تيار 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.

حول نجمٍ بدأ للتو في الاشتعال، يدور دوام من الغبار والغاز. هذا الدوام — القرص الكوكبي الأولي (protoplanetary disk) — ينمو بامتصاص المادة من السحابة المحيطة. ولكن كيف تسقط هذه المادة بالضبط: هل تتدفق بالتساوي على طول "الحواف" أم تندفع في تيارات كثيفة منفصلة؟ درس علماء الفيزياء الفلكية تسعة أنظمة نجمية باستخدام محاكاة ثلاثية الأبعاد على حاسوب فائق.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء يبرد بشكل غير متساوٍ. في بعض المناطق، ربما نشأت عيوب طوبولوجية (topological defects) — طيّات في الفضاء، خيوط طاقة رفيعة كالشعرة لكنها كثيفة بشكل لا يصدق. يسميها الفيزيائيون الأوتار الكونية. هذه الأجسام أحادية البعد تهتز وتتصادم وتصدر موجات جاذبية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه.

تبعد المجرة NGC 4254 عن مركز عنقود العذراء المجري مسافة مليون ونصف سنة ضوئية. تجر خلفها ذيلاً طويلاً من الهيدروجين المبرد — علامة على أنها تصطدم بسرعة عالية بـ الغاز الساخن. فقدان الوقود البارد يخمد ولادة نجوم جديدة.

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.

حجر يسقط في ماء هادئ — فتنتشر على السطح حلقات منتظمة. وإذا لم يكن الحجر يسقط فحسب، بل يدور أيضًا، تظهر على السطح دوامات صغيرة. الضوء يفعل الشيء نفسه، لكن بدل الماء يكون المكان والزمان نفسهما. اكتشف الفيزيائيون أن نبضة ضوئية، عندما تصطدم بعائق بسيط، يمكنها أن تلتف بنفسها إلى دوامة في الزمكان.

غصن يسقط في دوامة مائية. يدور ويتكسر، لكن أحيانًا ينطلق من المركز نافورة ماء قوية. تقريبًا هكذا يمزق الثقب الأسود نجمًا يمر بجانبه، وأحيانًا بعد ذلك ينطلق في الفضاء نفاث بلازما مبهر — النفاث.

تبدو المجرات القزمة التي تدور حول درب التبانة وكأنها عانت من عاصفة جاذبية. أجسامها النجمية ممدودة، متناثرة بذيول مدّية، ومسخنة من الداخل. هذا غريب، لأن جميع الحسابات تشير إلى أنها ينبغي أن تكون حصونًا منيعة — مغلفة بغطاء ثقيل غير مرئي من المادة المظلمة يحميها من التأثير المدمر لمجرتنا.

المادة المظلمة - الأساس غير المرئي للهندسة الكونية - تشكل 85% من الكتلة الكلية، لكنها تفلت من الرصد المباشر. في عشرينيات القرن الماضي، اكتشف إدوين هابل توسع الكون وعالم المجرات، وفي ثلاثينيات القرن نفسه، اشتبه فريتز زفيكي بوجود كتلة مخفية في تجمعاتها.

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.

سحابة أورت — تلك السحابة الهائلة من الكتل الجليدية على أطراف النظام الشمسي — تشبه فقاعة شفافة تمتد حتى سنة ضوئية في قطرها. عادةً، تظل هذه الكتل هادئة في زواياها البعيدة، لكن في بعض الأحيان يزعجها شيء ما. في أغلب الأحيان، يكون هذا هو تأثير المد والجزر لمجرتنا.

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.

بُعَيْدَ الانفجار العظيم، وفي مرجل الكون الفائر وهو يبرد، نشأت توترات — أشبه بشقوق في زجاج يتصلب بشكل غير متساوٍ — تلك هي الأوتار الكونية: أرقّ شقوق الواقع. تخيّلْ لاعِبَ حبلٍ (بهلوانًا) يتوازن على حبل خفيّ ممدودٍ عبر هاوية الزمكان المنحني. هذا الحبل مشدودٌ بحيث يختزن كل سنتيمتر منه طاقةً تُضاهي كتلة مليون طن.

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.

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.

غرفة مظلمة، يطفو الغبار في الهواء. يومض مصباح ساطع — فتتوهج ذرات الغبار كاشفةً عن أماكنها. طبق علماء الفلك أسلوبًا مشابهًا على مجرتنا. كان المصباح هو توهجات أشعة غاما — أقوى الانفجارات في المجرات البعيدة — بينما كانت ذرات الغبار هي سحب الغبار بين النجوم. تمر أشعة إكس المنبعثة من التوهج عبر هذه السحب، وينحرف جزء من الإشعاع جانبًا، فنرى حلقة مضيئة.

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.

المجرة Holmberg IX تشبه مدينة توقف فيها فجأة بناء المنازل الجديدة، رغم امتلاء المنطقة بمواد البناء. نظر إليها علماء الفلك باستخدام تلسكوبات مختلفة ورأوا مشهدًا غريبًا: الغاز والعناصر الثقيلة وفيرة، لكن الغبار يكاد يكون معدومًا. عادةً حيث يوجد الكثير من الغاز تولد نجوم جديدة، لكن هنا الأمر مختلف.

يمكن للثقب الأسود أن يعذب نجمًا ليس في حدث كارثي واحد، بل على مدى سنوات، نازعًا منه المادة تدريجيًا. الدور الرئيسي هنا تلعبه قوى المد والجزر — وهي الفرق في جاذبية الثقب الأسود التي تؤثر على الجانبين القريب والبعيد من النجم: الجانب القريب يُجذب بقوة أكبر بشكل ملحوظ، فيبدأ النجم بالتمدد.

على أطراف المجرة M83، التي تُعرف أيضًا باسم الدولاب الجنوبي، ينساب نهر من النجوم القديمة في الفضاء الخاوي. يمتد هذا النهر لمسافة 81 كيلوبارسك، أي حوالي 264 ألف سنة ضوئية، أي ما يعادل ضعفين ونصف قطر مجرتنا درب التبانة.

فوق سطح الشمس تتدلى أشرطة طويلة من الغاز المتوهج — تُسمى الأشرطة الشمسية (streamers). تشبه قيثارات عملاقة مشدودة في الهالة الشمسية. عندما تجري موجة على مثل هذا الشريط، فإنه يرتجف وينحني، مثل وتر بعد نقر. لوقت طويل، كان يُعتقد أن مثل هذه الموجة لا يمكن أن تُطلق إلا بواسطة انبعاث سريع جدًا للمادة — ذلك الذي يطير بسرعة تتجاوز 500 كيلومتر في الثانية.

سحابة غازية بحجم مجرة صغيرة تسقط نحو درب التبانة بسرعة تبلغ مئات الكيلومترات في الثانية. تُعرف هذه السحب باسم السحب عالية السرعة، ولم يكن يُعثر فيها حتى الآن على نجوم، بل غاز فقط. الآن، في إحداها التي تحمل اسم Complex H، رصد علماء الفلك زوجًا من التجمعات النجمية الفتية. عمر التجمعين 11,2 مليون سنة — وهو عمر طفولي بمقاييس النجوم.

مجرة بعيدة، تشبه مجرتنا درب التبانة، تنفخ الغاز في الفضاء كما تنفخ مجفف الشعر الغبار عن طاولة. اخترقت سبعة أشعة ضوئية قادمة من جسم أبعد سحابة الغاز هذه، فرأى علماء الفلك أن تدفق الغاز ضيق مثل نفث الماء من خرطوم، وليس عريضًا مثل المروحة. تصل سرعة الغاز إلى 239 كيلومترًا في الثانية، أي أسرع بـ200 مرة من طائرة ركاب.

تدخل المجرة إلى عنقود كثيف مثل عداء يندفع وسط حشد. التيار الغازي المعاكس – الذي يُسمى الوسط داخل العنقود – يجردها من غازها، ممددًا ذيلًا مضيئًا طويلًا. أطلق علماء الفلك على هذه المجرات اسم "قناديل البحر": فهي تمتلك جسمًا وأذرعًا متموجة من المادة الممزقة. لكن في القليل منها فقط تتوهج نجوم جديدة في هذه الأذرع.

يشبه الكون شبكة عنكبوتية عملاقة: فالمجرات ليست متناثرة عشوائيًا، بل تتجمع في عُقد وعلى امتداد خيوط. داخل الخيوط توجد كميات كبيرة من الغاز، وهناك غالبًا ما تتوهج نجوم جديدة. ولكن كيف تغير هذا الأمر مع مرور الزمن؟ قارن العلماء بيانات من نموذج حاسوبي مع ملاحظات حقيقية لآلاف المجرات. اتضح أنه في الكون الفتي، كانت المجرات التي تشهد ولادة نجوم عنيفة تقترب بالفعل من الخيوط.

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.

عندما يموت نجم ضخم وينفجر، فإنه يقذف ليس فقط الضوء، بل أيضًا جسيمات خفيفة غير مرئية. تنتشر هذه الجسيمات في جميع الاتجاهات بسرعة تقارب سرعة الضوء. لا يصل إلى الأرض سوى جزء صغير، ولكن من كل وميض تأتي دفعة خاصة. هذه الدفعات تتمدد على طول الطريق: الجسيمات السريعة تتجاوز البطيئة، وبحلول وقت الوصول قد تتمدد الدفعة على مدى عشرات الآلاف من السنين.

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.

مركز المجرة مدينة حيوية، حيث يمسك ثقب أسود عملاق بالنجوم الغافلة في كثير من الأحيان. لكن التلسكوبات التقطت توهجًا في ضاحية هادئة، على بُعد عشرات الآلاف من السنين الضوئية من النواة. هكذا كشف عن نفسه ثقب أسود متجول — مفترس خفي، طُرد من المركز بعد تصادم مجري قديم. مزق نجمًا مارًا، وأظهر وهج الاحتضار عناصر مألوفة — الهيدروجين والهيليوم.

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.

لا يمكن رؤية الثقب الأسود حتى يقترب منه نجم. عندها تعمل قوى المد على تمدد النجم كما يفرد الطباخ العجين، ويسقط جزء من المادة في الثقب، متوهجًا في اللحظات الأخيرة. هذه الأحداث، التي تسمى اضطرابات المد والجزر (tidal disruption events)، هي فرصة نادرة لوزن ثقب أسود كان سيظل خفيًا لولا ذلك. اضطراب المد والجزر هو عندما يمزق الثقب الأسود نجمًا اقترب منه كثيرًا.

على المقاييس الكبيرة، يشبه الكون شبكة عنكبوت هائلة: عناقيد المجرات الساطعة مترابطة بخيوط طويلة من المجرات والغاز والمادة المظلمة. كان يُعتقد سابقًا أن المادة تتدفق عبر هذه الخيوط نحو العناقيد، كما تتدفق عبر الأنابيب. لكن دراسة جديدة تُظهر أن الخيط بين عنقودين ليس مجرد قناة، بل ساحة لشد الحبل.

النجم النابض في سديم السرطان يومض مثل منارة: كل 33 ميلي ثانية يرسل نبضة راديوية، وهكذا بدقة الساعات الذرية. لكن في بعض الأحيان يضطرب دورانه: يزداد النجم فجأة في السرعة قليلًا، وكأن شيئًا ما ينزلق في داخله. كانت هذه الأعطال تُعتبر عشوائية، مثل نقرات بندول الإيقاع الذي يُدفع أحيانًا.

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.

النجم الثنائي الفتي IRS 44 في كوكبة الحواء يشبه مطبخًا مزدحمًا: تيارات الغاز، مثل خيوط العجين، تسقط على القرص الدوار، وعند نقطة الاصطدام يولد الحرارة. رصدات جديدة عالية الدقة أظهرت لأول مرة أن هذه الاصطدامات هي سبب التوهج غير المعتاد لجزيئات الكبريت. وجّه علماء الفلك مصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية/تحت المليمترية (ALMA) نحو النظام ورصدوا نجمين: IRS 44 A وIRS 44 B. حول النجم الثاني، يسقط الغاز بسرعة أكبر.

نهر من النجوم — ليس تجمعًا، بل شريط مضيء ممتد — يعبر أطراف مجرة بعيدة. تم اكتشاف مثل هذا التيار في بيانات المسح الأول لمرصد فيرا روبين. يمتد على طول المحور الصغير للمجرة LEDA 751050، مثل وشاح يرفرف من قرص المجرة. التيار ضخم: 130 × 15 كيلو فرسخ فلكي. للمقارنة، يبلغ قطر درب التبانة حوالي 30 كيلو فرسخ فلكي. أي أن هذا النهر النجمي أطول بأربع مرات من مجرتنا.

لقد اكتشفت فيرا روبين أن النجوم في أطراف المجرّات تتحرك بسرعة فائقة، وكأنها ممسوكة بشبكة غير مرئية. وكان فريتز زفيكي أول من اشتبه في وجود كتلة هائلة غير مرئية في عناقيد المجرات. اليوم نُطلق على هذا اسم المادة المظلمة ونحاول فهم مكوّناتها.

في الكون المبكر، بعد مليار ونصف مليار سنة فقط من الانفجار العظيم، اصطدمت ثلاث مجرات ضخمة في وقت واحد داخل حيز صغير من الفضاء. لقد قذف رقصها الجاذبي تدفقات هائلة من الغاز البارد إلى الخارج، امتدت لمسافة 60 كيلوفرسخ فلكي، أي ما يعادل عشرين ضعف قطر مجرتنا درب التبانة.