نصف قطر نجمي

النباض PSR J0614-3329 يدور 318 دورة في الثانية. نقطة على خط استوائه تتحرك بسرعة تعادل 10% من سرعة الضوء تقريباً. من الخارج، يبدو النجم كمنارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن شعاعها يندمج في حلقة متصلة. لكن تلسكوب NICER على محطة الفضاء الدولية يلتقط ومضات فردية من الأشعة السينية، ومن خلال نمطها يعيد بناء شكل الجسم غير المرئي.

شعاع الضوء، عند مروره بالقرب من جسم ضخم، ينحرف عن مساره المستقيم — وهي ظاهرة تعرف باسم العدسة الثقالية (gravitational lensing). تشبيه تدفق الماء الذي ينحني حول حجر في جدول ينقل الفكرة بشكل جيد: جاذبية الجسم الضخم تحني مسار الفوتونات، تمامًا كما يغير العائق مسار الماء.

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.

«فرجار» فضائي سيقيس قريبًا النجم النيوتروني بدقة تصل إلى مئة متر. بالنسبة لجسم يبلغ قطره عشرين كيلومترًا أو نحو ذلك، هذا يعادل قياس سُمك شعرة إنسان من مسافة كيلومتر. النجم النيوتروني هو بقايا مستعر أعظم منفجر. المادة فيه مضغوطة بشدة لدرجة أن ملعقة صغيرة منها تزن مليارات الأطنان.

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.

النجم النيوتروني هو نواة نجم ضخم سابق، انضغطت حتى صارت بحجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن بقدر جبل. لكن داخل هذه الكرة فائقة الكثافة قد يختبئ مفاجأة: تحت ضغط لا يمكن تصوره، تتفكك النيوترونات إلى كواركات، فيكتسب النجم نواة جديدة أكثر انضغاطًا. عندها قد توجد في الكون أزواج من النجوم لها الكتلة نفسها لكن أنصاف أقطار مختلفة — تُسمى النجوم النيوترونية-التوأم.

النجوم النيوترونية هي الوتر الأخير في تطور النجوم الضخمة. تولد في كارثة المستعر الأعظم، فتضغط كتلة تعادل كتلة الشمس في كرة بحجم مدينة أرضية.

عندما وجّه تلسكوب جيمس ويب الفضائي نظره إلى أعماق الزمن، توقع الفلكيون رؤية المجرات المعتادة. ولكن بدلاً من ذلك، تزيّنت الصور بمجموعة من النقاط الحمراء الساطعة والمدمجة بشكل لا يُصدق. هذه الأجسام، التي حصلت على لقب «النقاط الحمراء الصغيرة» (LRD)، لم تكن مدنًا نجمية، بل شيئًا أكثر غرابة – أشبه بفوانيس سماوية صغيرة، يحتدم بداخلها لهيب مخفي عن الأنظار.

جهاز قياس المسافة العادي يرسل نبضة ضوئية واحدة وينتظر عودتها – مثل شخص يصرخ في الفضاء الفارغ ويستمع إلى الصدى. لكن إذا استخدمنا عدة مصادر تضيء بتناغم، وحللنا ليس قوة الإشارة بل إيقاع تتابع الومضات المنعكسة، تصبح الصورة أكثر وضوحاً. تأثير الوميض المتزامن – الإشعاع الفائق – معروف من أعمال روي جلاوبر.

النجم النيوتروني هو مدينة بحجم مانهاتن، مضغوطة إلى كثافة تجعل ملعقة صغيرة من مادتها تزن مثل جبل إيفرست. لفهم ما يتكون منه داخليًا، يقيس العلماء نصف قطره. لكن هناك مشكلة: العديد من القياسات تعاني من أخطاء منهجية، كما لو كنت تحاول تحديد طول شخص يتحرك ويميل باستمرار.

الهيدروجين هو العنصر الأكثر انتشاراً. فذراته تشبه الهوائيات: تشع وتمتص الضوء عند ترددات محددة بدقة. تنبأ أينشتاين بأن الزمكان يمكن أن يتموج - هذه هي الموجات الثقالية.

إدوين هابل وجورج لومتر وضعا قبل قرن تقريبًا أسس مفهوم توسع الكون — وهي العملية التي يتمدد فيها الفضاء نفسه بين المجرات باستمرار. إحدى الطرق الكلاسيكية لاختبار هذه الفرضية هي اختبار السطوع السطحي: في الكون المتوسع، يجب أن يخفت ضوء المجرة البعيدة مثل رسم على غشاء يتمدد بشكل منتظم.

تشبه المجرة فطيرة مضيئة مرصعة بالنجوم. إذا نظرت إليها بشكل مسطح، ترى كل شيء دفعة واحدة — الأذرع الساطعة والطبقات الداكنة من الغبار. لكن بمجرد إمالة الفطيرة، يتغير المشهد: تتراكب الطبقات ويختلط الضوء. هذا التأثير بالذات، كما اتضح، يخلق وهم الارتباط الوثيق بين إشعاع الراديو وأشعة غاما في الأنظمة النجمية البعيدة.

في مركز درب التبانة يختبئ شيء غير مرئي لكنه ضخم جدًا — أثقل من الشمس بنحو أربعة ملايين مرة. عادةً ما يُطلق عليه الثقب الأسود ويُرمز له بالقوس A*. ومع ذلك، لا يفقد علماء الفلك يقظتهم: فربما ليس ثقبًا، بل شيء أكثر غرابة، مثل كرة عملاقة من جسيمات فائقة الخفة — نجم بوزوني.

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.

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 الشبكة الكونية الشاسعة، رصد تلسكوب جيمس ويب شيئًا غير عادي — شرارات حمراء صغيرة ولكن ساطعة، أطلق عليها علماء الفلك اسم «النقاط الحمراء الصغيرة». إنها تتوهج وكأن نارًا خفية تغلي في داخلها: طيفها يشبه حرف V، وخطوط الهيدروجين فيها متسعة، وكأن أحدهم لطخ الطلاء على لوحة.

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.

كل جزيء يشبه لعبة تركيب من الذرات: يمكن تجميع القطع نفسها بطرق مختلفة. التجميعان اللذان يحتويان على نفس مجموعة الذرات لكن بترتيب هندسي مختلف يُطلق عليهما اسم الأيزومرات (isomers). إذا كان أحدهما يُشتق من الآخر بمجرد دوران حول رابطة، فهما مُطابِقان (conformers)، مثل ذراع مثنية وأخرى ممدودة.

الشمس ليست مصباحًا ثابت الإضاءة تمامًا. بل يتمايل سطوعها قليلًا: تارة يزداد وتارة ينقص. وبالنسبة لمناخ الأرض، حتى التذبذبات البطيئة الممتدة على آلاف وملايين السنين مهمة. فهي التي ربما تركت أثرًا في السجل الجيولوجي لآخر 540 مليون سنة. قام عالم الفلك غيلر بقياس سطوع 170 نجمًا في العنقود المفتوح M67.

الضوء القادم من النجوم البعيدة، عندما يشق طريقه عبر الغبار الكوني، يفقد جزءًا من طاقته. تمتص حبيبات الغبار الضوء وتنثره، ومن كيفية قيامها بذلك عند الأطوال الموجية المختلفة يمكننا استنتاج تركيبها وأحجامها. يسمي علماء الفلك هذا بمنحنى امتصاص الغبار.

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.

النجم الشبيه بالشمس لا يضيء فحسب، بل يطن بهدوء. في داخله تغلي البلازما، وهذه الحركات تجعل السطح يرتفع وينخفض بشكل إيقاعي. يكاد يكون من المستحيل التقاط هذا الاهتزاز من الأرض: فهو يغرق في ضوضاء الغلاف الجوي والجهاز نفسه. لذلك يستمع علماء الفلك إلى النجوم من الفضاء، حيث يكون الجو أكثر هدوءًا. لفهم ما إذا كان النجم مسموعًا، يحسبون قوة "صوته" على خلفية التشويش.

الغاز في المجرة يتوهج مثل لوحة إعلانية نيون، ومن لون هذا التوهج يحدد علماء الفلك مدى سخونته. المنطق بسيط: كلما زادت العناصر الثقيلة في الغاز (التي يسميها علماء الفلك «معادن»)، كان تبريده أفضل. وبالتالي، يجب أن تكون درجة حرارة المجرات الغنية بالمعادن أقل. لكن الملاحظات الجديدة أظهرت العكس.

إذا بنينا غطاءً عملاقاً حول نجم، سنحصل على ما يُعرف بكرة دايسون. سيمتص هذا الغطاء كل الإشعاع الصادر عن النجم، وسيتوهج بأشعة حرارية غير مرئية. لم نرصد أي كرة من هذا النوع حتى الآن، لكن علماء الفلك يعرفون أن البحث عنها يجب أن يركز على هذا التوهج الحراري.

كشّافان ضوئيان متلاصقان: من بعيد يندمج ضوءهما في بقعة واحدة، فيبدو المصدر واحدًا. وهكذا في الفضاء: حوالي 10–20% من النجوم الخافتة هي في الواقع أزواج متلاصقة من نجمين متطابقين. لا يمكن تمييزهما منفردين، لكنهما معًا يضيئان بشكل أكثر سطوعًا من نجم مفرد له نفس الخصائص.

كوكب ملتصق بنجمه يشبه قطعة ثلج تُركت على مقلاة محمّاة. الثلج يذوب ويتبخر، لكن بدلاً من الماء، يكون الهيدروجين والهيليوم اللذان يشكلان الطبقة العليا من الكوكب. أحياناً يكون التبخر قوياً لدرجة أن الغاز لا يهرب فقط إلى الفضاء، بل يلتف حول النجم مكوناً حلقة تشبه عوامة السباحة. يسمي علماء الفلك هذه الحلقة "توروس"، لكنها ببساطة دونات من الغاز.

إذا سكبت حفنة من الخرز الملون على الأرض، فستستقر بشكل مختلف: بعضها يتجمع في أكوام، وبعضها يتناثر في الزوايا. تقريبًا هكذا تتوزع المجرات ذات الألوان المختلفة في الكون — الزرقاء والخضراء والحمراء. قرر العلماء قياس مدى "تكتل" توزيعها باستخدام رقم يُسمى البعد الكسوري. يُظهر هذا الرقم مدى كثافة امتلاء الأجسام للفضاء: فالسطح الأملس له بعد 2، والسطح المجعد أقل قليلًا، والنقاط المتناثرة أقل من ذلك.

التقط التلسكوب الراديوي إشارة من ثلاث مجرات كانت موجودة عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة. توهجها الراديوي قوي جدًا لدرجة أنه يبدو وكأن كلًا منها أنجب ألف شمس في السنة خلال فترة قصيرة. للمقارنة: مجرتنا درب التبانة تنجب فقط نجمين في السنة. تمر موجات الراديو بحرية عبر الغبار الذي يخفي النجوم الفتية في الضوء المرئي.

ضوء مصباح الشارع، عند مروره عبر ستائر معتمة، يتراقص: تتحرك الخطوط، ويشتد السطوع تارة ويخفت تارة أخرى. من هذا الإيقاع يمكن تخمين مدى اتساع المصباح نفسه. تقريبًا هكذا تعمل الطريقة الجديدة لقياس النجوم: بدلًا من التقاط صورة واضحة، يراقب الفلكيون "تموج" الضوء الذي تجمعه تلسكوبان أو أكثر في آن واحد.

في الليل، لا تكون السماء سوداء تمامًا. حتى بعيدًا عن المدن، تتوهج الطبقات العليا من الغلاف الجوي بشكل خافت: ضوء الشمس يجعل ذرات الهيدروجين تصدر توهجًا محمرًا يسميه الفلكيون الانبعاث الجيوكوروني. بالنسبة للتلسكوب، هذا مثل زجاج مغشى: يضيف ضوءًا زائدًا ويعيق رؤية المجرات البعيدة.

في السحب الداكنة من الغاز بين النجوم حيث تولد النجوم، تتجمع المادة في عقد كثيفة — مهد النجوم المستقبلي. يقيس علماء الفلك المسافات بين هذه العقد من خلال صور السماء، لكن الصورة مسطحة بينما السحابة حجمية. التحويل من المستوى إلى الحجم ليس بالمهمة السهلة كما يبدو. عادةً يُفترض أن المسافة المسطحة بين العقد المتجاورة يجب ضربها في 4/π ≈ 1,27 للحصول على المسافة الحجمية.

الضوء القادم من مصدر بعيد، عند مروره بجوار نجمة نيوترونية، ينحني مثل شعاع مصباح يدوي في مرآة ملتوية. أجرى الفيزيائيون الفلكيون تجربة عددية: أطلقوا أشعةً بالاتجاه المعاكس من الراصد نحو النجمة، وراقبوا الصورة التي سيراها التلسكوب. داخل النجمة، المادة مضغوطة لدرجة أن سلوكها يوصف بمعادلة بسيطة — كلما زاد الضغط، زادت الصلابة في المقاومة. النجمة النيوترونية هي بقايا انفجار نجمة ضخمة.

الغبار في الفضاء ليس مجرد أوساخ، بل هو المادة الخام لنجوم وكواكب المستقبل. ولكن كيف يتوزع في مجرتنا، ظل لفترة طويلة لغزًا: إذ يصعب قياس الغبار مباشرة، فهو يحجب ضوء الأجرام البعيدة. الآن، تمكن علماء الفلك من النظر عبر هذا الحجاب باستخدام بيانات عن خمسة ملايين نجم — من حيث سطوعها ولونها وموقعها الدقيق في السماء.

نظر تلسكوب جيمس ويب إلى الوراء 11 مليار سنة ورصد مجرات تظهر لنا من الجانب. ولقياس سُمكها، ابتكر العلماء طريقة بارعة: حسبوا السُمك كما يُحسب سُمك قرص رقيق مائل قليلاً، وليس أفقياً تماماً. عانت التقديرات السابقة من عدم الدقة لأنها افترضت زاوية مثالية.

منكب الجوزاء هو عملاق أحمر فائق، ومصيره أن ينتهي قريبًا بانفجار هائل كمستعر أعظم. لكن يبدو أن النجم ليس وحيدًا: فحول مدار قريب يدور رفيق صغير أُطلق عليه اسم سيفارخا. كل 2000 يوم يخترق هذا الرفيق الطبقات الخارجية الرقيقة لمنكب الجوزاء، مثل قارب يشق صفحة الماء، فيثير موجات من الغاز الملتهب.

ومضات الراديو السريعة هي ومضات كونية ساطعة، تشبه إشارة البداية التي تطلق سباقًا لموجات الراديو عبر الكون. استخدمها علماء الفلك كمختبر طبيعي لاختبار ما إذا كان الفوتون — كمية الضوء والجسيم الحامل للتفاعل الكهرومغناطيسي — يمتلك كتلة.

مجرة NGC 1560 هي جزيرة متواضعة من النجوم والغاز على بعد عشرة ملايين سنة ضوئية منا. منحنى دورانها، الذي قيس لأول مرة في عام 1991، أصبح أيقونة للباحثين عن بديل للمادة المظلمة. على الرسم البياني لسرعة الدوران مقابل نصف القطر، تظهر انحناءات تبدو وكأنها تكرر بدقة انحناءات توزيع المادة العادية.

يُكمل النظام الشمسي دورة كاملة حول مركز درب التبانة كل 210 ملايين سنة. آخر مرة كنا فيها على هذا الجانب من المجرة كانت عندما كانت الديناصورات المبكرة تجوب الأرض. هذا الرقم، 243.72 كم/ث، أمكن تحسينه بفضل نجوم نادرة تندفع عبر المجرة مثل قذائف المدفع. النجوم عالية السرعة هي مسابر تستكشف الحقل الثقالي للمجرة.