ثنائي أشعة سينية

في مركز المجرة، حيث يلف ثقب أسود فائق الضخامة قرصًا من الغاز الملتهب حوله، تولد أحيانًا نجوم عملاقة. وهي لا تشبه النجوم العادية: فالقرص يغذيها باستمرار بالمادة، وقد ينمو النجم ليصل إلى مئات الكتل الشمسية، ويظل ساطعًا ما دام تدفق الغاز مستمرًا. هذا النجم مثل إسفنجة تمتص الماء: إنه يعيش ما دام يُملأ.

نحات يشكل الجبال من المجالات المغناطيسية والحرارة، لكن الحجر يقاوم. النجم النيوتروني — بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم — في نظام ثنائي يسحب المادة من النجم المجاور. هذه المادة الساقطة تسخن قشرة النجم بشكل غير متساوٍ، بينما يسحبها المجال المغناطيسي من الداخل.

يعمل الثقب الأسود في زوج وثيق مع نجم مرافق كمضخة جاذبية: يسحب الغاز من جارته، ويلفه في قرص تراكم متوهج، ومن وقت لآخر يقذف جزءًا من المادة بعيدًا في نفاثين نسبيين ضيقين. في عام 2021، أقام النظام الثنائي الأشعّي 4U 1543-475 مثل هذا العرض.

ألقِ حجرين مختلفي الشكل في بركة ماء — ستخبرك الدوائر على سطح الماء أيّهما كان أملس وأيّهما كان ذا زوايا. هكذا تعمل الموجات الثقالية — تموجات الزمكان التي تنبأت بها النسبية العامة: عندما يندمج جسمان فائقا الكثافة، تحمل ارتجاجات الزمكان تفاصيل عن بنيتهما الداخلية.

في مجرة بعيدة، على بعد حوالي 290 مليون سنة ضوئية منا، يتربص الجسم HLX-1. كان يتوهج في الماضي بأكثر من مئات المليارات من الشمس، لكنه أصبح الآن هادئًا. من عام 2018 إلى عام 2022، راقبت التلسكوبات الفضائية «هابل» و«شاندرا» و«سويفت» تلاشيه. انخفض الأشعة السينية الصادر عن الثقب الأسود بنحو مئة مرة مقارنة بذروة عام 2010.

مايو 2022. تثبّتت عيون مستقطب الأشعة السينية IXPE ومطياف NuSTAR ومراقب NICER بشكل متزامن على نقطة واحدة في السماء — على ثقب أسود في نظام الدجاجة إكس-1، حيث يدور حول تطور النجوم في نجم ثنائي بفترة قدرها 5.6 يومًا. مرت الساعات وتجمعت الفوتونات، لكن بين الحين والآخر كان التدفق ينخفض فجأة. وكأن أحدًا يغطي الضوء بحاجب.

أسرع ريح في الكون تندفع بسرعة 0,58 من سرعة الضوء. تقطع المسافة من الأرض إلى القمر في ثانيتين. هذه الريح ليست نفاثة ضيقة، بل تيارًا عريضًا من الغاز ينفث من مركز المجرة. ليست كل الثقوب السوداء تعمل بنفس الطريقة: بعضها يولد مثل هذه الأعاصير، والبعض الآخر يطلق أشعة بلازما ضيقة. الإجابة تشبه تعشيق التروس.

الثقب الأسود هو مكان لا يمكن لأي شيء أن يهرب منه. لكن بعض النظريات تسمح بأنه في الأعماق، على المستوى الكمومي، قد يرتد ويتحول إلى نقيضه — ثقب أبيض، لا يفعل سوى قذف المادة والضوء. قامت مجموعة من الفيزيائيين ببناء نموذج حاسوبي لمثل هذا التحول. أخذوا ثقباً أسود دوّاراً وتتبعوا مسارات أشعة الضوء من القرص الساخن حوله — أولاً عندما يكون الثقب لا يزال أسود، ثم عندما أصبح أبيض.

في نظام ثنائي متقارب، يضيء النجم الساخن، ككشاف ضوئي، رفيقه الأكثر برودة. يتشتت جزء من الضوء على الإلكترونات الحرة في غلافه الجوي — وهذا هو تشتت تومسون — ويكتسب استقطاباً خطياً. مع تحرك النجمين في مدارهما، يدور هذا الاستقطاب، كعقرب بندول إيقاع كوني عجيب.

في مركز مجرة بعيدة، يحيط بالثقب الأسود فائق الكتلة قرص مسطح دوار من الغاز والغبار — قمع عملاق يحتوي مادة كونية. قد يظهر في هذا القرص جسم مضغوط صغير، مثل ثقب أسود آخر بكتلة نجمية. يتحرك على طول مداره، لكنه من وقت لآخر يخترق القرص بالكامل، مثل إبرة تخترق القماش. كل اختراق من هذا القبيل هو لقاء مع مقاومة الغاز، مما يغير مساره تدريجياً.

قطرة من الهيليوم البارد تمرّ على مسافة خطرة من ثقب أسود. ليست مجرد قطرة — إنها نجم ميت بحجم الأرض، لكن بكتلة تضاهي كتلة الشمس. سوبرامانيان شاندراسيخار أظهر يومًا أن مثل هذه الأجرام — الأقزام البيضاء — يمكن أن توجد، وها هو أحدها، هيليومي، يلتقي بالهاوية.

في عام 2022، بدأ علماء الفلك في اكتشاف منارات كونية غريبة — العابرات الراديوية طويلة الدورة. على عكس النجوم النابضة السريعة، التي اكتشفتها جوسلين بيل بورنيل في عام 1967، كانت هذه الأجسام تنفجر بدورات تصل إلى عشرات الدقائق والساعات.

حول نار غير مرئية يدور غاز متوهج. النار نفسها مخفية، لكن ملامحها تُستشف من طريقة رقص اللهب. هكذا تقريباً "يرى" علماء الفلك الثقوب السوداء — ليس الجسم نفسه، بل المادة شديدة الحرارة التي تتسارع إلى سرعات هائلة قبل سقوطها في الهاوية وتتوهج.

العديد من الثقوب السوداء محاطة بمجالات مغناطيسية. تدور الثقب فتسحب معها الزمكان المنحني، تمامًا كحدافة الآلة، وتشغّل المصنع الكوني. وعندما يميل المجال المغناطيسي بالنسبة لمحور الدوران، يصبح حزام إنتاج المصنع فعالاً بشكل خاص – وينشأ مجال كهربائي بقوة هائلة.

مكنسة كهربائية قوية لا تبتلع الغبار فحسب، بل تبتلع أيضًا كيس جمع النفايات الخاص بها. هذا تقريبًا ما يفعله الثقب الأسود في مركز "النقطة الحمراء" - مجرة بعيدة حيث لا يأتي التوهج من الثقب نفسه، بل من غلافه الغازي الكثيف. هذا الغلاف سميك لدرجة أنه يشبه نجمًا باردًا منتفخًا. ومثل العديد من النجوم، له مجال مغناطيسي. يسقط الغاز على الثقب الأسود من جميع الجهات.

عندما تقترب الثقوب السوداء وتبتعد عن بعضها – دون اندماج، بل بمجرد احتكاك حقول الجاذبية – تصبح مقذوفات مثالية لاختبار قوانين الجاذبية. في الحقول الشديدة، حيث يصل تمدد الزمن إلى قيم هائلة، أي شرخ صغير في النظرية سيلمع كوهج مبهر.

مصباح يضيء عبر ضباب كثيف. يتشتت الضوء على قطرات الماء، فيبدو المصباح مشوشًا. حول الثقب الأسود يحدث شيء مشابه: غاز ساخن، مثل الضباب، يلفه، وأشعة سينية من الأجزاء الداخلية للقرص تخترق هذه السحابة. فقط «القطرات» هنا هي الإلكترونات، و«الضباب» نفسه يسمى الهالة.

الغاز المتساقط نحو الثقب الأسود يلتف في شكل حلزوني، مثل الماء في القمع. في هذا التدفق، تتولد وتنفجر حلقات مغناطيسية باستمرار — تشبه التوهجات الشمسية تقريبًا، لكنها أقوى بكثير. كل حلقة من هذه الحلقات هي مغناطيس صغير يعيش حياته الخاصة.

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.

النجم النيوتروني 4U 1735-44 يبتلع المادة من نجم مجاور. المادة تدور في قرص مسطح، مثل الماء المنسحب في مصرف الحمام. لكن هذا القرص يضيء بأشعة إكس، ولأول مرة تمكن علماء الفلك من قياس مدى "تمشيط" هذه الأشعة، أي استقطابها. ثلاثة تلسكوبات — IXPE وNICER وNuSTAR — رصدت الجسم في نفس الوقت. وتبين أن الاستقطاب ضعيف: 1.4% فقط بهامش خطأ 0.7%.

الضوء الذي يمرّ بجوار جسم ضخم ينحني حوله، تماماً كتيّار سيارات يلتفّ حول حفرة عميقة في الطريق. وكلما كانت جوانب الحفرة أشدّ انحداراً، زاد انحراف المسار — وقلّت المسارات المباشرة نحو الراصد. هكذا يولد ظلّ الثقب الأسود: منطقة لا يستطيع الضوء الخروج منها.

عادةً ما يختبئ الثقب الأسود GRS 1915+105 خلف ستار غازي كثيف، إذ تُمتص أشعته السينية بشدة في طريقها إلينا. لكن في أبريل 2023، انفجر فجأة: زاد تدفق الأشعة السينية نحو عشرة أضعاف. تابع تلسكوبا NICER وSwift الوميض وسجلا كيف تغير الطيف، أي توزيع طاقة الأشعة السينية عبر الأطوال الموجية.

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.

نصف قرن ظل علماء الفلك يحاولون فهم طبيعة الإشعاع الرنيني القوي لنجم جاما ذات الكرسي — منارة ساطعة في الكوكبة، توهجها في نطاق الرنين لم ينطبق على نماذج النجوم المنفردة. اشتبهوا في وجود رفيق خفي، لكن لم تكن هناك أدلة مباشرة.

نجم نيوتروني بحجم مدينة يدور ثلاثين دورة في الثانية. مجاله المغناطيسي أقوى بتريليونات المرات من مجال الأرض. هذه الظروف قادرة على توليد سحابة من الأكسيونات حول النجم — جسيمات خفيفة لم يلتقطها أي كاشف حتى الآن، لكنها تفسر جيدًا الكتلة الخفية للكون. تتفاعل الأكسيونات مع الضوء: في مجال مغناطيسي قوي، تُدير قليلًا مستوى اهتزاز الموجة الكهرومغناطيسية.

تخيّل محيطًا غير مرئي يتكوّن من المادة المظلمة — وهي جسيمات فائقة الخفة، كان فريتز زفيكي أول من اشتبه في وجودها منذ ثلاثينيات القرن العشرين. في هذا المحيط يغوص نجم نيوتروني — وهو جرم كثيف بحجم مدينة، لكنه يمتلك كثافة هائلة: فملعقة صغيرة من مادته تزن مليارات الأطنان.

تصرف الثقب الأسود في النظام GX 339-4 أثناء توهج عام 2021 كممثلة تغير أزياءها بين المشاهد. في الحالة الصلبة، ارتدى تاجين في وقت واحد: تاجًا ساخنًا منخفض الكثافة، وفوقه تاجًا دافئًا عالي الكثافة. وفي الحالة اللينة، بقي التاج الساخن فقط. نظر علماء الفلك إلى الثقب الأسود في وقت واحد باستخدام ثلاثة تلسكوبات للأشعة السينية: NuSTAR وNICER وInsight-HXMT. وقاسوا كيفية توهج القرص حول الثقب.

في عام 2026، استيقظ ثقب أسود في النظام الثنائي GS 1354-64: بدأ يسحب المادة من النجم المجاور، وتشكل حوله قرص ملتهب. نظر تلسكوب الأشعة السينية XRISM إلى هذا القرص عبر مقياس حرارة دقيق جدًا (microcalorimeter) يُدعى Resolve — وهو جهاز يلتقط الفوتونات الفردية ويقيس طاقتها بدقة لم تكن محلمًا بها سابقًا. خلال فترة المراقبة، جُمع 3.5 مليون فوتون، وظهرت في طاقاتها صورة واضحة.

حجر يُلقى في الماء يولّد دوائر متوسعة؛ وإذا كان الحجر متحركًا، تنضغط الدوائر أمامه. هذا التأثير، الذي اكتشفه كريستيان دوبلر، لا ينطبق فقط على الصوت أو أمواج الماء، بل أيضًا على الضوء: فعند حركة المصدر، يتغير لونه – نحو الطرف الأزرق من الطيف عند الاقتراب، ونحو الأحمر عند الابتعاد.

الجسم الجليدي أروكوث يشبه رجل الثلج: كرتان ملتصقتان ببعضهما. هناك العديد من هذه الأجسام ذات الرأسين خلف مدار نبتون، في حزام كايبر. لفترة طويلة، كان يُعتقد أنها تنشأ من تصادم بطيء بين جسمين منفصلين. النمذجة الجديدة تُظهر مسارًا مختلفًا. سحابة من الحصى الصغيرة حول الشمس الفتية تنضغط بفعل جاذبيتها الذاتية. لا تتكتل الحصى في كرة واحدة، بل في كتلتين متجاورتين تلتحمان معًا بلطف.

في النظام الثنائي 4U 1700-37، يفقد النجم العملاق الفائق HD 153919 رياحًا نجمية قوية. هذه الرياح، مثل تيار غير مرئي، تندفع نحو الجار المضغوط — على الأرجح النجم النيوتروني. عند سقوطها، تسخن المادة إلى ملايين الدرجات وتتوهج في نطاق الأشعة السينية. وجه علماء الفلك تلسكوب NuSTAR المداري نحو هذا الثنائي لفحص تفاصيل التوهج.

الأزواج الواسعة من النجوم تشبه راقصين يمسكان بأيدي بعضهما لكنهما يقفان في طرفي قاعة مختلفة. رابطهما ضعيف، وأي عابر قد يفرقهما. وجد علماء الفلك 26 زوجًا من هذا النوع واختبروا مدى تماسكها. اتضح أن 12 زوجًا ترقص وفق قوانين نيوتن: يمكن حساب مداراتها كما يُحسب مدار الكواكب حول الشمس. لكن ثلاثة أزواج تتحرك بسرعة كبيرة جدًا. الفرق في السرعات كبير لدرجة أن أي جاذبية عادية لن تمسك بها.

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.

ظل تلسكوب أشعة سينية في المدار لسنوات يسجل كيف تتوهج الأنظمة الثنائية، حيث يدور نجم عادي حول ثقب أسود أو نجم نيوتروني. تسقط المادة من النجم المرافق على الجسم المضغوط، وتسخن إلى ملايين الدرجات، وتصدر أشعة سينية. تراكمت في الأرشيف آلاف الأطياف — رسوم بيانية توضح مقدار الضوء القادم عند كل طاقة.

في ركن مظلم من درب التبانة، تعمل ساعة طبيعية. كل 8196 ثانية — أي ما يعادل ساعتين و16 دقيقة تقريبًا — يتوهج ضوء الأشعة السينية على سطح نجم نيوتروني. النجم EP J171159.4-333253 يجذب الغاز من النجم المجاور، وهذا الغاز، أثناء سقوطه، يتراكم على سطحه. عندما تصبح الطبقة كثيفة وساخنة بما يكفي، تنفجر مثل قدر مليء بعصيدة محمومة — فتلتقط التلسكوبات الوميض.

لمدة ثلاثة عشر عامًا متواصلة، سجّل مرصد سويفت الفضائي «تنفّس» النباض GX 301-2 في نطاق الأشعة السينية. كل بضع دقائق، كان جهاز BAT يسجّل كمية الإشعاع الصادر من هذا الثنائي — نجم نيوتروني ورفيقه الضخم. وإذا ما وُضعت كل التسجيلات على رسم بياني واحد، لا نرى خطًا مستقيمًا بل موجات: السطوع يرتفع تارة وينخفض تارة أخرى.

في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين (حوالي عام 2010)، لاحظ علماء الفلك أمرًا مذهلاً: الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مراكز المجرات، على الرغم من الاختلاف الهائل في الأحجام والسطوع، تصطف على خط مستقيم واحد عند رسم علاقة توهجها في نطاق المليمترات بأشعة إكس وكتلتها. وقد أُطلق على هذا الخط اسم "المستوى الأساسي المليمتري لتراكم الثقوب السوداء".

ومضات أشعة غاما القصيرة هي انفجارات هائلة، تطلق في أجزاء من الثانية طاقة تعادل ما تشعه شمسنا خلال مليارات السنين. تقليديًا، يُعتقد أن مصدرها ثقب أسود مع قرص تراكمي من البلازما شديدة الحرارة، يتشكل عند اندماج نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة.