منحنيات ضوء المستعرات العظمى

في زقاق هادئ من المجرة، حيث النجوم نادرة وعجوز، يضيء فجأة ضوء يفوق سطوع مجرة بأكملها. هذا هو مستعر أعظم من النوع Ia (Type Ia supernova) — انفجار نووي حراري لقزم أبيض، يستخدمه علماء الفلك كشمعة قياسية لقياس المسافات الكونية.

بعد انفجار المستعر الأعظم، يبقى في المركز جسم مضغوط بحجم مدينة — نجم نيوتروني وليد. هذه حالة قصوى من المادة: النجم حار، مضغوط إلى الكثافة النووية، ويهتز مثل الجرس بعد ضربة. هذه الاهتزازات — تذبذبات النجم — تبعث موجات ثقالية، تموجات في الزمكان، يمكن للكاشفات الحساسة على الأرض التقاطها.

في نهاية حياة نجم ضخم، تنهار نواته خلال أجزاء من الثانية، مولدة وميض مستعر أعظم. هذه الكارثة تهز نسيج الزمكان نفسه، فتبعث موجات ثقالية، تموجات تجري عبر الكون. لم نتمكن بعد من التقاط هذه التموجات مباشرة، لكنها وحدها القادرة على إخبارنا بما يحدث في قلب الجحيم، حيث لا يستطيع أي تلسكوب النظر.

17 مستعرًا أعظم من عينة ZTF DR2 اشتعلت قبل الموعد المتوقع. في الساعات والأيام الأولى بعد الانفجار، أصدرت ضوءًا أكثر مما تتنبأ به النماذج القياسية. يشبه علماء الفلك هذا بـ«الفتيل»: قبل أن يمزق الوميض المبهر السماء، يجري شعلة تمهيدية عبر الطبقات الخارجية. أكبر زيادة وصلت إلى 17% من التدفق الذروي — أي ما يعادل قدرًا نجميًا ظاهريًا قدره –17 تقريبًا.

لقرون، ظل الفلكيون يتأملون سماء الليل، ملتقطين أدق التغيرات في ضياء النجوم. هذه السلاسل غير المنتظمة – منحنيات الضوء – أشبه بالمدرج الموسيقي: كل نجم يعزف لحنه الفريد. لكن اليوم، تحولت تدفقات البيانات من التلسكوبات كمسح فيرا روبين (LSST) إلى نشاز يصم الآذان – مليارات «التسجيلات» كل ليلة.

ينهي النجم الضخم حياته بانهيار هائل: ينضغط القلب ليتحول إلى نجم نيوتروني أو ثقب أسود، بينما تتطاير الطبقات الخارجية في مستعر أعظم مبهر.

في كوكبة العقرب، على بعد 3000 سنة ضوئية من الأرض، يسرق نجم ميت المادة من نجم حي. القزم الأبيض في نظام IGR J17014-4306 — كرة كربون-أكسجين فائقة الكثافة، بكتلة تعادل الشمس لكن بحجم الأرض — يجذب الهيدروجين من نجم رفيق عادي.

في أبريل 2021، في مجرة تبعد 35 ميغا فرسخ فلكي، ظهر المستعر الأعظم SN 2021foa. وقد أثار حيرة الفلكيين على الفور: كان طيفه يتبدل بشكل محموم بين خطوط الهيدروجين و الهيليوم - وكأن النجم في سكرات الموت كان يتخلص باضطراب من طبقاته الخارجية.

قدرٌ يغلي فيه عصيدة، وبدلًا من الحبوب توجد طبقات من الأكسجين والسيليكون، والنار تحته على وشك أن تنطفئ، فينهار النجم على نفسه. حتى الآن، كان طهاة الفيزياء الفلكية يستخدمون وصفة مبسطة: يفترضون أن الفقاعات والدوامات في العصيدة تخضع لنفس متوسط درجة الحرارة عبر العمق كله. لكن العصيدة الحقيقية اتضح أنها أكثر نزقًا.

المصباح اليدوي لا يضيء دائرة متساوية، بل بقعة ساطعة في المنتصف وهالة ضبابية على الأطراف. إذا أطفأته بسرعة، فإن الأطراف هي آخر ما يخفت، ومن طريقة تلاشي الضوء يمكن تخمين شكل العاكس. هكذا تقريبًا يعمل انفجار غاما: عندما يطلق نجم منهار نفاثة ضيقة من البلازما، نرى فقط قلبها، وكل شيء آخر مخفي.

عود الثقاب يشتعل من طرفيه. أولًا تشتعل الرأس، وبعد لحظة يلتهم اللهب عود الخشب نفسه. شيء مشابه ربما يحدث في بعض المستعرات العظمى من النوع Ia — لكن بدل عود الثقاب، قزم أبيض (نجم بحجم الأرض)، وبدل النار، انفجار نووي حراري. في عام 2022، رصد الفلكيون المستعر الأعظم 2022an — وميض خافت يخفت بسرعة، يشبه أحداث النوع الفرعي 91bg.

مصباحان في واجهة عرض: أحدهما يضيء بضوء مزرق بارد، والآخر أكثر دفئًا وأصفر قليلًا. هكذا تقريبًا يبدو النوعان من المستعرات العظمى — Ib وIc — عندما ينظر إليهما علماء الفلك عبر التلسكوب. كلاهما يندلع في نهاية حياة نجم ضخم نجح في نزع غلافه الهيدروجيني، مثلما تفقد زهرة الهندباء زغبها. لكن أحدهما يحتفظ بقليل من الهيليوم، بينما الآخر لا يحتفظ تقريبًا بأي شيء.

انفجار المستعر الأعظم هو موت كارثي لنجم ضخم، يترك وراءه سحابة غازية متوسعة، أشبه بـ«شرنقة صادمة». إذا كان هناك الكثير من الهيدروجين في الجوار، تنتشر الموجة الصادمة عبره، مثل صدى طلقة بعيدة، تفقد طاقتها تدريجيًا.

البقعة الشمسية — جزيرة مظلمة على السطح الملتهب — تتنفس. كل ثلاث دقائق تنطلق منها موجة، تجري على طول قوس مغناطيسي غير مرئي وتجعل البلازما فوق البقعة المجاورة تومض بإشارة راديوية. التقطت التلسكوبات الراديوية سبعًا من هذه الومضات متتالية في 14 فبراير 2024. تكررت سلسلة الانفجارات بفترة زمنية تبلغ حوالي 160 ثانية.

ومضة أشعة غاما هي بمثابة طلقة من مدفع كوني. أولاً ومضة ضوء قصيرة، ثم تخميد. لكن داخل هذه الومضة الأمور ليست بهذه البساطة: لونها وسطوعها لا يتغيران في الوقت نفسه. أخذ العلماء 20 ومضة مفردة التقطها القمر الصناعي «فيرمي» وحللوها زمنياً. ركزوا على أمرين: متى تبلغ الومضة أقصى سطوع لها، ومتى يصبح إشعاعها في أقصى صلابة (أي بأعلى طاقة).

في أعماق جبل إيكينو الياباني، يوجد خزان يحتوي على خمسين ألف طن من أنقى المياه. فيه تُلتقط النيوترينوات — جسيمات شبحية تخترق الأرض من طرف إلى آخر دون أن تكاد تلاحظها. عندما ينفجر نجم في مجرتنا، تصل النيوترينوات أولاً، قبل الضوء بساعات. المستعر الأعظم يولّد وميضاً من النيوترينوات، وأصبح كاشف سوبر-كامينوكاندي قادراً على تحديد الجهة التي جاء منها بسرعة.

مصباح بعيد يضيء عبر زجاج غير مستوٍ. الزجاج يلوي الأشعة، فبدلًا من نقطة ضوء واحدة على الجدار تظهر عدة نقاط — بعضها أشد سطوعًا وبعضها أضعف. وبالمثل تقريبًا، تقوم مجرة ضخمة بلوي ضوء نجم منفجر. كان الانفجار واحدًا، لكن الصور أظهرت أربع نقاط مضيئة. لاحظ علماء الفلك النقطة الأولى بالصدفة: في بيانات تلسكوب ZTF ظهرت وميض أزرق بجوار مجرة بعيدة. ثم أظهر الطيف أن الضوء قطع أكثر من ثمانية مليارات سنة للوصول إلينا.

انفجار النجم الضخم حدث ساطع لكنه قصير. الومضة نفسها تستمر أسابيع، أما الغبار المحيط الذي سخنته فيستمر في التوهج بالأشعة تحت الحمراء لسنوات طويلة. الأمر أشبه بومضة كاميرا تضيء غرفة، ثم تظل جزيئات الغبار المتوهجة في الهواء مشتعلة بوهج خافت — لكن على نطاق كوني. دقق علماء الفلك في صور التلسكوب NEOWISE للأشعة تحت الحمراء على مدى 12 عامًا بحثًا عن هذا التوهج "المشتعل".

عندما يصطدم نجمان نيوترونيان، يولد الكيلونوفا — انفجار كوني لا يتوهج فقط من الحرارة، ولكن أيضًا من اضمحلال العناصر الثقيلة المشكّلة حديثًا. ومن بينها النيوديميوم — معدن أرضي نادر يختبئ في المعادن داخل باطن الأرض، وفي الفضاء يصبح لفترة قصيرة قائدًا رئيسيًا للضوء.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده النووي الحراري، يخلع غلافه الهيدروجيني الخارجي وينفجر، وكأنه زفير أخير يائس. تُصنَّف هذه الأحداث على أنها مستعرات عظمى من النوع Ib: انفجار بانهيار النواة، يخلو طيفه من خطوط الهيدروجين لكنه يحتوي على خطوط الهيليوم. هذا هو بالضبط ما رصده علماء الفلك.

تشبه الموجة الصدمية في الهالة الشمسية الدوي الصوتي الناتج عن طائرة، لكن بدل الهواء هناك بلازما شديدة الحرارة، وبدل الصوت هناك قفزة في الكثافة والمجال المغناطيسي. في 10 مارس 2024، مرت هذه الموجة عبر الجزء الغربي من القرص الشمسي. كانت ضعيفة لدرجة أن سرعتها تجاوزت السرعة المحلية للموجات المغناطيسية بنصف بالمائة فقط (عدد ماخ حوالي 1.005).

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.

عندما ينفجر نجم ضخم، يقذف سحبًا غازية هائلة في الفضاء. هذه السحب، التي تُسمى بقايا المستعر الأعظم، قد تمتد لمئات التريليونات من الكيلومترات. سحابتان من هذا القبيل، G107.7-5.1 وG150.3+4.5، قام علماء الفلك بدراستهما مؤخرًا باستخدام تلسكوب في تركيا. قاموا بتحليل ضوء هذه السحب إلى ألوانه، تمامًا كما يحلل المنشور الضوء الأبيض إلى ألوان الطيف.

عندما يصطدم نواتا رصاص بسرعة هائلة، تنشأ للحظة سحابة من المادة الملتهبة — أكثر كثافة وحرارة من مركز الشمس. عبر هذه السحابة تطير نفثات من الجسيمات: حزم ضيقة مثل أشعة الليزر، قُذفت بفعل الاصطدام. كاشف CMS يلتقط آثارها ويُظهر كيف تتغير النفثات وهي تشق طريقها عبر "الضباب" الساخن. قاس العلماء مدى اتساع انتشار جسيمات النفثة في اتجاهين: على طول محور الحزمة وعرضيًا.

النيوترينوات (neutrinos) جسيمات صغيرة لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. فهي تمر عبر النجم دون عوائق، مثل الرصاص عبر الضباب. عندما يستعد نجم ضخم للانفجار، تنضغط نواته، وترتفع درجة الحرارة، وتبدأ النيوترينوات بالانطلاق منه. ولأول مرة، تتبع الفيزيائيون الفلكيون هذه العملية بشكل مستمر، من الأيام الأخيرة في حياة النجم حتى اللحظات الأولى بعد انهيار نواته.

ثمانٍ وعشرون ثانية — هذا هو الوقت الذي استغرقته كاميرا آلية لتوجيه نفسها نحو ومضة في كوكبة استغرق ضوءها أكثر من تسعة مليارات سنة للوصول إلينا. عمل التلسكوب في مرصد أوندريوف التشيكي مثل جهاز إنذار الحريق: بمجرد أن رصد القمر الصناعي انفجار أشعة غاما، دوّر الروبوت الأنبوب وبدأ بتصوير السماء كل بضع ثوانٍ.

في 31 ديسمبر 2023، حدث على الشمس توهج من الدرجة القصوى — توهج تُطلق خلاله طاقة تعادل طاقة مليارات القنابل الذرية في غضون دقائق. وبرفقة هذا التوهج، انفصل عن السطح بروز شمسي ضخم — سحابة من الغاز شديد الحرارة انطلقت بعيدًا عن الشمس بسرعة تقارب 3000 كيلومتر في الثانية. هذا الانبعاث، مثل زورق سريع يبحر بأقصى سرعة، خلق أمامه موجة صدمة في الهالة الشمسية.

في أعماق نجم يحتضر، أثقل من الشمس بثماني مرات، وقبل أيام قليلة من الانفجار النهائي، يبدأ حمّى صامتة. ينضغط قلب النجم ويسخن، وتنبعث منه نيوترينوات — جسيمات صغيرة لا تكاد تتفاعل مع المادة. هذا التدفق يشبه همسًا خافتًا قبل صرخة مدوية: المستعر الأعظم لم ينفجر بعد، لكنه يرسل إشارة عن موته الوشيك. على الأرض توجد كاشفات قادرة على التقاط هذا الهمس.

النجم النيوتروني 1E 161348-5055 في بقايا المستعر الأعظم RCW 103 ينبض بفترة تبلغ 6.67 ساعة. هذا بطيء جداً لمثل هذا الجسم المضغوط، ولم يتمكن علماء الفلك لفترة طويلة من فهم ما يحدث. افترضوا أن النجم ليس كرة مثالية، بل مفلطح قليلاً، وأن محور دورانه يتمايل ببطء، مثل قمة دوارة أُطلقت.

كسوف الشمس الكلي هو لحظات نادرة يغطي فيها القمر القرص الشمسي المضيء، ويصبح الغلاف الجوي الخارجي للشمس، أي الإكليل، مرئيًا. في الضوء الأبيض، يمتد الإكليل لعشرات أنصاف أقطار الشمس، وتظهر في الصور بنى دقيقة: حلقات دوامية، وموجات تشبه تموجات الماء، وانبعاثات بلازما ضخمة. في السابق، كان علماء الفلك يرونها فقط بالقرب من الشمس، لأن لقطات الكسوف محدودة بمجال رؤية الكاميرا.

في أكتوبر 2022، رصد الكاشف الفضائي GECAM-C أقوى انفجار غاما GRB 221009A — وهو انفجار أصبح لفترة وجيزة ألمع مصدر لأشعة غاما في السماء. لكن الأكثر إثارة بدأ بعد ذلك: التقط الجهاز سلسلة من الومضات الإضافية، وكان أحدها قياسيًا. أطلق هذا الوميض طاقة قدرها 1.82×$$10^{53}$$ إرج — أكثر من أي وميض معروف بعد انفجارات غاما.

النيوترينوات الكونية هي جسيمات شبحية تعبر الأرض بحرية. التقط تلسكوب "آيس كيوب" في جليد القارة القطبية الجنوبية أحد هذه النيوترينوات، وتزامن مع وميض تحت أحمر. تبين أن هذا الوميض هو اللحظة التي كان فيها ثقب أسود يمزق نجمًا في مجرة بعيدة.

بعض المستعرات العظمى فائقة اللمعان المستعرات العظمى تُظهر بصمة أكسجين ساطعة في ضوئها وتتوسع بسرعة، بينما لا تفعل ذلك أخرى. بدا وكأنها ظواهر مختلفة. لكن المستعر الأعظم PTF12dam خرق القواعد: فمع تزايد السطوع، تغيرت بصمة الأكسجين، منتقلة من نوع إلى آخر.

انفجارات أشعة غاما هي أقوى الانفجارات في الكون: ينكمش نجم محتضر إلى ثقب أسود، ويطلق تيارات هائلة من الطاقة. وغالبًا ما يحدث ذلك بعد انفجار مستعر أعظم. لكن علماء الفلك رصدوا إيقاعًا غريبًا — في إشعاع 34 من هذه الانفجارات، ظهرت نبضات واضحة، مثل دقات قلب كوني.

في 9 أكتوبر 2022، رصدت كواشف أرضية انفجار غاما بقوة غير مسبوقة. كان GRB 221009A شديد السطوع لدرجة أن إشعاعه أيّن الطبقات العليا من الأيونوسفير، بينما تعمّت أجهزة الأقمار الصناعية مؤقتًا. في طيف هذا الانفجار، ميّز علماء الفلك لأول مرة بشكل موثوق سلسلة من خطوط الانبعاث التي تغيّرت طاقتها مع الزمن وفق قانون أُسّي.