مستعر أعظم من النوع Ia

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.

الكون محيط شاسع ومظلم. نحن لا نرى سوى الزبد المضيء على سطحه — النجوم والمجرات. وفي الأعماق تكمن قوتان خفيتان: المادة المظلمة، التي تمنع المجرات من التفرق بفعل جاذبيتها، والطاقة المظلمة، التي على العكس تدفع الفضاء نفسه، مما يجعل الكون يتوسع بشكل متسارع.

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.

في أعماق الأرض، في صمت المبرد (cryostat) — وهو حاوية مبردة — توجد بلورات من الرصاص كانت يوماً جزءاً من سفينة رومانية قديمة. هذه المادة لا تصدر إشعاعاً خلفياً تقريباً — فخلال ألفي عام اضمحلت النظائر غير المستقرة فيها، وأصبحت الآن نقية تماماً لاصطياد الأحداث النادرة. بُنيت تجربة RES-NOVA لالتقاط استجابة النيوترينوات (neutrinos) من انفجار مستعر أعظم في مجرتنا.

في السادس من أغسطس عام 1181، لاحظ علماء الفلك الصينيون نجماً جديداً في كوكبة ذات الكرسي. أشرق لمدة 185 يوماً، ثم خفت ببطء واختفى، تاركاً فقط سجلاً في التواريخ. اليوم في مكانه يوجد قزم أبيض ساخن (لب نجمي مضغوط بدون تفاعلات نووية)، مسخن إلى عشرات الآلاف من الدرجات. هذا هو بقايا مستعر أعظم خافت من النوع النادر Iax. كان يمكن أن يتغذى الانفجار من مادة نجم مجاور.

صائد الضوء القديم — تلسكوب جيمس ويب — وجّه مراياه إلى بقعة صغيرة من السماء ورصد منارة غريبة. الجسم الذي يحمل الاسم العملي beacon_1420-$$5253_{4770}$$ اشتعل ثم خفت. في البداية، أُدرج ضمن المرشحين ليكون أبعد مجرة — وكأننا نراها بعد 300 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. لكن المجرات لا تتصرف هكذا: فهي لا تختفي في غمضة عين بين المجرات.

الأوركسترا الكونية لا تُضبط على شوكة رنّانة واحدة. هناك مجموعتان من الآلات: الأولى تُصغي إلى همهمة الكون الفتي — إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والأخرى تقرأ النوتات من المجرات الناضجة والمستعرات العظمى. لعقود، حاولت المجموعتان عزف نغمة واحدة متناغمة — أي تحديد سرعة تباعد الأرخبيلات المجرية.

النجم الضخم لا ينطفئ ببساطة — إنه ينفجر على هيئة مستعر أعظم، تاركًا وراءه بقايا متوسعة و نجمًا نيوترونيًا يدور بسرعة جنونية — نجمًا نابضًا. في هذه العاصفة الكونية تولد أنماط مذهلة، وكان نظام «نيمبوس» — «الرعد» مثالاً مبهرًا عليها. تتدلى البقايا كسحابة مطر، ويخترقها النجم النابض الفائق الصوت كصاعقة برق.

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.

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.

المستعرات العظمى من النوع Ia هي الأوتار الأخيرة المبهرة في سيمفونية التطور النجمي: عندما يتجاوز قزم أبيض الحد الذي تنبأ به سوبراهمانيان تشاندراسخار، ينفجر بسطوع يعمي للحظة مجرة كاملة.

نجمان محترقان بحجم الأرض — لكن كل منهما أثقل من الشمس — يدوران في مدارين متقاربين بشكل متزايد، حتى يصطدم أحدهما بالآخر. يطلق الاصطدام انفجارًا نوويًا حراريًا، ويولد مستعر أعظم من النوع Ia. هذه التوهجات بمثابة منارات كونية لقياس المسافات في الكون. ومع ذلك، لا تزال تفاصيل نشأتها موضع جدل. في الدراسة الجديدة، حسب العلماء كيفية توهج سحابة الغاز بعد مئات الأيام من الاصطدام.

نار دائمًا ما تتوهج بنفس الدرجة من الحرارة — سواء ألقيت عود ثقاب في وسط الجذع أو أشعلت عدة شظايا من الأطراف. هذا تقريبًا سلوك المستعرات العظمى من النوع Ia — الانفجارات الكونية التي يستخدمها علماء الفلك كمسطرة لقياس المسافات في الكون. لوقت طويل، كان يُعتقد أن مثل هذا الانفجار يحدث عندما يلتقط قزم أبيض (بقايا نجم فائقة الكثافة) مادة من نجم مجاور ويصل إلى كتلة حرجة.

يُملأ بالون بالهواء. في البداية يتمدد بسرعة، ثم يتباطأ، ثم فجأة يتسارع مرة أخرى، وكأن أحدهم يضخ المزيد من الهواء. هذا ما يبدو أنه يحدث في كوننا. نظر علماء الفلك من تعاون Dark Energy Survey (DES) إلى ماضي الكون باستخدام «مسطرتين»: الموجات الصوتية للكون المبكر وانفجارات المستعرات العظمى.

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.

المنارة تومض بدقة مرة كل ثانية. إذا كانت تتحرك في مدار دائري، فإن ومضاتها تصل إما أبكر قليلًا أو متأخرة قليلًا — مما يكشف عن رفيق غير مرئي. هكذا كشف علماء الفلك عن الرفيق الخفي للنجم IY Lyrae. IY Lyrae هو نجم متغير نابض في القرص السميك للمجرة. يتغير لمعانه بفترة تبلغ حوالي نصف يوم: يتمدد النجم وينكمش بإيقاع منتظم. لكن ظهرت خلل في هذا الإيقاع.

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.

في عام 1987، شاهد علماء الفلك وميض مستعر أعظم في مجرة مجاورة - سحابة ماجلان الكبرى. كانت هدية نادرة: حدث الانفجار قريبًا بما يكفي لالتقاط ليس فقط الضوء، بل أيضًا النيوترينوات (جسيمات شبه مراوغة تخترق الأرض بالكامل). منذ ذلك الحين، تُستخدم بيانات ذلك الانفجار كمرشّح: إذا كان بإمكان أي جسيم افتراضي أن يحمل طاقة زائدة من النجم المحتضر، فإن خصائصه تُقيَّد.

نجوم Be هي نجوم سريعة الدوران ذات قرص غازي ساطع. عادةً ما يقوم نجم مرافق بتدويرها: عندما تتدفق المادة من النجم المجاور، فإنها تُدور النجم مثلما يُدور الحجر في المقلاع. لكن توجد أيضًا نجوم Be منعزلة بلا رفيق — وظل أصلها لغزًا طويلاً. تظهر دراسة جديدة أن الانفجار مستعر أعظم يمكن أن يولد هذه المنعزلات.

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.

قام علماء الكونيات بقياس السرعة التي تتباعد بها المجرات البعيدة في مناطق مختلفة من السماء. وللقيام بذلك، استخدموا نوعين من "المساطر الكونية": تجمعات المجرات وانفجارات المستعرات الأعظمية من نوع معين. أظهرت الطريقتان النتيجة نفسها: في اتجاه واحد، يتمدد الكون أسرع قليلاً منه في الاتجاه المعاكس. الفرق صغير — حوالي 2 سيغما، أي أنه قد يكون عشوائياً، لكنه يتكرر في جميع الفحوصات.

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.

في أعماق كوكبة العقاب، يختبئ سديم يشبه فقاعة منتفخة. تنفخه نجمة صغيرة بحجم مدينة، وهي نجم نابض يدور عدة مرات في الثانية ويفقد طاقة دورانه. عادةً، تتوهج هذه الفقاعات بقدر قوة نجمها النابض. لكن هذه الفقاعة، التي أطلق عليها اسم «مسرّع العقاب»، أظهرت سطوعًا يفوق المتوقع. التقط تلسكوب LHAASO في جبال الصين أشعة غاما من هذا السديم بطاقة تتجاوز مئة تيرا إلكترون فولت.

في أعماق النجم المحتضر قبل انفجار المستعر الأعظم، تجري تفاعلات نووية تحدد أي العناصر الكيميائية ستنتشر في الفضاء. أحد هذه التفاعلات هو اصطدام نواة الأكسجين مع بروتون، ينتج عنه نواة النيتروجين وجسيم ألفا (نواة الهيليوم).

في أعماق المجرة، تولد أحيانًا نجوم هاربة. قوة هائلة تقذفها من مكانها المعتاد — انفجار مستعر أعظم. واحدة من هذه الرحّالات اكتُشفت مؤخرًا: نجم من فئة LP 40-365، وهو شظية قزم أبيض نجا من انفجار غير مكتمل. يتكون الغلاف الجوي لهذا النجم بالكامل تقريبًا من النيون والأكسجين — كما لو أن النار لم تترك سوى جمرات لا تحترق.

يستغرق الضوء القادم من نجم بعيد مليارات السنين ليصل إلينا، وخلال هذه الفترة يتمدد الكون. كيف يمكن التحقق من أننا نفهم هذا المسار بشكل صحيح؟ يستخدم علماء الفلك "مسطرتين": انفجارات المستعرات العظمى، التي تُرى بلمعان معروف، والومضات الراديوية السريعة — نبضات راديوية قصيرة وقوية من مجرات أخرى. إذا أظهرت المسطرتان نفس المسافة، فهذا يعني أن هندسة الكون تعمل بدقة.

في المجرات البعيدة تعيش نجوم قديمة تنتفخ وتحمر. بينها مجموعتان تشبهان المنارات: بعضها بدأ للتو احتراق الهيليوم، والبعض الآخر يحرق الكربون والأكسجين. استخدم علماء الفلك تلسكوب هابل للنظر في 92 مجرة ومقارنة سطوع هذين النوعين من النجوم.

تضخم عملاق أحمر في كوكبة الدجاجة لدرجة أن طبقاته الخارجية تتدفق نحو جاره الصغير لكن الثقيل — القزم الأبيض. يدور الغاز حول القزم كما يدور الماء حول مصرف الحمام، ثم يسقط عليه. لكن في نظام الدجاجة CH، هذا التدفق ليس هادئًا: كل 682.5 ثانية، يتوهج إشعاع الأشعة السينية ثم يخفت. الأمر يشبه منارة تدور وترسل شعاعًا.

زوج من النجوم يدور حول بعضهما البعض. أحدهما قزم أبيض كثيف بحجم الأرض ولكن بكتلة الشمس. جاره نجم عادي ينقل مادته إلى القزم. من وقت لآخر، ينفجر الغاز المتراكم مثل قنبلة هيدروجينية هائلة، ويصبح النجم أكثر سطوعًا بآلاف المرات مؤقتًا. هذا هو المستعر المتكرر T Pyxidis، وقد حدثت له مثل هذه الانفجارات ست مرات منذ عام 1890.

في عامي 2013 و2020، كان التلسكوب نفسه في هاواي يراقب بقايا نجم منفجر — ذات الكرسي A. التُقطت الصور في ضوء الحديد المتوهج، كما لو كنا نصور تيارات معدنية غير مرئية تندفع عبر الفضاء. على مدى سبع سنوات، عثر علماء الفلك على 263 كتلة كثيفة — وهي حطام قذفه الانفجار. بعضها لم يتحرك تقريبًا من مكانه: يبدو أنها اصطدمت بالغاز الذي كان النجم قد ألقاه قبل الانفجار.

تم التقاط الكوكب الشاب AU Mic b في اللحظة التي كان يختبئ فيها خلف نجمه. كان تلسكوب سبيتزر يراقب التوهج تحت الأحمر: عندما اختفى الكوكب، ضعف الضوء الكلي للنظام قليلاً. كان الفرق 171 جزءًا في المليون فقط — مثل قطرة حبر واحدة في عشرة دلاء من الماء. لكن هذا كان كافيًا لقياس درجة حرارة الجانب النهاري لعالم بعيد. اتضح أن الكوكب محمّى حتى 1031 كلفن (حوالي 758 درجة مئوية).

في جيب سترة قديمة، قد تجد أحيانًا تذكرة سينما عمرها ثلاث سنوات. لا يمكنك استعادة الزمن منها، لكن يمكنك معرفة أين ذهب صاحبها. هكذا هي الأقزام الساخنة — نجوم صغيرة في مرحلة متأخرة من حياتها، تلمع معظمها في الأشعة فوق البنفسجية. ضوءها مثل تلك التذكرة: يحكي عن الماضي، لكن قراءته صعبة. أخذ علماء الفلك خريطة السماء من تلسكوب Gaia، حيث يترك كل نجم بصمته — طيفه مقسمًا إلى ألوان.

عندما ينفجر نجم بعيد، يصل ضوءه إلينا بعد رحلة تستغرق مليارات السنين. يقيس علماء الفلك مدى خفوت مظهره، ومن ذلك يحسبون المسافة. عادةً ما تُستخدم في هذا الغرض نماذج معقدة تتضمن الطاقة المظلمة وألغازًا أخرى. لكن الآن تم العثور على نمط بسيط: إذا أخذنا سطوع المستعر الأعظم وطرحنا منه لوغاريتم المسافة مضروبًا في خمسة، نحصل على خط مستقيم.

تنهي النجوم الضخمة حياتها بانفجار هائل - مستعر أعظم. تنضغط أنويتها إلى نجم نيوتروني (كرة فائقة الكثافة حيث تزن ملعقة صغيرة من مادتها مليار طن) أو إلى ثقب أسود. ولوقت طويل، كان يُعتقد أن النوع الأكثر شيوعًا من هذه الانفجارات يقتصر على النجوم المنفردة. لكن المستعر الأعظم SN 2018gj خرق القاعدة.

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.

المستعرات العظمى من النوع Ia هي بمثابة "شموع قياسية" في علم الكون: لمعانها الأقصى متطابق تقريبًا، مما يسمح بتحديد المسافة بناءً على السطوع الظاهري: كلما كان الجسم خافتًا، كان أبعد. هذه المستعرات العظمى تُستخدم كعلامات لقياس المسافات إلى المجرات البعيدة.

يستخدم علماء الفلك المستعرات العظمى من النوع Ia — وهي انفجارات نووية حرارية للأقزام البيضاء — بوصفها «شموعًا قياسية»: فقد اعتُبر لمعانها الأقصى ثابتًا في جميع أنحاء الكون لفترة طويلة.

يرسل اليراع ومضة تستمر واحدًا على عشرة مليارات من الثانية في مكان ما فوق التايغا السيبيرية. من المستحيل رؤية ذلك، لكن منشأة TAIGA-HiSCORE، المنتشرة على وادٍ في منطقة تونكينسكي في بورياتيا، حاولت التقاط مثل هذه الومضات بالضبط — ليس من الحشرات، بل من أعماق الفضاء. عادةً، يلتقط هذا النظام المكون من العديد من الكواشف الحساسة للضوء جسيمات أشعة الكون التي تصطدم بالغلاف الجوي للأرض.

في المرفأ الهادئ للفقاعة المحلية — وهي تجويف مخلخل من الغاز الساخن حول الشمس — دوى انفجار مؤخرًا. اشتعل مستعر أعظم على بعد عشرات الفراسخ منا، ولا يزال صداه يتردد في الأرجاء، مغيرًا صورة الأشعة الكونية. لطالما اعتُقد أن تدفق الجسيمات من المجرة منتظم، كضوء مصابيح بعيدة متعددة.