معدل تشكل النجوم

الميناء يعيش على مواعيد المد والجزر. الماء يرتفع ثم ينحسر، ومعه يتغير كل شيء: مستوى الماء عند الرصيف، تكوين الرواسب في القاع، وحتى الملوحة في الزوايا البعيدة. المجرة مشابهة في ذلك، لكن بدل الماء يوجد لديها غاز، وبدل القمر توجد نجومها الخاصة والسحب المجاورة. هذا الغاز يدخل إلى المجرة ويخرج منها، وكل مد أو جزر يترك أثرًا في كيفية ولادة المجرة للنجوم ومدى غناها بالعناصر الثقيلة.

في عائلة نجوم مجرة العنقاء، هناك خمسة عناقيد كروية قديمة، أما السادس فقد اعتُبر لفترة طويلة طفلاً لقيطًا. الجسم المعروف باسم Fornax 6، الواقع على بُعد 270 فرسخًا فلكيًا فقط من مركز المجرة، بدا وكأنه تكثف عشوائي لنجوم الخلفية أو مجموعة متراصة من المجرات البعيدة. تساءل علماء الفلك عما إذا كان يستحق أن يُطلق عليه اسم عنقود.

حول كل مجرة توجد هالة غير مرئية من الغاز البارد. تمتد بعيدًا إلى ما وراء حدود القرص النجمي، وتعمل في الوقت نفسه كمستودع للوقود لنجوم جديدة ومقبرة للمادة المطرودة.

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.

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.

الومضة الراديوية السريعة هي وميض قصير لكن قوي من موجات الراديو قادم من الفضاء البعيد. أثناء وصوله إلينا، تمر الإشارة عبر سحب من الغاز المخلخل، وكلما زاد الغاز في الطريق، زاد تشتت الإشارة عبر الترددات. يطلق علماء الفلك على هذا التأخير اسم مقياس التشتت — وهو في جوهره «وزن» كل المادة على خط الرؤية. لكن هناك عقبة: بالنسبة لمعظم الومضات، لا نعرف مدى بعدها.

التجمع النجمي الفتي يشبه أوركسترا قبل الحفل: كل آلة تُضبط بطريقتها الخاصة، والطنين العام يبدو فوضى. لكن إذا أنصتنا جيدًا، يمكننا تمييز النغمات الفردية. هكذا تقريبًا يدرس علماء الفلك النجوم المتغيرة من نوع دلتا الترس (δ Scuti) — يتغير سطوعها بفترات تتراوح بين نصف ساعة وعدة ساعات، وفي هذا النبض تُشفَّر الكتلة والعمر والبنية الداخلية.

15 175 107 نجمًا. كل واحد حصل على عمره. لكن لا يخلو أي رقم من مسحة من عدم اليقين: عمر النجم ليس مسمارًا مثبتًا على محور الزمن، بل سحابة احتمال، ضباب يخفي القيمة الحقيقية. بالنسبة لـ التطور المجري، فإن هذه العلامة الزمنية لا تقدر بثمن: بدونها تبقى خريطة درب التبانة مسطحة.

النجم النيوتروني هو مدينة مضغوطة إلى حجم مدينة كبرى، حيث تكون المادة مضغوطة إلى أقصى حد. في مركز هذه المدينة قد يبدأ إعادة بناء: النيوترونات والبروتونات المألوفة تفسح المجال لبلازما كواركية — كواركات حرة تشكل كل شيء تقريبًا حولنا. عادةً ما كانت هذه العملية تُعتبر لحظية: كما لو أن حيًا قديمًا هُدم في ثانية واحدة وأقيم مكانه ناطحة سحاب فورًا. لكن البناء قد يكون بطيئًا، حيًا بعد حي.

كل ومضة راديوية سريعة تشبه صدى مدوٍ في الفراغ. وفي رنينه المتلاشي تتشفر بنية الفضاء بأكملها: عبر مليارات السنين الضوئية، يتأخر النبض الراديوي قليلاً بسبب كل إلكترون حر يقابله. هذا التأخير — مقياس التشتت — يزداد مع طول المسار، لكننا لم نكن نعرف سابقًا كم عدد الإلكترونات المختبئة داخل أبعد مجرة.

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.

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.

كشفت صور تلسكوب «جيمس ويب» الفضائي عن توهج شديد بشكل غير متوقع من المجرات الأولى — أنظمة نجمية هائلة تشكّلت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. تخيّل: المحمصة تُحمّر شريحة الخبز في دقيقة، بينما يحتاج الفرن إلى ساعة كاملة لخبز رغيف — والنتيجة، في جوهرها، متشابهة.

رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي في أعماق الكون أجسامًا مدهشة — نقاطًا حمراء صغيرة تتوهج بشدة وكأن مصباحًا كشافًا مخبأ في لمبة صغيرة. هذه النقاط ليست نجومًا ولا مجرات بالمعنى المألوف، بل هي أشبه بـ'شرانق' حول ثقوب سوداء فائقة الكتلة تلتهم الغاز المحيط بنهم. عندما يلتهم الثقب الأسود المادة بسرعة كبيرة، يتوهج حوله وهج مبهر — ونراه كنقطة حمراء.

إذا أشعلت مصباحًا في غرفة، فسوف يضيء الجدران. لكن إذا وضعت المصباح نفسه في قاعة واسعة، فلن يصل الضوء إلا بصعوبة إلى الزوايا. وبالمثل، يعمل إشعاع النجوم الفتية على الغاز في المجرة: فهو يقتلع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين، مما يجعل الغاز يتوهج. ويطلق علماء الفلك على هذا "التأين"، ويسمون قوة هذا التأثير بمعامل التأين.

تشبه العديد من التحولات الكيميائية تركيب أثاث في ظلام دامس: ترى القطع الأولية والخزانة الجاهزة، لكن عملية التركيب نفسها تبقى لغزًا. الحالات الوسيطة — كوضعيات يد الحرفي غير الموفقة — تختفي بسرعة أكبر من أن تُرى. النهج الجديد الموصوف في المقال يستخدم الرنين المغناطيسي النووي كرادار حساس قادر على التقاط هذه الأشكال العابرة. يقوم الأسلوب على نمط المبادرة الحرة الثابتة (SSFP).

في الفضاء، كثيرًا ما توجد أزواج من الثقوب السوداء المندمجة، يكون فيها أحد الثقبين أكبر كتلةً من الآخر بشكل ملحوظ. هذا الاختلاف في الوزن ليس مجرد رقم، بل هو مفتاح لتاريخهما المشترك. درس علماء الفيزياء الفلكية قناة النقل المستقر للكتلة — وهي عملية ينتقل فيها المادة من نجم إلى آخر بسلاسة دون تدمير النظام. بنوا نموذجًا رياضيًا يربط بين لحظتين رئيسيتين: مدى استقرارية النقل، ومدى كفاءة النجم المجاور في التقاط هذه المادة.

الرسام يرسم لوحة بورتريه ضربة فرشاة تلو الأخرى، ثم يُعرض عليه كاميرا مع فلاش — نقرة واحدة، وينتهي الأمر. هذا تقريباً شكل الانتقال من النماذج متعددة الخطوات إلى النماذج أحادية الخطوة في توليد صور المجرات. الشبكات العصبية التعلم العميق في التصوير الطبي المعتادة لتوليد الصور تعمل مثل رسام الألوان المائية: تضع طبقة، تمزج الألوان، تضيف تفاصيل.

تتطلب دراسة ولادة المجرات نمذجة مليارات السنين من نمو المادة المظلمة وتشكل النجوم - حتى الحواسيب العملاقة تنجز ذلك ببطء. جاء الحل من مجال التعلم الآلي: شبكة عصبية، مثل طباخ بارع، تقيّم المجرة المستقبلية فورًا من خلال "وصفة" اندماجات المادة المظلمة - كتلتها، سطوعها، تركيبها الكيميائي.

لطالما وصف علماء الفلك الكون، مثل الطهاة، بالاعتماد على وصفات ضخمة متشابهة — معادلات رياضية معقدة تقدر توزيع المجرات حسب الفوتومتري والكتلة، وكذلك بنية الأساسات غير المرئية من المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة التي لا تكشف عن نفسها إلا عبر الجاذبية. لكن دقة هذه النماذج تركت الكثير مما هو مرغوب.

فقاعة هواء تنطلق من إبرة رفيعة في قاع كأس وتصعد إلى الأعلى. في الماء النقي تتصرف كنابض: تنضغط تارة وتمتد تارة أخرى، مبادلةً الطاقة بين الحركة والشكل. بمجرد إضافة قطرة صابون إلى الماء، تهدأ الفقاعة فورًا وتصبح شبه كروية تمامًا، وتصعد باستقامة دون ارتعاش.

يحتفظ الكون بسجل لكل نجم يولد. على مدى 13.8 مليار سنة، أُضيء في المجرات عدد من النجوم يجعل من الممكن، عبر "تعدادها"، الحكم على طبيعة الكون نفسه، كما تُقرأ حلقات جذع الشجرة للتعرف على مناخ السنوات الماضية. جمع علماء الفلك بيانات عن معدل تشكل النجوم من يومنا هذا حتى العصر الذي كان فيه عمر الكون أقل من نصف مليار سنة (انزياح أحمر 15).

في السحب الباردة من الغاز بين النجوم تختبئ خيوط رفيعة طويلة، مثل الخيوط في كرة الصوف. وفيها تحديدًا، تنضغط وتولد نجوم جديدة. أخذ علماء الفلك سبعًا من هذه السحب على مسافات تتراوح بين 140 و920 سنة ضوئية، وقاسوا عدد الخيوط ذات السماكات المختلفة. اتضح أنه في جميع السحب، بغض النظر عن نشاطها، يسري القانون نفسه: كلما زاد سُمك الخيط، قلّ تكراره.

لفترة طويلة، اعتقد علماء الفلك أن الكون يعمل كناقل كوني: في أي ركن منه تولد النجوم وفق وصفة موحدة، حيث يقابل كل عملاق ضخم عدد ثابت تقريبًا من الأقزام الصغيرة. هذه النسبة العالمية تُسمى دالة الكتلة الابتدائية — التوزيع الأساسي الذي يصف كم نجمة من أي كتلة تتشكل في كل حدث تكوّن نجوم. ومع ذلك، كان التحقق منها مباشرة صعبًا للغاية: لعدّ كل «الأرغفة» في مخبز بعيد، يجب تمييز حتى أصغر وأخفت النجوم.

المطبخ الذي يُخبز فيه النجوم يعمل بوصفة بسيطة: بقدر ما لديك من الدقيق، يكون عدد الفطائر. لفترة طويلة، رأى علماء الفلك علاقة صارمة بين كتلة المجرة وسرعة ولادة النجوم فيها، واعتبروها قاعدة مستقلة بذاتها. لكن دراسة جديدة شملت 24,954 مجرة قريبة تُظهر أن هذه العلاقة ليست سوى ظل لقانونين أكثر أساسية. القانون الأول يربط كمية الغاز الجزيئي (المادة الخام الرئيسية للنجوم) بكتلة النجوم الموجودة بالفعل.

تحدث على الشمس من وقت لآخر توهجات (flares) — وهي انبعاثات طاقة قوية تستمر من دقائق إلى ساعات. معظمها عشوائي، مثل قطرات المطر التي تضرب السقف. لكن في بعض الأحيان، يبدو أن توهجًا يُشعل توهجًا آخر: يبدأ الثاني بعد الأول مباشرة تقريبًا، رغم أنهما في مكانين مختلفين. يطلق علماء الفلك على هذا اسم التوهجات المتعاطفة (sympathetic flares). لفترة طويلة، لوحظت هذه التوهجات المزدوجة على الشمس فقط.

الثقوب السوداء هي بالوعات كونية، دوامات جاذبية تسحب المادة من الفضاء المحيط. هذه العملية، التي تسمى التراكم، لا تسير دائمًا بسلاسة: جزء من الغاز الساقط قد يُقذف مرة أخرى على شكل نفاثات نسبوية ضيقة — نفاثات.

عندما تظهر بقعة مضيئة على نجم، يريد علماء الفلك معرفة مقدار الطاقة المنبعثة إلى الفضاء. في السابق، كانوا يتخيلون التوهج على أنه نار مشتعلة تكبر: مساحة اللهب تتزايد بينما تظل الحرارة نفسها. كان هذا أسهل للحساب، لكن الواقع مختلف. التوهج أشبه بموقد كهربائي يُشعل على أعلى درجة: مساحة التسخين لا تتغير، لكن درجة الحرارة تقفز فجأة.

تولد النجوم من سحب الغاز في درب التبانة، وأثقلها عمالقة حقيقيون. كان يُعتقد سابقًا أن مثل هذا النجم يتوهج بشكل شبه فوري، مثل المصباح الكهربائي. لكن دراسة جديدة تُظهر أن النجم ينمو تدريجيًا، مثل كرة الثلج التي تتدحرج من قمة الجبل، فكلما طال تدحرجها زاد حجمها. قارن الباحثون بين قائمتين: السحب الغازية الساطعة حول النجوم الفتية، والنجوم نفسها.

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.

زوج النجوم النيوترونية يشبه كرتين ثقيلتين تقتربان ببطء في مسار حلزوني. لقد وُلدا معًا من نظام نجمي مزدوج لنجوم ضخمة، لكن قد تمر مئات الملايين من السنين قبل الاصطدام الفعلي. عندما تصطدم الكرتان أخيرًا، يشتعل انفجار غاما قصير — وهو انفجار ساطع يُرى عبر نصف الكون. جمع علماء الفلك مجموعة كبيرة من هذه الومضات وحاولوا فهم المدة التي تمر عادةً من ولادة الزوج حتى نهايته.

تشبه المجرات مطابخ عملاقة، حيث تُضغط الذرات الخفيفة في أعماق النجوم إلى ذرات ثقيلة — تمامًا كما يُصنع الخبز من الدقيق والماء. عندما يموت النجم، يقذف ما تراكم إلى الغاز بين النجمي، مُغنيًا إياه بـ"توابل": الأكسجين والكربون والحديد.