مدار نجمي

تبدو السماء الليلية هادئة، لكنها في الحقيقة ممطورة بمطر غير مرئي من الجسيمات المشحونة، وهي الأشعة الكونية. يحاول العلماء منذ زمن طويل فهم أين تولد أكثرها طاقة. حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن مجرتنا تزود الجسيمات حتى طاقة تبلغ نحو 4 إلكترون فولت (EeV)، وهي ما يُسمى "الكاحل" في الطيف. لكن البيانات الجديدة تفرض إعادة النظر في هذا الحد.

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.

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.

مفاعل الاندماج النووي من نوع ستيلاراتور يشبه شرنقة مغناطيسية ملتوية ببراعة. مهمته هي احتجاز البلازما شديدة الحرارة لكي تندمج نوى الهيدروجين وتنتج الطاقة. لكن الشكل ثلاثي الأبعاد للشرنقة يخلق فجوات: بعض الجسيمات تهرب إلى الخارج، خاصة الأسرع منها، وهي التي تحمل الحرارة الأساسية.

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.

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.

قرص غازي بوزن أربعمائة ألف شمس يحيط بـ الثقب الأسود فائق الكتلة في مركز درب التبانة. يعمل جاذبيته كدفة ثقالية: يدير مدارات النجوم الثنائية ببطء ولكن بحتمية، دافعاً إياها إلى المنطقة حيث القوى المديّة تمزق الزوجين.

يرسم خبير الأرصاد خطًا أسود سميكًا عبر أوروبا: إلى الشمال صقيع، إلى الجنوب ذوبان جليد. هذا الحد — صفر الحرارة — لن يخبرنا ما درجة الحرارة في ستوكهولم أو روما، لكنه سيقول بكل أمانة أين ينتهي الشتاء. في علم الكون في السنوات الأخيرة، ظهرت خريطة يمكن رسم حد مماثل عليها.

1799 كيلومترًا في الثانية — بهذه السرعة يغادر النجم S5-HVS1 المجرة إلى الأبد. قبل 4.8 مليون سنة، قُذف من مركز درب التبانة أثناء اقتراب قريب من الثقب الأسود فائق الضخامة Sgr A*. يترك مثل هذا الحدث أثرين أحفوريين: نجم هارب فائق السرعة ورفيقه الذي تم أسره في مدار بيضاوي. ربما تم العثور على الأثر الثاني.

نجم تابي، منارة في بحر الفضاء، منذ عام 2015 يحير علماء الفلك. ضوؤه يتلألأ ليس بإيقاع الكواكب، بل كما لو كان مبعثرًا بعاصفة — انخفاضات عميقة، طفرات حادة. لكن في وسط هذه الفوضى، ظهر انخفاض منتظم، شبه مثالي. عين العاصفة. سجل تلسكوب TESS عبور (transit) — مرور جسم غير مرئي عبر قرص النجم — استمر لمدة 21 ساعة. بلغ العمق 1,1%.

لأكثر من قرن، حيّر السلوك المتقلب لنجوم نوع RR القيثارة علماء الفلك: يزداد سطوعها وينخفض بشكل دوري بسعة لا يمكن التنبؤ بها، مثل منارة بآلية معطلة. ظل تأثير بلاجكو، الذي اكتُشف عام 1907، يثير فضول العلماء لعقود. ولم يتمكن سوى تلسكوب كيبلر الفضائي، بدقته البالغة، من إيجاد مفتاح هذا اللغز.

في مركز درب التبانة، يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة — الرامي A* — محاطًا بالغبار والوهج. حوله، كالفراشات حول اللهب، تدور عشرات النجوم الدالة. اثنان منها، S2 و S38، بمدارين بيضاويين وفترات دوران تستغرق بضع سنوات، أصبحا بطلين رئيسيين في اختبار القوانين الأساسية للكون.

في مركز درب التبانة، حيث يهيمن الثقب الأسود فائق الكتلة الرامي A* بلا منازع (والذي حُسبت مقياسيته لأول مرة بواسطة كارل شفارتسشيلد)، يخوض النجم S4714 رحلة مذهلة.

في مركز مجرة صغيرة جداً توجد كتلة كثيفة من النجوم والمادة المظلمة. هذه الكتلة، التي تسمى سوليتون، ليست ثابتة في مكانها: فهي تهتز وتتذبذب مثل الهلام على طبق. تخلق الاهتزازات تموجات في سحابة المادة المظلمة المحيطة، وهذه التموجات، مثل دفعات خفيفة، تدفع النجوم بعيداً عن المركز على مدى مليارات السنين.

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.

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.

اقترب كوكب بحجم نبتون كثيرًا من نجمه. يبدأ النجم في جذب الطبقات العليا من الكوكب نحو نفسه، ويتدفق الغاز منه مثل الماء من دلو ممتلئ. تُعرف هذه العملية باسم التدفق عبر فص روش (Roche lobe)، وهو الحد الذي يمكن للنجم بعده أن يمزق المادة من الكوكب. اتضح أن ضخ الغاز هذا لا يدمر الكوكب فحسب، تاركًا نواة كثيفة، بل يعمل أيضًا كمثبت ضخم.

ذراع نهر نجمي يلتف حول مركز مجرة بعيدة، مثل شريط مضيء على إطار غير مرئي. هذا الإطار هو الهالة المظلمة: سحابة ضخمة من المادة المظلمة غير المرئية، والتي تمسك النجوم والغاز بجاذبيتها. إذا كانت الهالة مفلطحة مثل القرع، أو مستطيلة مثل الشمام، فإن التيار النجمي سينحني بشكل مختلف. العلماء من فريق Potamides تتبعوا انحناءات 15 تيارًا في مجرات أخرى، ولأول مرة حصلوا على شكل الهالة منها.

إذا ضربت جرسًا، فإنه سيصدر نغمة واحدة. أما إذا وضعت بداخله لسانًا ثانيًا، ورنّ كلاهما دون أن يتلامسا، فسيصبح الصوت أكثر تعقيدًا. هذا تقريبًا هو حال النجم النيوتروني في الدراسة الجديدة. إنه ليس مجرد كرة ملتهبة: فقد تتدفق في داخله سائلان لا يمتزجان — مثل النيوترونات فائقة الميوعة والبلازما العادية.

النجم الثنائي TIC 287869463 هو زوج متقارب: أحد النجمين ينبض مثل الجرس، بينما يقوم الآخر بتمديده بجاذبيته، مثل المد والجزر في المحيط. عادةً، تنتشر النبضات عبر النجم كموجات، لكن هنا، إحدى الموجات ثابتة في مكانها. حلل علماء الفلك بيانات TESS على مدى ثلاث سنوات — الضوء الصادر من 50,000 زوج نجمي. في هذا النظام، وجدوا ترددين للنبضات منزاحين بمقدار ست دورات مدارية بالضبط.

في سحابة غازية كبيرة حيث تولد النجوم، تكون خطوط المجال المغناطيسي مصطفة في اتجاه واحد تقريبًا، مثل الألياف في قطعة من اللباد. ولكن بمجرد أن ننظر إلى الداخل، إلى الكتل الكثيفة التي ستتشكل منها النجوم لاحقًا، يتغير المشهد: هناك، تلتف الخطوط في اتجاهات مختلفة، وكأنها كرة من الخيوط بعد أن لعب بها قط صغير. قاس علماء الفلك اتجاهات المجال في 79 من هذه الكتل في 14 سحابة مختلفة.

لا يصدر وتر الغيتار إلا نغمات معينة عند الضغط على الدساتين. وهكذا قرص الغاز والغبار حول النجم الفتي: تخترقه موجات موقوفة، لكن لا تبقى إلا اهتزازات محددة. حيث تبلغ الموجة قمتها، تتكثف الغبار الكوني والهيدروجين، ثم تولد كواكب خارجية من بعد. وبين القمم توجد منخفضات لا تكاد توجد فيها كواكب.

في السابق، كان علماء الفلك يحسبون كتلة المجرات كما لو كانت كرات مثالية. لكن المجرة عبارة عن قرص مسطح كالرقاقة. النموذج الجديد «المفقود والمعثور عليه» يأخذ الشكل الحقيقي في الحسبان: فهو يجمع قوى الجاذبية من جميع أجزاء القرص، وليس فقط من الانتفاخ المركزي.

تدور النجوم على أطراف المجرات بسرعة فائقة غير متوقعة. وفقاً لنيوتن، كلما ابتعدنا عن المركز، يفترض أن تتباطأ الحركة — كما في حلقة الرقص، حيث يتحرك الراقصون على الأطراف ببطء. لكن في الواقع، تندفع أطراف المجرات بسرعة تقارب سرعة النواة، مما يشبه دوامة الخيل الضخمة: حيث تجري الخيول الخارجية أسرع لتلحق بالداخلية. لكن المجرة لا تحتاج إلى محرك — فهي تدور بنفسها.

ضوء النجم الزائف البعيد — وهو نواة مجرة شديدة السطوع — يمر بجوار مجرة ضخمة وينحني، مثل شعاع مصباح يدوي عبر زجاج غير مستو. إذا كانت العدسة والمصدر في محاذاة شبه مثالية، فإننا لا نرى نجمًا زائفًا واحدًا بل عدة نسخ منه. وقد عثر علماء الفلك على أصغر نظام من هذا القبيل: نصف قطره 0.2 ثانية قوسية فقط — وهذا مثل تمييز عملة معدنية من مسافة 200 كيلومتر.

المجرات الأخرى مجرد لقطات قديمة، بينما درب التبانة نراقبها حية. بمقارنة بيانات 30 عاماً، اكتشف العلماء أن مركز المجرة يتسارع وكأنه يزداد نشاطاً: الثقب الأسود فائق الكتلة ازدادت كتلته، حيث يبتلع سنوياً كتلة تعادل كتلة كويكب كبير؛ القضيب النجمي (شريط ضخم من مليارات النجوم، يشبه ذراع دوامة ضخمة) أصبح يدور بسرعة تزيد 5%؛…

في سحب الغاز الباردة حيث تولد النجوم العملاقة، كل شيء يغلي بالحركة. ينضغط الغاز، ويلتف، ويتفتت إلى كتل — نجوم المستقبل. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن المجال المغناطيسي هو الذي يفرض النظام هنا: فهو، مثل خيوط غير مرئية، يمدد الكتل عبر نفسه. لكن الملاحظات الجديدة أظهرت العكس. وجه علماء الفلك التلسكوب الراديوي ALMA نحو 30 منطقة تتشكل فيها نجوم ضخمة.

في السماء الجنوبية يلمع نجم أكروكس (Acrux) بسطوع — وهو أدنى نقطة في كوكبة الصليب الجنوبي. هذا ليس نجمًا واحدًا، بل عائلة كاملة. أظهرت ملاحظات جديدة أنه لا يوجد فيه خمسة، بل سبعة نجوم مرتبطة بالجاذبية، مثل أطفال يمسكون بأيدي بعضهم في رقصة دائرية. في السابق، عرف علماء الفلك أن في مركز النظام يوجد نجمان لامعان — ألفا-1 وألفا-2، وحولهما تدور ثلاثة نجوم أخرى أخفت.

في مركز مجرتنا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة، تدور حوله نجوم. حركتها تشبه رقصة دائرية: بعضها يندفع في مدارات إهليلجية ممدودة، وبعضها في مدارات شبه دائرية. إذا كانت هناك مادة مظلمة غير مرئية بالقرب من الثقب الأسود، فإنها تُحدث تشوهًا طفيفًا في هذه المدارات، وكأن يدًا خفية تدفع النجم جانبًا.

عادةً ما تولد النجوم الزرقاء العملاقة في مشاتل نجمية ضيقة — تجمعات مفتوحة داخل القرص الرقيق لمجرتنا. لكن في بعض الأحيان توجد هذه النجوم على ارتفاع كبير فوق القرص، وكأنها قُذفت من المنزل. كيف وصلت إلى هناك؟ قرر علماء الفلك إجراء "اختبار أبوة": أخذوا 39 من هذه النجوم اليتيمة و447 تجمعًا نجميًا، وتتبعوا مساراتها إلى الوراء في الزمن باستخدام بيانات تلسكوب Gaia. يقيس تلسكوب Gaia مواقع النجوم وسرعاتها بدقة هائلة.

قبل حوالي 300 مليون سنة، كانت منظومة زحل تشبه حلبة رقص مزدحمة، حيث أي خطوة خاطئة قد تؤدي إلى كارثة. القمر الأضخم، تيتان، بدأ يزيح عن موضعه — وهذه الحركة، كدفعة عنيفة في زحام، أخرجت الجيران عن توازنهم.

المجرة القزمة الرامي — التابعة لمجرتنا درب التبانة — اصطدمت بقرص درب التبانة مرارًا وتكرارًا، مثل حجر يُلقى في بركة هادئة. كل اصطدام من هذا القبيل ولّد اضطرابات جاذبية: موجات كثافة وانحناءات في الحقل النجمي، والتي يرصدها الفلكيون اليوم.

كوكب عملاق يدور قريبًا جدًا من نجمه. في كل دورة، يجذب الكوكب النجم بجاذبيته، فتنشأ في أعماق النجم موجات تشبه الدوائر التي تتكون عند رمي حجر في الماء. هذه الموجات تثبط مدار الكوكب، فيسقط الكوكب في النجم بشكل حلزوني. يبتلع النجم الكوكب ويبدأ في الدوران بشكل أسرع. دوران النجم هو مفتاح الحل.

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 هذا السيناريو، يعمل الكون كطاولة بلياردو عملاقة. الكواكب الخارجية الضخمة — العمالقة الغازية مثل المشتري — تلعب دور الكرات الثقيلة. عند الاقتراب الشديد، تنقل جزءاً من طاقتها المدارية إلى العوالم الداخلية الخفيفة — كواكب من النوع الأرضي. هذه «الضربة بالعصا» الجاذبية يمكن أن تقذف كوكباً صغيراً خارج نظامه النجمي الأم، فيتحول إلى عابر سبيل حرّ الطيران — كوكب خارجي بلا نجم خاص به.

ثلاث مجرات بعيدة تدور مثل دوامات عملاقة. تتحرك نجومها وغازها على طول أذرع حلزونية، ومن خلال سرعة هذه الحركة يمكن حساب كمية المادة الكلية في المجرة — المرئية منها وغير المرئية. دمج علماء الفلك بين منظورين: أظهرت التلسكوبات الراديوية الغاز البارد، بينما أظهر تلسكوب جيمس ويب الفضائي النجوم.

الفورتونات هي أطواق كونية غير مرئية، حلقات مغلقة من الزمكان المنحني. أرق من الذرة لكنها أثقل من النجوم، تدور هذه البقايا من الانفجار العظيم مثل دوامات عملاقة، ملتفة بكل ما حولها. معادلات أينشتاين تصف كيف ترقص الجسيمات قرب هذا الطوق: المسارات إما تلتف في لوالب أو تتحرك بفوضوية.

قرص درب التبانة النجمي هو كقرص دوار لامع، أما المادة المظلمة فسحابة غير مرئية تحيط به. لأول مرة، تم قياس شكله بدقة. تتبّع علماء الفلك حركة ملايين النجوم وبنوا خريطة ثلاثية الأبعاد لـ الهالة المظلمة حتى مسافة 160 ألف سنة ضوئية.

باستخدام أقوى تلسكوب فضائي 'جيمس ويب'، ألقى علماء الفلك نظرة على كواليس الفضاء وشاهدوا كيف تتغير حلقات الكويكب شاريكلو. بفضل العبور أمام نجم – حيث يلقي الجسم كسوفًا صغيرًا على نجم بعيد، وهي طريقة قياسية للبحث عن كواكب حول نجوم أخرى – تمكنوا من رؤية: الحلقة الداخلية ازدادت كثافة، كما لو أن مزيدًا من الراقصين انضموا إلى الرقصة، بينما كادت الحلقة الخارجية…

في السحابة المظلمة NGC 6334I-North، على بعد 5500 سنة ضوئية من الأرض، رصد مرصد ALMA شيئًا غير متوقع: حول نجم شاب ضخم يدور قرص من الغاز والغبار، وداخله سبعة تكثفات كثيفة. كل واحد منها قد يصبح نجمًا. هكذا تبدو ولادة عائلة نجمية، عائلة كبيرة بشكل غير معتاد.