تكوين النجوم في العناقيد

يمتد خيط من الشبكة الكونية عبر الكون الفتي، وعلى طوله تتراص المجرات كخرز على عقد. في قلب العنقود الأولي SSA22، الذي سيصبح بعد مليارات السنين مركز عنقود مجري هائل، ما تزال هذه الخرزات ساخنة ومغبرة: تولد النجوم في داخلها، ويشكل الغاز البارد وقودها. نظر الفلكيون إلى هذه الزاوية البعيدة باستخدام تلسكوبات ALMA وJWST وJVLA لفهم كيف تنمو الخرزات ولماذا تتجمد يومًا ما.

صورة المجرة البعيدة الملتقطة من الأرض تشبه النظر عبر زجاج مصنفر: الغلاف الجوي يشوش التفاصيل، ويظل البنية الداخلية مخفيًا. لطالما أراد علماء الفلك معرفة أين بالضبط يتوقف تشكل النجوم في المجرات، لكن التلسكوبات الأرضية لم تسمح برؤية التدرجات اللونية الدقيقة. الآن، تعلمت شبكة عصبية إزالة هذا الضباب، مستعادة الوضوح بالاستناد إلى نماذج من الصور الفضائية.

خزانا حبر يقفان على جانبي الحدود الخلوية. منهما يتدفق إلى الغشاء نوعان من المونومرات، التي عندما تلتقي تشكل قطرات لزجة من المعقدات. القطرات بالكاد تتحرك، بينما المونومرات الحرة تنتشر بسرعة، مثل جزيئات العطر في الغرفة. هكذا تبدأ قصة كيف ترسم الخلية على حدودها نقاطًا، وهي تجمعات بروتينية منفصلة، ستحدد لاحقًا اتجاه نمو النسيج بأكمله.

مدينة قديمة تكتسب ضواحي جديدة. في المركز أزقة ضيقة تكاد الحياة فيها تتجمد، بينما في الأطراف يزدهر البناء. هكذا تبدو المجرة الحلزونية المجرة التي شاخت نجوم نواتها منذ زمن بعيد، بينما ما زالت نجوم جديدة تولد في قرصها الخارجي.

المجرات الباهتة المنتشرة في عنقود برشاوس تشبه أشباحًا بين جيرانها الساطعة: فهي منتثرة إلى درجة تتخللها الأجسام البعيدة، وعدد نجومها أقل بمئات المرات من نجوم مجرتنا درب التبانة.

تبدو السماء ليلاً موحدة، لكنها في الحقيقة تحتوي على تكتلات — مجتمعات هائلة من المجرات تعمل كعدسات تعمل على انحناء ضوء الأجسام البعيدة. عندما يحدث انفجار راديوي قوي قصير في مكان ما من الكون، قد يمر مساره نحو التلسكوب الأرضي بالقرب من إحدى هذه التكتلات. التقط التلسكوب الراديوي الكندي CHIME على مدى عدة سنوات مئات الانفجارات الراديوية السريعة — ومضات تدوم أجزاء من الثانية.

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.

مصنع قادر على إنتاج مليون قطعة في الساعة، لكنه ينتج مئة فقط. هكذا تقريبًا تتصرف حياتنا الكون إذا نظرنا إليه من خلال عدسة الإنتروبيا — مقياس الفوضى الذي، وفقًا لقوانين الفيزياء، يجب أن يزداد فقط. «الآلات» الرئيسية لهذا المصنع هي الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

يشبه الكون هيكلًا خفيًا ضخمًا. لا نراه مباشرة، لكننا نعلم بوجوده: فالمجرات وعناقيدها تتماسك بفضله. هذا الهيكل هو المادة المظلمة، وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية. النسخة الأكثر شيوعًا تقول إنها «باردة» وتتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة.

في المجرة الحلزونية الألعاب النارية — 6410 مشتلاً نجمياً. هذا هو عدد المناطق التي تولد فيها الآن نجوم ضخمة، كشفت عنها الخوارزمية في صور قديمة فوق بنفسجية من هابل. ليست مجرد بقع على الصورة — لكل منها حدود واضحة، كدولة على خريطة كنتورية.

295 000 متر في الثانية. حتى الجسيمات في الانبعاثات الإكليلية للشمس لا تندفع بهذه السرعة. لكن في مركز العنقود المجري H1821+643، يتحرك الغاز الساخن بهذه الطريقة تمامًا. الكوازار في قلبه يزفر - وأنفاسه تحرك كل شيء حوله على مسافة 60 ألف سنة ضوئية.

بعد ثمانمائة مليون سنة من الانفجار العظيم، وفي قلب مجرة فتية، ينبض محرك هائل. ثقب أسود كتلته عشرة مليارات شمس يلتهم المادة بنهم شديد بحيث ينبغي لإشعاعه أن يطغى على كل ما حوله. لكن الهدوء يخيم على الخارج. فالكشاف القوي محجوب خلف ستار كثيف من الغاز والغبار الكوني - ضباب كوني لا يسمح بنفاذ شعاع واحد.

تصل درجة الحرارة في مركز العنقود المجري إلى مئة مليون درجة. هذه الأنظمة، الأكبر في الكون المرتبطة بالجاذبية، هي مختبرات طبيعية تخبئ فيها الطبيعة 85% من كتلتها في المادة المظلمة غير المرئية.

إذا أخذت قدرًا فيه ماء يغلي وأضفت حفنة من المعكرونة، فإنها سرعان ما تنضج وتلتصق ببعضها في كتلة واحدة. لكن في مرجل مطعم ضخم، حيث تسبح المعكرونة بحرية، تبقى كل واحدة منفصلة. مع المجرات قصة مشابهة: قوانين الحرارة المعتادة (الإنتروبيا) تعمل عندما لا تكاد الجسيمات تلاحظ بعضها البعض، أما في «قِدر» الجاذبية الضيقة، فالنجوم والغاز مرتبطون بشدة لدرجة أن القواعد المألوفة تنهار.

مدينتان تعرضتا لسلسلة من الحرائق. في إحداهما، تبعثر الرياح الرماد بعيدًا إلى ما وراء الأطراف، فتبقى السماء صافية. وفي الأخرى، يترسب الرماد كستار كثيف يصبغ الغروب بلون قرمزي. تقريبًا هكذا، لكن على نطاق المجرات، تعمل انفجارات المستعرات العظمى (supernovae) — الومضات الأخيرة للنجوم الضخمة. عندما تتوالى انفجارات المستعرات العظمى في تجمع نجمي فتي، تندمج موجات صدمتها في تيار قوي.

خمسة عشر عامًا من أرصاد تلسكوب أشعة غاما Fermi كشفت عن صدع في أرضية المجرة. إلى الجنوب من العنقود Westerlund 1 – وهو أضخم تشكل النجوم شاب في درب التبانة – تم اكتشاف توهج ممتد يطابق تجويفًا في الهيدروجين الذري.

في عام 2016، رأى الفلكيون شيئاً لا يصدق: نجم بعيد، سُمي إيكاروس، توهج لعدة أسابيع متجاوزاً هاوية الفضاء. حدث العدسية الجاذبية — التأثير الذي تنبأ به أينشتاين: جسم هائل يحني الزمكان ويركز الضوء، مثل عدسة مكبرة عملاقة. عنقود المجرات MACS J1149 ضخم بريق إيكاروس آلاف المرات.

في هدوء السحب الجزيئية الباردة، حيث الغاز بين النجمي ينضغط بفعل الجاذبية إلى تكتلات كثيفة، تُعد ولادة النجوم الضخمة واحدة من أكبر ألغاز الفيزياء الفلكية. قد يبدو أن الإشعاع القوي للعملاق حديث الولادة من شأنه أن يبدد المادة المحيطة، موقفًا نموه.

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.

تخيل مخطوطة قديمة كُتبت فوق نصها القديم قصة جديدة. مع الزمن، تتلاشى الطبقة العليا لتظهر من تحتها سطور الماضي. هكذا تمامًا، وكأنها رقّ قديم، تتكون العناقيد الكروية — أقدم الأنظمة النجمية في الكون. منذ مطلع القرن العشرين، عندما استخدمها إدوين هابل كمنارات لقياس المسافات، ظلت هذه الأجرام مفتاحًا لتطور المجرات.

لطالما تخيلنا نواة الكربون ككرة متجانسة من البروتونات والنيوترونات المختلطة بالتساوي، مثل العجين. لكن الفيزيائي جورجي جاموف شك في ذلك: فربما تتجمع الجسيمات داخلها في كتل صغيرة متماسكة — نوى الهيليوم، أو جسيمات ألفا. هذه الكتل، مثل قطع البناء، تتشابك معاً لتشكّل عناصر أثقل. تم التحقق من هذه الفكرة بإعادة النظر في تجارب قديمة.

في بؤرة الاهتمام توجد مدن نجمية صغيرة: المجرات القزمة فائقة الخفوت. إنها تشبه أسرابًا متناثرة من اليراعات تدور داخل سحابة غير مرئية شاسعة. هذه السحابة هي هالة من المادة المظلمة فائقة الخفة. جسيماتها خفيفة جدًا لدرجة أنها لا تتصرف مثل كرات البلياردو، بل مثل الموجات. عندما تتراكب هذه الموجات فوق بعضها، يمكنها أن "تهزّ" النجوم، مضيفةً إليها طاقة — وهكذا يتضخم السرب النجمي تدريجيًا.

تخيل غابةً زُرعت في يوم واحد. للوهلة الأولى، تبدو جميع الأشجار متشابهة، لكن حلقاتها تروي قصصًا مختلفة: بعضها نما على تربة نظيفة، والبعض الآخر على رماد حرائق قديمة. أجرى علماء الفلك "قطعًا" مماثلًا للتجمع الكروي M92 — واكتشفوا ذاكرةً كيميائيةً لمستعرات عظمى انفجرت قبل مليارات السنين. التجمع الكروي M92 هو حشدٌ من 330 ألف نجم في كوكبة هرقل، وأحد أقدم التجمعات في مجرتنا.

إذا هززت قدرًا فيه حساء يغلي بقوة، فستتموج السوائل وتضرب الأمواج الجدران. تقريبًا نفس الشيء يحدث داخل كوكب غازي عندما يمر بالقرب من نجمه في مدار إهليلجي. جاذبية النجم تثير موجات داخلية قوية في الكوكب — تُسمى الموجات الثقالية الأساسية. هذه الموجات يمكن أن تغير مصير الكوكب تمامًا.

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.

الهالة النجمية لدرب التبانة هي طرس مجري: مخطوطة قديمة تختبئ تحت النص المرئي طبقات أقدم. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن بنية غايا-سوسج/إنسيلادوس (GSE) هي آخر تدوينة في هذه المخطوطة، أثر لاندماج كارثي واحد. لكن بحثًا جديدًا، مثل تحليل كيميائي للحبر تحت الأشعة فوق البنفسجية، أظهر أن GSE ليست تدوينة أحادية اللون، بل ملصق من أربع قصص مختلفة على الأقل.

في حديقة المدينة، تنمو الأشجار أسرع منها في الغابة الكثيفة. ليس لأن التربة أفضل، بل لأنها هنا تتصادم أغصانها وتتبادل البذور في كثير من الأحيان. تقريبًا هكذا تتصرف المجرات في العنقود البدائي «العنكبوت» — كتلة هائلة من المادة ستتحول بعد مليارات السنين إلى عنقود ناضج.

تأتي الثقوب السوداء في نوعين: صغيرة — بقايا انفجارات المستعرات العظمى، وعملاقة في نوى المجرات. ولكن أين اختفت المتوسطة، التي تبلغ مئات وآلاف المرات كتلة الشمس؟ ربما يكمن الجواب في تجمعات نجمية، حيث تتصادم الثقوب السوداء مثل كرات على طاولة البلياردو، وتنمو بالاندماج.

العناقيد المجرية العملاقة هي مدن من آلاف الجزر النجمية، تتماسك بفعل الجاذبية. وفي داخلها يغلي غاز ساخن يُصدر ضوءًا في نطاق الأشعة السينية. إذا اصطدم عنقود بآخر مؤخرًا، تظهر فيه تكتلات من المجرات وعدم انتظام في الغاز — مثل تموجات على سطح الماء بعد إلقاء حجر.

العناقيد الكروية هي «كتل» كثيفة من مئات الآلاف من النجوم التي تدور حول مركز درب التبانة. بعضها وُلد في مجرتنا، والبعض الآخر التُقط عندما ابتلعت درب التبانة مجرات قزمة تابعة. يمكن التمييز بينها من خلال التركيب الكيميائي، لكن علماء الفلك حصلوا على أداة جديدة — العمر الديناميكي. العمر الديناميكي يبيّن مدى «اهتزاز» بنية العنقود تحت تأثير قوى المد والجزر من المجرة.

يستغرق الضوء القادم من مجرة التنين البعيدة أكثر من سبعة مليارات سنة للوصول إلينا. في طريقه، يمر بجوار عنقود مجرات ضخم تعمل جاذبيته على انحناء مسار الضوء، مثل العدسة. لذلك تبدو لنا المجرة أكثر سطوعاً وأكبر مما هي عليه في الواقع — تماماً كما تكبّر العدسة المكبرة النص الصغير. داخل هذه العدسة الكونية توجد أيضاً نجوم منفردة.

في بدايات الكون، كانت التجمعات النجمية كثيفة لدرجة أنها ولّدت عمالقة بحجم النظام الشمسي. لو وُضع أحد هؤلاء العمالقة مكان الشمس، لامتد طرفه حتى المشتري. كانت هذه النجوم تبتلع أحياناً ثقوباً سوداء صغيرة. يهوي الثقب إلى الأعماق ويبدأ في النمو، محولاً النجم إلى وهج شبح – شبه نجم.

شبكة صياد ممتدة في أعماق الفضاء. عندما يموت نجم ضخم، يترك خلفه ثقبًا أسود — ثقلًا في هذه الشبكة. عادةً، تزن هذه الأثقال ما بين بضعة شموس وعشرات منها. لكن في GW231123، كان الثقلان ثقيلين بشكل غير عادي: كل منهما وقع في «فجوة عدم الاستقرار الزوجي» (نطاق الكتلة حيث يجب أن ينفجر النجم بالكامل دون أن يترك ثقبًا أسود).

يندفع تيار من الغاز شديد الحرارة من النجم — وفجأة يتوقف، وكأنه اصطدم بجدار غير مرئي. هذا بالضبط ما رآه الباحثون عندما حاولوا إعادة إنتاج الانبعاث النجمي على نطاق مخبري. استخدموا ليزرًا، فأنشأوا نفاثة بلازما وأطلقوها عبر مجال مغناطيسي — أولاً ضعيف، ثم قوي، مثل مجالات النجوم الكثيرة. مع المجال الضعيف (حوالي 30 غاوس عند ترجمته إلى الظروف النجمية) طارت البلازما بحرية.

تبدو السماء ليلًا سطحًا أملس كهدوء بحيرة. لكن عند التأمل في انفجارات غاما – تلك الانفجارات القصيرة المبهرة التي تُرى عبر الكون بأكمله – نكتشف تموجات في هذا السطح. أخذ العلماء كتالوجًا لهذه الانفجارات وقسموا السماء إلى نصفين. في النصف الجنوبي، وجدوا مجموعة صغيرة: 4 إلى 5 انفجارات متلاصقة.

ارمِ حصاتين متطابقتين من قمة جبل: إذا سقطت إحداهما سنتيمترًا إلى اليسار، فبعد دقيقة ستجد نفسيهما في واديين مختلفين. المجرة هي نفس الجبل، لكن فيها مليارات الحصى، والمنحدر يمتد لملايين السنين. قام مؤلفو الدراسة الجديدة بمحاكاة قرص من 40 مليون نقطة-نجمة واختبروا مدى سرعة نسيانه لمكانه في البداية. اتضح أنه ينسى بشكل شبه فوري. الزمن الذي يتضاعف فيه الاختلاف بين مجرتين شبه متطابقتين أقل من 0.1 مليون سنة.

اصطدم عنقودان من المجرات مثل سربَي نحل طارا عبر بعضهما البعض. أحدهما هو «الرصاصة» الشهيرة. بعد الاصطدام، توقف الغاز الساخن، الذي يشكل معظم المادة العادية، وبقي في المركز، بينما المجرات، مثل حصى صغيرة كثيفة، طارت إلى الأمام. ضوء الأجسام البعيدة، عند مروره بالقرب منها، ينحني: هذا مرئي من خلال الصور المشوهة.

خمس مجرات توقفت منذ زمن طويل عن إشعال نجوم جديدة، تبدو كبيوت أُطفئت أنوارها. لكن مقراب ألما الراديوي ومقراب جيمس ويب الفضائي نظرا إلى داخلها فرأيا: في هذه البيوت «النائمة» ما زالت النار متقدة. قاس علماء الفلك توهج أول أكسيد الكربون والغبار الدافئ في خمس من هذه المجرات، التي تبعد عنا مليارات السنين الضوئية.

في سحابة مظلمة لم يضيء فيها أي نجم بعد، يبدأ الغاز في الانجذاب نحو مركز مشترك. هكذا تولد أضخم النجوم في المجرة — تلك التي تفوق كتلة الشمس بعشرات المرات. وجّه علماء الفلك التلسكوبات الراديوية نحو السحابة SDC335.579-0.292 ورأوا كيف تصطف جزيئات الغاز في تيارات تسقط نحو الداخل. تبين أن سرعة السقوط صغيرة نسبيًا — فقط 0.6–1.6 كيلومتر في الثانية.

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).