تشكل الثقب الأسود فائق الضخامة

في سحابة كثيفة من الغاز والغبار، حيث تولد النجوم الضخمة، مرّ نجمان شابان قريبين جدًا من بعضهما مؤخرًا. رقصتهما تستمر حوالي ستين عامًا فقط، ولأول مرة تمكن علماء الفلك من رؤيتها بالتفصيل. يقع النظام IRAS 07299−1651 على بعد 1.4 كيلو فرسخ فلكي منا، وخلال ثماني سنوات من الرصد، تحرك مكوناه في السماء مسافة لا تستطيع العين تمييزها، لكن الأجهزة سجلتها بدقة تصل إلى جزء من عشرة آلاف من الثانية القوسية.

تعداد سكاني حسب شكل الجسم: هكذا يمكن وصف ما فعله علماء الفلك مع 6348 مجرة ضخمة. بدلاً من الطول والوزن، قاسوا مدى تركيز الضوء نحو المركز، ومدى تفلطح المجرة، ومدى عدم تناظر شكلها. ثم أجروا نفس القياسات على المجرات من ثلاثة نماذج حاسوبية للكون وقارنوا النتائج. كل نموذج يشبه فناناً يرسم صورة شخصية من الذاكرة: يلتقط الملامح العامة لكنه يخلط في التفاصيل.

في أعماق السحب الجزيئية تختبئ مضخمات طبيعية — مازرات كونية. تعمل مثل الليزر، لكن في نطاق الراديو: جزيئات مثارة تبعث معًا موجات بنفس التردد، منتجة شعاعًا ساطعًا. المشكلة أن هذه الجزيئات غالبًا ما تملك عدة مسارات لتفريغ الطاقة. أحدها يؤدي إلى التضخيم، والآخر — مثل ثقب في دلو — يفرغ المخزون بسرعة دون فائدة. كان يبدو أن التسرب السريع يجب أن يفرغ المستوى العلوي ويطفئ المازر. لكن الحياة أعقد من ذلك.

سباق ماراثوني طوله 13 مليار سنة بدأ بأوزان مختلفة. مئة كتلة شمسية — أخف من بعض السحب الغازية. مئة ألف — هيمنة جاذبية، مقارنة بفيل بين قطط صغيرة. هكذا بدت أجنة الثقوب السوداء التي كان عليها أن تتحول إلى عمالقة فائقة الكتلة بحلول وقتنا. تلسكوب جيمس ويب صادفها في طفولتها وتعجب: مجرات صغيرة، وفي مركزها ثقب كتلته مليارات الشموس.

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.

نظر تلسكوب «جيمس ويب» إلى عصر كان فيه عمر الكون أقل من مليار سنة، ورأى أجسامًا غريبة — «نقاطًا حمراء صغيرة». وهي ثقوب سوداء بكتلة تعادل ملايين الشموس، لكن في مجرات صغيرة جدًا وغير متأثرة كيميائيًا تقريبًا. السيناريوهات القياسية لا تسمح بنمو مثل هذه الأثقال في هذا الوقت المبكر. التفسير الجديد يشبه إطعام سمكة قرش بسرب من الأسماك الصغيرة.

النجوم الضخمة هي عمالقة كونية، تعيش حياتها تحت لواء طاقة لا تُقهر. عندما يدخل مثل هذا النجم مرحلة نجم B[e] فائق العملقة، يصبح إشعاعه قويًا لدرجة أنه يبدو قادرًا على تفكيك أي جزيء إلى ذرات. الخطوط الطيفية، التي نظمها ذات يوم يوهان بالمر، تتوهج هنا بشراسة خاصة. لكن الطبيعة، مثل نحات متقلب المزاج، تمسك بيدها ليس مطرقة بل منحتًا فوق بنفسجي — وبدلاً من الفوضى تخلق أشكالاً رشيقة.

كان الكون المبكر عند انزياح أحمر z>7 ميدانَ نموٍّ لا يُكبح: ثقوبٌ سوداء تبلغ كتلها مليار كتلة شمسية كانت تشعّ بالفعل على هيئة كوازارات، تبتلع الغاز بسرعة هائلة. كيف استطاع هؤلاء العمالقة النمو في هذا الوقت القصير هو أحد أكثر ألغاز الفيزياء الفلكية إثارة.

المجرات العدسية هي «الهادئة» في الكون: لها قرص، لكن بلا أذرع حلزونية لامعة. ظل أصلها لغزًا لفترة طويلة. أطلق فريق من العلماء محاكاة حاسوبية باسم Hydrangea وتتبعوا مصير كل مجرة منذ شبابها حتى يومنا هذا. على مخطط «الكتلة-الحجم»، اصطفت هذه المجرات على شكل حرف V. المجرات S0 الخفيفة والثقيلة تصل إلى شكلها عبر طريقين مختلفين.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا، يتوهج نواة نشطة — ثقب أسود فائق الكتلة محاط بقرص مسطح دوار من الغاز شديد الحرارة. هذا القرص يرمش من تلقاء نفسه، لكن علماء الفيزياء الفلكية اشتبهوا في أن بداخله يختبئ سرب كامل من الثقوب السوداء الصغيرة ذات الكتل النجمية. إنها تهاجر عبر الغاز، مثل الحصى التي تتدحرج نحو الحفر على سطح غير مستوٍ، وتعلق في أماكن خاصة — مصائد الهجرة.

تخيل كشافاً: إذا نظرت إليه من الجانب، يضيء بضوء أحمر خافت، أما إذا نظرت إليه مباشرة في وجهك، فإنه يبهرك بضوء أبيض مزرق. ووفقاً لبيانات جديدة، هكذا تبدو "النقاط الحمراء الصغيرة" الغامضة في الكون المبكر. إنها ثقوب سوداء عملاقة — أجسام ذات جاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها — موجهة نحونا بحافتها.

في الكون المبكر، قد تكون نشأت ثقوب سوداء صغيرة جدًا — بكتلة جبل، ولكن بحجم نواة ذرية. اليوم، يمكنها أن تعمل كمصانع للمادة المظلمة المادة المظلمة. هناك آليتان: التبخر المعتاد (إشعاع هوكينغ) والإشعاع الفائق الأقل شهرة.

حقل مزروع بالبذور. بعض البذور كبيرة وتنبت عند أول مطر، وبعضها الآخر متقلب، يتطلب تربة خاصة وظروفًا نادرة. يعتمد شكل الغابة بعد سنوات طويلة على نوع البذور التي تسقط في الأرض. وبنحو مماثل، يفكر الفيزيائيون الفلكيون في ولادة الثقوب السوداء في الكون المبكر. نظر تلسكوب جيمس ويب إلى الماضي البعيد بما يتراوح بين 12 و13 مليار سنة، ورأى هناك ثقوبًا سوداء تبلغ كتلتها مليارات الشموس.

الكون مليء باللامرئي. نعرف عن المادة المظلمة من دوران المجرات وعدسات الجاذبية، لكن طبيعتها تفلت منا منذ قرن. أحد أكثر الافتراضات جرأة، الذي طرحه ستيفن هوكينغ، يقول: قد تتكون المادة المظلمة من ثقوب سوداء بدائية — أجسام وُلدت في بوتقة الكون المبكر الحارقة قبل النجوم الأولى.

وارثًا لأفكار إدوين هابل، نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى زمن كان فيه توسع الكون لا يزال في بداياته. عند انزياحات حمراء z>4، اكتشف أجرامًا غريبة — "النقاط الحمراء الصغيرة" (LRD). أطيافها تشبه شكل حرف V: قفزة بالمر حادة وخطوط انبعاث هيدروجينية عريضة.

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.

توسع الكون، الذي اكتشفه إدوين هابل، منحنا صورة عن الكون الفتي، لكنه جلب معه أسئلة صعبة. JWST ينظر إلى عصر المجرات الأولى ويجد هناك شيئًا لا يُصدق: ثقوب سوداء بكتلة مليار شمس تتوهج مثل الكويزارات، رغم أنه لم يكن لديها الوقت الكافي لتجميع هذه الكتلة.

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.

بعد بضع مئات الملايين من السنين فقط من الانفجار العظيم، بدأت عمالقة الثقوب السوداء تتشكل في محيط من المادة المظلمة غير المرئية. لقد وُلدت من المادة ذاتها — دون مساعدة من النجوم. هذه الآلية، المستندة إلى معادلات لومتر، تفسر ظهورها المبكر. السر الرئيسي يكمن في الشكل.

ترقص أزواج الثقوب السوداء قبل الاندماج بثلاثة أنماط مختلفة. الأول هو رقصة الفالس الأنيقة: تدور الأجسام في نفس الاتجاه، مثل شريكين ينظران إلى الجهة نفسها. تنشأ هذه الأزواج من نجوم ثنائية، وغالباً ما تكون كتلتاها غير متساويتين. الثاني هو الديسكو الفوضوي: الدورانات متناثرة الاتجاهات، والكتلتان متساويتان تقريباً.

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.

ألقِ حجرًا في بركة ماء، وستنتشر دوائر على سطحها. الدائرة الأكثر وضوحًا وُلدت من أقوى تموّج. هكذا تقريبًا يتخيل الفيزيائيون نمو الاضطرابات حول الثقب الأسود: إذا كان هناك عدم استقرار في النظام، فيجب أن يظهر أولًا مكوّنه «الأعلى صوتًا» — أي الذي ينمو بأسرع ما يمكن. لكن عملًا جديدًا يُظهر أن هذه الصورة البسيطة قد تفشل أحيانًا. درس المؤلفون ثقبًا أسود غير عادي.

حول مجرتنا، مثل تاج غير مرئي، تمتد سحابة غازية رقيقة محمّاة إلى ملايين الدرجات. تُسمى هذه الهالة المجرية. من الصعب رؤية هذا التوهج مباشرة لأنه يصدر أشعة سينية ناعمة تمتصها الغلاف الجوي للأرض. لكن التلسكوبات الفضائية، مثل eROSITA، قادرة على التقاط هذا الضوء الخافت ورسم خرائط للتنفس الساخن لدرب التبانة.

نجم يزن مئة ألف شمس يعيش حياة مشرقة وقصيرة. نهايته هي انهيار سريع إلى ثقب أسود. لكن قبل النهاية مباشرة، ينجح في أن يلف نفسه بشرنقة غازية كثيفة. هذه الشرانق بالضبط هي ما يميزه تلسكوب جيمس ويب حول الأجسام الغامضة — "النقاط الحمراء الصغيرة". أخذ علماء الفلك خمسة نماذج لنجوم فائقة الكتلة بتركيبات مختلفة وتتبعوا حياتها خطوة بخطوة.

الكون في عمر بضع مئات الملايين من السنين كان يشبه مطبخًا عملاقًا، حيث كانت المجرات الأولى تُشكَّل من «عجين» أولي — الهيدروجين والهيليوم. في مراكزها اشتعلت الثقوب السوداء، مثل أفران بقدرات مختلفة: من «مواقد» خفيفة إلى «مواقد» ثقيلة.

بئر بلا قاع — ولكن ليس تمامًا. الثقب الأسود العادي له حدود، أفق الحدث، الذي لا يعود منه شيء. وماذا لو أزلنا هذا الحد؟ هذا هو بالضبط الجسم الذي يُدعى JMN-1، والذي قام علماء الفيزياء الفلكية بمحاكاته: جسم ضخم نشأ من انهيار نجم، لكن دون حجاب لا يمكن اختراقه.

في أطراف درب التبانة توجد نجوم تتحرّك عكس التيار العام — مثل سيارات تسير في الاتجاه المعاكس. كان يُعتقد سابقًا أن جميعها بقايا مجرّة قزمة واحدة مزّقتها مجرّتنا وابتلعتها. لكن دراسة جديدة تُظهر أن مثل هذه المجرّات «المعاكسة» كانت متعددة. اختار العلماء نجومًا ذات ميل مداري منخفض واستطالة معتدلة، مستخدمين بيانات الحركة من تلسكوب Gaia والتركيب الكيميائي من الأطياف.

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.

على أطراف مجرتنا، بعيدًا خلف القرص النجمي المألوف، رصد تلسكوب سوبارو شيئًا غير متوقع: سحابة نجمية منتشرة تمتد عبر السماء على مساحة مئة درجة مربعة. الأمر أشبه بالعثور في الفناء الخلفي على أثر لضيف مرّ من هنا — لكن الضيف كان سحابة ماجلان الكبرى، المجرة القزمة التابعة لدرب التبانة.

في مركز المجرة PDS 456 يتوهج نجم زائف (quasar) — ثقب أسود يبتلع الغاز الذي يشع بسطوع يفوق مئات المليارات من النجوم. حدّق مرصد الأشعة السينية XRISM في هذا الضوء ورأى فيه صفًّا من الخطوط الداكنة، تشبه ظل سياج خشبي عند الغروب. كل خط هو سحابة غاز حجبت جزءًا من الإشعاع. لكن الخطوط كانت منزاحة نحو الطاقات العالية، وكأن كل السحب تتجه نحونا بسرعة هائلة.

في التلسكوب تظهر مجرة تشبه دولاب هواء ضخمًا متوهجًا. يمتد قرصها لمسافة ثلاثين ألف سنة ضوئية — ثلث قطر مجرتنا درب التبانة. لكن الأكثر إثارة للدهشة: هذا الدولاب كان موجودًا بالفعل بعد ملياري سنة فقط من ولادة الكون. كان يُعتقد أن مثل هذه الأنظمة النجمية الكبيرة والمنظمة تحتاج وقتًا أطول بكثير لتتجمع.

تخيل غلاية ماء تغلي. عند نقطة الغليان، يتعايش السائل والبخار بشكل منفصل وواضح. لكن إذا رفعنا الضغط ودرجة الحرارة فجأة، يختفي هذا الحد: تتحول المادة إلى حالة فوق حرجة، لم تعد سائلة ولا غازية، بل شيئًا بينهما، حيث تختفي الفروق. من المدهش أن الثقوب السوداء تظهر سلوكًا مشابهًا.

رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي مجرات قديمة تحتضن ثقوبًا سوداء عملاقة — فهي ضخمة جدًا بالنسبة لعمرها الصغير بعد الانفجار العظيم. بالنسبة للنمو الطبيعي، حيث يبتلع الثقب الأسود المادة المحيطة تدريجيًا ويندمج مع جيرانه، لم يكن الوقت كافيًا. إذن، فقد تشكلت بطريقة مختلفة.

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.

تلسكوب جيمس ويب رصد ثقوبًا سوداء — الاسم الذي أطلقه عليها جون ويلر، بينما وصفها كارل شفارتسشيلد بأنها فخ للضوء — وقد بلغت كتلتها ملايين المرات كتلة الشمس بعد 500 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم.

رصد تلسكوب جيمس ويب (JWST) الفضائي في الكون المبكر أجسامًا متراصة ولكنها ساطعة بشكل شاذ مع انزياح أحمر. لمعانها يفوق بعشرات المرات القيم النموذجية لـالمجرات في تلك الحقبة. يعتقد الفيزيائيون الفلكيون أن داخلها تختبئ ثقوب سوداء بكتل من رتبة مليارات الكتل الشمسية.

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%؛…

تبدو السماء ليلاً ساكنة، لكن أحياناً يبدأ أحد النجوم فجأة بالتوهج. هذا ما حدث مع النظام AT 2019wey: رصده تلسكوب TESS، الذي يُستخدم عادة للبحث عن كواكب حول نجوم أخرى، لكنه صادف أن كان يصور منطقة السماء المطلوبة كل نصف ساعة. وبفضل هذا، تمكن علماء الفلك لأول مرة من رؤية كيف يستيقظ الثقب الأسود في نظام مزدوج — حرفياً، إطاراً بإطار. في النظام AT 2019wey، يسحب الثقب الأسود المادة من نجم عادي مجاور.

في قلب درب التبانة، خلف ستار كثيف من الغبار، يختبئ تجمع هائل من الغاز يُعرف بالمنطقة الجزيئية المركزية. لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة: فالغبار يمتص الضوء المرئي، تمامًا كما يخفي الضباب الكثيف أضواء المدينة. لكن موجات الراديو والأشعة تحت الحمراء تخترق هذا الستار، مما يسمح لعلماء الفلك بتمييز السحب الفردية.

يشبه نموّ المجرّة رقصة بين شريكين: في مركز كل مجرّة كبيرة تقريبًا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة، وهما ينموان معًا.