمع اضطرابات: بعض النغمات تختفي، والإيقاع ينكسر. اشتبه العلماء في وجود يد خفية في الداخل — مجال مغناطيسي — وحاولوا حساب قوته. يعمل المجال المغناطيسي في نواة النجم كزنبرك غير مرئي: يمنع الموجات من الانتشار بحرية ويغير نغمتها.

العملاق الأحمر هو نجم انتفخ وبرد سطحه وأصبح أكبر بمئات المرات من الشمس. لكنه ليس هادئًا من الداخل: إذ تهتز طبقات الغاز فيه مثل جرس ضخم، مما يسبب تغيرًا طفيفًا في سطوعه. يلتقط علماء الفلك هذه الاهتزازات لفهم ما يحدث في الأعماق. عادةً ما ينظرون إلى رقمين: كم مرة "يتنفس" النجم بشكل عام، وعلى أي نغمة يصدر أعلى صوت. لكن هناك أيضًا مؤشرات أدق — إزاحات صغيرة بين النغمات المتجاورة.

تبدو السماء ليلًا ساكنة، لكن العديد من النجوم تهتز مثل طبل بعد ضربة. ظل القمر الصناعي TESS يراقب نفس المناطق من السماء لمدة سبع سنوات متتالية، والتقط هذا الاهتزاز من 19,151 عملاقًا أحمر — نجومًا قديمة منتفخة. في السابق، كان عدد هذه العمالقة "الناطقة" المعروفة أقل بكثير، والآن ارتفعت القائمة بنسبة 80% دفعة واحدة.

قدرٌ من الماء المغلي على الموقد: كلما زادت النار، زادت حرارة الماء وزاد البخار المتصاعد. هكذا تقريبًا يتصرف الغاز الساخن في عناقيد المجرات. لكن في مجموعات المجرات الصغيرة، يتسرب هذا «البخار» أسرع مما يمكن توقعه بناءً على درجة الحرارة. أخذ علماء الفلك كتالوجًا يضم 155 مجموعة وعنقودًا من المجرات، مسافاتها معروفة بدقة عالية (انزياحات حمراء من 0,07 إلى 0,2).

حول النجم إبسيلون إندي، الذي يمكن رؤيته بالعين المجردة من نصف الكرة الجنوبي، يدور كوكب بحجم المشتري. درجة حرارته هناك مثل درجة حرارة مجمد جيد: ناقص 200 درجة مئوية. تلسكوب جيمس ويب التقط صورته المباشرة لأول مرة وقاس الضوء الذي يصدره الكوكب في النطاق الحراري. تبين أن ضوء الكوكب عند طول موجة 11.3 ميكرومتر أكثر سطوعاً بشكل ملحوظ منه عند 10.6 ميكرومتر.

على بُعد ثلاثة فراسخ فلكية ونصف من الشمس، بين نجوم خافتة في السماء الجنوبية، يختبئ عالم ظل علماء الفلك يدرسون طوال ثلاثين عامًا. إبسيلون إندي Ab هو عملاق غازي بارد كليلة شتوية: تبلغ حرارته حوالي 275 كلفن، أي أعلى بقليل من نقطة تجمد الماء. وهو بعيد جدًا عن نجمه لدرجة أن السنة هناك أطول من عمر الإنسان، وضوء نجمه بالكاد يدفئ طبقاته العليا.

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.

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.

مدينة يُبنى فيها في الوقت نفسه ناطحة سحاب وحديقة ضخمة. ناطحة السحاب تنمو للأعلى، والحديقة تتسع أفقيًا. العمليتان سريعتان وتتعارضان، لكن في النهاية يجب أن تصبحا كيانًا واحدًا. هكذا الحال في مجرة GNz7q: في المركز ينمو ثقب أسود، وحوله تتوهج نجوم جديدة. تلسكوب جيمس ويب رصد هذه المجرة بالتفصيل. اتضح أن في قلبها ثقبًا أسود كتلته حوالي 35 مليون شمس.

في سديم الرتيلاء، حيث تولد آلاف النجوم، يتصرف نجم أزرق لامع بشكل غريب. إنه يقترب منا تارة ويبتعد تارة أخرى، وكأن شخصًا ما يسحبه بحبل غير مرئي. هذا "الشخص" يكمل دورة كاملة خلال 17 يومًا، لكنه غير مرئي في التلسكوبات. صوّر علماء الفلك النجم 30 مرة باستخدام مطياف يحلل الضوء إلى ألوانه، مثل المنشور.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون شبه متجانس — مثل عجين مستوٍ. لكن بعد مليار سنة فقط، بدأ العجين في بعض الأماكن يرتفع أسرع: نشأت تجمعات من مئات المجرات، يسميها الفلكيون "العناقيد الأولية" (protoclusters). وهي أجنة العناقيد العملاقة المستقبلية، أضخم البنى المترابطة في الكون.

قام التلسكوب الفضائي Gaia بقياس سرعة دوران أكثر من مائة ألف نجم. اتضح أن سرعة الدوران تعتمد على درجة حرارة النجم. في النجوم الأبرد من 6500 درجة، تتحرك السطح بسرعة تتراوح بين 10 و20 كيلومترًا في الثانية. ولكن بمجرد أن يصبح النجم أكثر سخونة، تقفز السرعة فجأة إلى 100 كيلومتر في الثانية.

بدأ ضوء المجرة PAN-z14-1 رحلته عندما كان عمر الكون 400 مليون سنة فقط — وهو، بمقاييس الكون، طور الطفولة. وبسبب توسع الفضاء، الذي يمدد موجات الضوء، استغرق هذا الضوء نحو 13.5 مليار سنة ليصل إلينا.

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.