معدل الدوران

مليون مدار — نفس المقطوعة الموسيقية. تسع هالات مظلمة — تسع أوركسترات بلا قائد. جميع العازفين يعزفون وفق النوتات نفسها، لكن في كل قاعة تختلف الموسيقى: تارة متناغمة، وتارة متعثرة. هكذا المجرات التابعة، عندما تسقط في هالة المضيف، تتحرك في مدارات لا تعتمد فقط على الكتلة، بل أيضًا على شكل المسرح غير المرئي.

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.

الرياح الشمسية هي تيار مستمر من الجسيمات المشحونة المنطلقة من الشمس. تحتوي على مكونين رئيسيين: البروتونات (أنوية الهيدروجين) وجسيمات ألفا (أنوية الهيليوم، وهي أثقل بأربع مرات).

تخيل دوامة (carousel): كلما جلست أبعد عن المركز، زادت سرعة دورانك. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن المجرات مختلفة — فالنجوم في الأطراف يجب أن تدور أبطأ من تلك القريبة من النواة. ومع ذلك، في سبعينيات القرن العشرين، اكتشف علماء الفلك، بقياس الإزاحة الدوبلرية لخطوط الطيف، أن سرعات النجوم في العديد من المجرات الحلزونية لا تنخفض تقريبًا مع البعد عن المركز.

تشبه المجرة مدينة: في المركز أضواء ساطعة وبناء كثيف، وفي الأطراف أضواء متناثرة وفراغ. لكن إذا تتبعت دوران الغاز في القرص المجري، ستجد أن السرعة عند الأطراف لا تنخفض تقريبًا. وكأن أحياء غير مرئية تواصل دعم الحركة. وجد علماء الفلك طريقة لرسم هذه المدينة غير المرئية على الخريطة.

ألقِ حجرين مختلفي الشكل في بركة ماء — ستخبرك الدوائر على سطح الماء أيّهما كان أملس وأيّهما كان ذا زوايا. هكذا تعمل الموجات الثقالية — تموجات الزمكان التي تنبأت بها النسبية العامة: عندما يندمج جسمان فائقا الكثافة، تحمل ارتجاجات الزمكان تفاصيل عن بنيتهما الداخلية.

الجسم الكوني يدور، لكن ظله ليس دائريًا. درس الفيزيائيون الفلكيون ثقبًا أسود في نسخة غير عادية من الجاذبية — ما يسمى بعالم الغشاء (حيث يكون كوننا سطحًا ثلاثي الأبعاد في فضاء ذي أبعاد أكثر). في هذا النموذج، يظهر للثقب الأسود معامل إضافي — الشحنة المدية (مقياس لكيفية تشويه الأبعاد الإضافية للجاذبية). تتبع مؤلفو العمل كيف تنحني أشعة الضوء حول هذا الثقب، وبنوا صورته.

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".

الثقب الأسود ليس مكنسة كهربائية كونية مثالية، بل هو جسم ديناميكي محاط بوسط معقد من الجسيمات والحقول التي تؤثر على تطوره. في دراسة جديدة، قام الفيزيائيون الفلكيون بنمذجة سلوك حقل متجهي ضخم — وهو شكل افتراضي من المادة المظلمة يتكون من جسيمات ذات لف مغزلي غير صفري — في جوار ثقب أسود دوّار.

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.

على بعد 26,000 سنة ضوئية من الأرض، في قلب درب التبانة، يندفع النجم S301 عبر الفضاء بسرعة 18,000 كيلومتر في الثانية. إنه يدور حول الثقب الأسود الهائل Sgr A* في مدار بيضاوي.

أسرع ريح في الكون تندفع بسرعة 0,58 من سرعة الضوء. تقطع المسافة من الأرض إلى القمر في ثانيتين. هذه الريح ليست نفاثة ضيقة، بل تيارًا عريضًا من الغاز ينفث من مركز المجرة. ليست كل الثقوب السوداء تعمل بنفس الطريقة: بعضها يولد مثل هذه الأعاصير، والبعض الآخر يطلق أشعة بلازما ضيقة. الإجابة تشبه تعشيق التروس.

في مركز مجرة بعيدة، حيث يدور ثقب أسود فائق الكتلة بكتلة تعادل مئة مليون شمس، تخترق الفضاء مجالات مغناطيسية. وهي ملتفة في دوامات شديدة — مثل قمع في صدفة، لكن بدلاً من الماء هناك بلازما متسارعة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هنا تحديداً، على الموجات الصادمة، تولد جسيمات بطاقة لا يضاهيها أي مسرّع أرضي.

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.

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.

في مايو 2020، سجل كاشفا LIGO وVirgo دفقة ثقالية GW200105. من بين العديد من الموجات الثقالية المشابهة، تميزت هذه الغرابة: مدار النجم النيوتروني والثقب الأسود المتصادمين لم يكن دائرة مثالية، بل قطعًا ناقصًا ممدودًا. الانحراف المركزي القابل للقياس نادر جدًا في مثل هذه الأنظمة.

لطالما بنى علماء الفيزياء الفلكية على مدى عقود صورة متناسقة: المجرة، مثل دوامة الخيل العملاقة، تدور بإيقاع واحد، والثقب الأسود فائق الكتلة الموجود في مركزها يرث هذه الرقصة. الغاز من القرص، عند سقوطه في قرص التراكم، يُفترض أنه يسحب محور الثقب معه عبر تأثير لينز-ثيرينغ، محاذياً الدوران مع العزم الكلي.

في مركز تجمع نجمي كثيف تسود ورشة حدادة حقيقية: هنا النجوم، مثل القطع المعدنية المتوهجة، تتصادم وتندمج تحت تأثير الجاذبية، وهذه الاندماجات ليست كارثة، بل فرصة. كل طرق من مطرقة النجوم ينقل دورانًا إلى الثقب الأسود المستقبلي.

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.

الثقب الأسود ليس مجرد بقعة مظلمة في السماء. فظله يقع على الخلفية المضيئة للمادة المتساقطة، ويحمل بصمة هندسة المكان نفسه. إذا كانت الجاذبية مختلفة ولو قليلًا عمّا اعتدنا أن نعتقده، فإن الظل سيكشف ذلك. في عمل جديد، تتبّع الفيزيائيون مسارات أشعة الضوء في محيط ثقب أسود دوّار في ما يُعرف بجاذبية راستال.

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.

شخص في صورة قديمة يقف وسط حشد ويدور في نفس الوقت — شبه مستحيل تخمين عمره. هكذا تقريبًا يحدد علماء الفلك عمر وكتلة النجوم البعيدة، وكثيرًا ما يخطئون. بالنسبة للنجوم الأثقل قليلًا من الشمس (من 1.4 إلى 2.5 كتلة شمسية)، فإن الطرق المعتادة مثل "الساعات" القائمة على التركيب الكيميائي لا تعمل جيدًا.

في أقراص التراكم المحيطة بنوى المجرات النشطة — الكويزارات، التي اكتشفها مارتن شميدت في ستينيات القرن العشرين — يهدر نهر من الغاز والغبار المتوهج. في منحنياته حيث تهدأ التيارات المضطربة، وعلى الرغم من كل شيء، تولد الكواكب. ليست كواكب عادية، بل غريبة — البلانيتات، التي تتراوح كتلتها بين كتلة الأرض وآلاف المرات من كتلتها.

في مراكز المجرات، حيث ترقد الثقوب السوداء فائقة الكتلة ساكنةً وسط أسراب النجوم، تشتعل أحياناً نيرانٌ ذات قوة هائلة — إنها أحداث التمزق المدي. غير أن بعض هذه الأحداث تسلك سلوكاً غريباً: فهي تتكرر مراراً وتكراراً، وكل توهج جديد يكون أبهت من سابقه. فعلى سبيل المثال، أصدر الجسم eRASSt-J045650 خمس ومضات متتالية، بينما أظهر AT2022dbl عدة ومضات مع خفوت واضح.

عندما يمر الضوء بالقرب من ثقب أسود، يقع في مصيدة جاذبية قوية: مسار الفوتونات ينحني بشدة لدرجة أن الجسيمات تبدأ في التخبط في مدارات شبه مغلقة، مثل كرات في لعبة الكرة والدبابيس.

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.

دوّامة في النهر تجذب كل ما حولها. إذا أضفنا إلى الماء هلامًا غير مرئي يثخن عند حافة الدوّامة ويختفي فجأة على طرفها، نحصل على صورة تقريبية لثقب أسود في نموذج رياضي جديد. حوله توجد سحابة كثيفة من المادة المظلمة تنقطع فجأة عند أفق الحدث (الحدود التي لا يعبر بعدها شيء عائدًا).

أينشتاين وروزين تخيلا جسراً يربط بين صفحتين من الواقع. أطلق عليه ويلر اسم ثقب دودي، وأثبت ثورن وموريس أن النفق قابل للعبور إذا مُلئ بمادة غريبة. نعلم اليوم أن الدوران، وهو صفة تكاد تكون ملازمة للأجسام المدمجة، يحول الثقب الدودي إلى أداة كونية.

قمع عملاق يدور بسرعة هائلة. إذا ألقيت فيه حبلًا، مثبتًا أحد طرفيه عند الحافة والآخر في الخارج، سيبدأ القمع في لف الحبل حول نفسه، مما يجعله يدور. هذا تقريبًا ما يفعله وتر كوني بالقرب من ثقب أسود دوّار. في الدراسة الجديدة، نظر الفيزيائيون إلى وتر يلامس أفق الثقب الأسود ("سطحه" الذي لا يمكن لأي شيء الإفلات منه) ويمتد بعيدًا في الفضاء.

هالة مجرتنا هي سحابة ضخمة متناثرة من النجوم القديمة تحيط بالقرص الذي نعرفه. إنها تحفظ تاريخ نمو درب التبانة عبر ابتلاعها للمجرات القزمة المجاورة. لقراءة هذا التاريخ، قاس علماء الفلك حركة أكثر من 10 000 نجم على مسافات تصل إلى 50 كيلوبارسك من المركز — أي أبعد بمقدار مرة ونصف من حافة القرص المرئي.

الضوء المنعكس من القرص الملتهب حول الثقب الأسود قد يخبرنا عنه أكثر مما كنا نعتقد. عندما يُصدر القرص حرارة، ينعكس جزء من هذا الضوء مرة أخرى على القرص ويتشتت، مكتسبًا توزيعًا غير عاديًا للطاقة — وكأن مكوّنًا جديدًا يُضاف إلى التوهج المعتاد، يشبه قانون القوة.

النجم النابض الراديوي J1574+4703 هو نجم يتصرف مثل منارة متقلبة. فبدلاً من أن يضيء باستمرار، يطلق حزمته الراديوية على شكل ومضات قصيرة ثم يصمت لفترات طويلة. تُعرف هذه الأجسام باسم "المتغيرات الراديوية الدوارة" (Rotating Radio Transients) واختصارًا RRAT. لكن لهذا النجم النابض خصوصية: ففي بعض الأحيان يبدأ بالعمل كنابض راديوي عادي، يرسل إشارات دون انقطاع.

تشبه المجرة دوامة عملاقة: تدور النجوم والغاز حول المركز، وسرعة حركتها تكشف مقدار المادة الموجودة في هذه الدوامة. لو كنا نرى فقط المادة المضيئة، لكانت الأجزاء الخارجية تدور بشكل أبطأ مما تظهره الملاحظات. إذن، هناك كتلة غير مرئية — المادة المظلمة — التي تربط المجرة ببعضها. أخذ علماء الفلك 20 مجرة من مسح MIGHTEE وبنوا لكل منها خريطة تفصيلية للدوران.

في عام 2019، التقطت كاشفات الموجات الثقالية إشارة من اندماج جسمين بعيدين. كان أحدهما ثقبًا أسود كتلته 23 كتلة شمسية. أما الثاني فكانت كتلته 2.5 كتلة شمسية فقط — وهذا غريب. عادةً، لا تزيد كتلة النجوم النيوترونية عن كتلتين شمسيتين: فعند كتلة أكبر، تنضغط لتتحول إلى ثقب أسود. والثقوب السوداء، على العكس، نادرًا ما تكون كتلتها أقل من خمس كتل شمسية.

شعاع الليزر عادة يتحرك في خط مستقيم، مثل تيار الماء من خرطوم. لكن ماذا لو قمنا بلف هذا التيار كخيط برغي؟ سنحصل على زنبرك ضوئي — شعاع يدور حول محوره أثناء حركته. في كل نقطة في الفضاء، يصف سطوعه حلزونا، وإذا وضعنا شاشة مسطحة في مسار هذا الشعاع، ستظهر عليها بقعة ضوء دوارة. قاس الفيزيائيون السرعة التي تتحرك بها هذه البقعة في دائرة.

النجم مثل الشمس يطن كالجرس: فموجات صوتية بداخله تجعل سطحه يهتز بشكل بالكاد ملحوظ. ومن خلال هذا الاهتزاز، يستدل الفلكيون، مثلما يستدل الأطباء بالنبض، على درجة حرارة النجم وكثافته وعمره. لكن تلسكوب «كيبلر» لاحظ أمرًا غريبًا: لدى العديد من النجوم التي تدور بسرعة وتغطيها البقع، لا يُسمع أي اهتزاز. وكأنها فقدت صوتها.

في السحب الباردة من الغاز والغبار، حيث ستشتعل النجوم يومًا ما، فقدت بعض الذرات إلكتروناتها وأصبحت مشحونة. الجسيمات المشحونة تستشعر المجال المغناطيسي، بينما المتعادلة لا تستشعره، لذلك تنزلق بعضها عبر بعض، مثل الماء عبر منخل. قاس علماء الفلك سرعة هذا الانزلاق: حوالي مئة متر في الثانية. ليس بالقليل — أسرع من سيارة سباق.

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.

في مراكز جميع المجرات تقريبًا المجرات تختبئ الثقوب السوداء فائقة الكتلة الثقوب السوداء — عمالقة خفيّة بجاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها. عندما تتصادم مجرتان المجرات، يصبح ثقباهما الأسودان الثقوب السوداء زوجًا محكومًا عليه بالرقص حول بعضهما البعض.