روعة الضوء

على بعد ثلاثين سنة ضوئية، ينفجر نجم. وعلى امتداد عدة أشهر يستمر ساطعاً 10,000 مرة أكثر من البدر. وهو يبدو من شدة سطوعه خلال النهار كأن شمساً أخرى انضمت إلى شمسنا، باعثة حولها جزءاً من مئة من مقدار ما تبثه من الحرارة والضوء.

ما يبعث على الاطمئنان هو أنه يمكنك أن تنعم بنوم هانئ الليلة، لأن هذا السيناريو لن يحدث. الحياة على الأرض في مأمن من مثل هذا الحدث. السوبرنوفا فائقة السطوع Superluminous supernovae– وهي أقوى بمقدار 100 ضعف من أي انفجار نجمي رُصد سابقاً- ليست نادرة جداً فحسب، بل يبدو أنها تنفجر في مجرات مختلفة تماماً عن مجرتنا.

في العام 1931، اقترح فريتز زويكي Fritz Zwicky ووالتر بادي Walter Baade اللذان كانا يعملان في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا California Institute of Technology في باسادينا، تصوراً مذهلاً عن النجوم المنفجرة، أو ”النوفا“ Novae. استند عملهما إلى اكتشاف توصل إليه إدوين هابل Edwin Hubble قبل ذلك بثماني سنوات باستخدام ما كان في ذلك الوقت أكبر تلسكوب في العالم (تلسكوب هوكر Hooker Telescope بقطر 2.5 متر على جبل ويلسون Mount Wilson المطل على معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا) لإظهار أن السدم الحلزونية Spiral nebulae الغامضة كانت في الواقع مجرات- جُزُراً كبيرة من النجوم منفصلة عن مجرة درب التبانة التي تبعد عنها ملايين السنين الضوئية.

لاحظ زويكي وبادي أنه في بعض الأحيان شهدت مثل هذه المجرات انفجارات نجمية تسطع أكثر من 100 بليون نجم عادي. مع العلم أن مثل هذه الانفجارات حدثت أبعد بكثير من تلك الواقعة في مجرتنا، خلص الفلكيان إلى أنها تنتمي إلى فئة جديدة أطلقوا عليها اسم السوبرنوفا أو ”المستعرات العظمى“ Supernovae، وهي أكثر سطوعاً بمقدار 10 ملايين مرة من السوبرنوفا العادية.

تألق، أيها النجم المتلاشي

الزيادة الفائقة الأخيرة في اللمعان ليست أكبر بعشرة ملايين مرة، لكنها تظل مذهلة. السوبرنوفا الفائقة السطوع Superluminous supernovae هي أسطع بنحو 10 أضعاف من سوبرنوفا من النوع Ia يُغذيها انفجار كبير لنجم قزم أبيض White dwarf- وهو بقايا نجمية متراصة بحجم الأرض- غمرته مادة من نجم مرافق. وهي أقوى بنحو 100 مرة من سوبرنوفا من النوع الثاني Type II supernova، وهو النوع الرئيس الآخر من السوبرنوفا ويُغذِّيه انفجار نواة نجم ضخم في نهاية حياته.

اكتُشف أول سوبرنوفا فائق السطوع في العام 2005 وجرى تعريف السوبرنوفا على نطاق واسع على أنه فئة متميزة من الانفجارات النجمية في العام 2011، وذلك بنحو أساسي من خلال عمل البروفِسور روبرت كويمبي Robert Quimby من جامعة ولاية سان دييغو San Diego State University.

”كنا نعتقد أننا اكتشفنا كل فئات النجوم المتفجرة. كيف فاتنا رصد الألمع بينها؟“

اكتشاف عن وجودها كان بمنزلة صدمة كبيرة للمجتمع الفلكي. يقول د. مات نيكول Matt Nicholl من جامعة برمنغهام University of Birmingham: “كنا نعتقد أننا اكتشفنا كل فئات النجوم المتفجرة. كيف فاتنا رصد الألمع بينها؟”

أحد أسباب عدم ملاحظة السوبرنوفا الفائقة السطوع حتى القرن الحادي والعشرين هو أنها نادرة جداً، فهي تمثل واحداً فقط من كل 10,000 سوبرنوفا. والسبب الآخر هو أن عمليات البحث عن السوبرنوفا باستخدام التلسكوبات تميل إلى التركيز على المجرات الكبيرة إذ يعتقد علماء الفلك– وهذا مفهوم تماماً- أنه كلما زاد عدد النجوم في المجرة، زادت فرصة حدوث السوبرنوفا.

ولكن في الواقع جرت الأمور على نحو مختلف: فالسوبرنوفا الفائقة تحدث في المجرات القزمة. يوضح نيكول: “بعد ظهور التلسكوبات الروبوتية ذات مجالات الرؤية الواسعة فقط تمكنا من التقاط المجرات… بمجرد أن بدأ ذلك يحدث، اكتشفنا السوبرنوفا فائقة السطوع. رُصد إلى الوقت الحالي نحوُ 100 منها”.

ما نوع النجوم التي تُحدث مثل هذه الانفجارات الكونية الضخمة؟ يأتي أكبر دليل من أطياف الانفجارات Explosions’ spectra، وهي الطريقة التي يختلف بها الضوء مع اختلاف الطاقة أو التردد المكافئ. يمكن لعلماء الفلك رؤية البصمة الطيفية Spectral fingerprint للعناصر الثقيلة مثل الكربون والأكسجين والنيون، ولكن ليس لأخف عنصرين: الهيدروجين والهيليوم. لفهم ما يعنيه هذا، من الضروري فهم شيء ما عن تطور النجوم.

يدمج نجم مثل الشمس معاً النوى أو نوى ذرات الهيدروجين لتكوين الهيليوم، فيكون الناتج الثانوي عن هذه العملية هو ضوءَ الشمس. لكن في النجوم التي تزيد كتلتها بما بين 8 و25 ضعفاً على كتلة الشمس، يمكن أن تصير الظروف في النواة كثيفة بدرجة كافية وحارة بدرجة كافية لانصهار الهيليوم وتكوين الكربون، والكربون ليصير أكسجين، والأكسجين نيون، وهلم جراً. يمكن أن تستمر تفاعلات الاندماج هذه حتى تكوين الحديد، وعند هذه النقطة تتوقف عن توليد مزيد من الحرارة (الغاز الساخن في النواة الذي لم يعد قادراً على إيقاف الجاذبية من سحقه، ينبجر Implodes أو ينهار على الفور).

وتكون النتيجة نجم بهيكل يشبه في تكوينه البصلة: أثقل العناصر في النواة مع احتواء كل طبقة متتالية على عناصر أخف، تُتوَّج بالهيليوم وأخيراً الهيدروجين في الوشاح الخارجي Outer mantle. يقول نيكول: “على نحو ما، فقدت النجوم التي تنفجر كسوبرنوفا فائقةِ السطوع الهيدروجين والهيليوم هذين”.

الطريقة البديهية لتجريد النجم من غلافه الخارجي من الهيدروجين والهيليوم هي عبر الرياح النجمية التي تشبه الرياح الشمسية ولكنها أقوى بكثير من هذه الرياح التي تبلغ سرعتها 1,000,000 ميل/ساعة وتهبُّ من الشمس. تكمن المشكلة في أن الرياح النجمية Stellar wind هي أقوى في النجوم التي تحتوي على القليل من العناصر الثقيلة الممزوجة بوشاح الهيدروجين والهيليوم. ومع ذلك فإن المجرات منخفضة الكتلة التي توجد فيها سلائف السوبرنوفا الفائقة السطوع تعاني نقصاً في هذه العناصر. هذا في الأساس لأن الجاذبية الضعيفة للمجرات لم تكن قادرة على التشبث بأي عناصر ثقيلة تشكلت في الأجيال السابقة من النجوم وقذفتها في الفضاء انفجارات سوبرنوفا عادية.

هناك طريقة أخرى لتجريد النجم من وشاح الهيدروجين والهيليوم، وهي إذا كان في نظام نجمي ثنائي Binary star system قريب، وقد جردته جاذبية نجم مرافق ضخم. يقول نيكول: ”يبدو أن هذا هو الاحتمال الأرجح“.

المسألة على صلة بالطاقة

السؤال الرابح بالطبع هو: ما الذي يغذي هذه الانفجارات النجمية الضخمة؟ الاحتمال الواضح هو أنها مجرد نسخ أقوى من السوبرنوفات القياسية التي يكون مصدر قوتها في النهاية طاقة الجاذبية.

لفهم طاقة الجاذبية، فكِّر في سقوط حجر من السطح على الأرض. تتحول طاقة وضع الجاذبية المحتملة Gravitational potential energy للحجر (الطاقة التي يمتلكها بسبب ارتفاعه في مجال الجاذبية الأرضية) إلى طاقة حركة وصوت وحرارة. وبالمثل، عندما ينهار قلب النجم، يكون الأمر مثل سقوط عدد لا يُحصى من ملايين الحجارة، وتنتج عنه كمية هائلة من طاقة الجاذبية التي يجري تحويلُها إلى كمية هائلة من الحرارة. ومن المفارقات أن الانبجار Implosion أو الانفجار نحو الداخل هو الذي يدفع إلى الانفجار!

في السوبرنوفا فائقة السطوع يكشف الطيف أنها تطرح ما بين 5 و20 كتلة شمسية من الأكسجين. وبالمقارنة تُطرح اثنتان إلى أربع كتل شمسية من الأكسجين في السوبرنوفا من النوع الأول سي Type Ic الذي يحدث في نجم معياري منزوع الهيدروجين والهيليوم. ما يعنيه هذا ضمنياً هو أن النجوم أكبر عدة مرات فقط من النجوم المسؤولة عن السوبرنوفا العادية، ومن ثمّ من غير المحتمل أن يجعلها انفجار قياسي أكثر سطوعاً بعشر مرات. النقطة الفاصلة في السبب الذي لا يجعل السوبرنوفات الفائقة السطوع مجرد نسخ أقوى من السوبرنوفا القياسية هو أن السوبرنوفا العادية تبقى ساطعة مدة شهر أو نحو ذلك، لأنها تتغذى من الانحلال الإشعاعي للنيكل 56 والكوبالت 56 اللذين تشكلا في فورة الانفجار الأول. يقول نيكول: “مع ذلك هناك حاجة إلى ما يقرب من 20 كتلة شمسية من هذه العناصر لتغذية سوبرنوفا فائقة السطوع… مع أننا نرى نحو 20 كتلة شمسية من الأكسجين، فإننا لا نرى كمية مكافئة من النيكل والكوبالت”.

الآلية الأخرى المحتملة للسوبرنوفا فائقة السطوع تتضمن موجة الانفجار التي تتمدد عبر الفضاء بسرعة نحو 10,000 كم/ث، وتصطدم بقوة بقذيفة دوارة بطيئة الحركة من مادة قذفها النجم في وقت ما قبل الانفجار. سيؤدي التباطؤ السريع لموجة الانفجار إلى صدم المقذوفات حرارياً بكفاءة عالية، مما يحول طاقتها الحركية إلى كميات هائلة من الحرارة والضوء. يقول نيكول: “المشكلة هي أننا لا نرى أي دليل على وجود أشياء بطيئة الحركة في أطياف السوبرنوفا الفائقة السطوع”.

يترك هذا مرشحاً نهائياً لما هو عليه محرك السوبرنوفا الفائقة السطوع. عندما تتقلص النواة، يكون المنتج النهائي عبارة عن جسم متراص شديد الكثافة، مثل نجم نيوتروني Neutron star. مثل هذا الجرم الذي له كتلة مماثلة لكتلة الشمس، ولكنه يكاد يبلغ حجم جبل إيفرست، من المتوقع أن يدور بسرعة كبيرة، للسبب نفسه الذي يدور فيه متزلج على الجليد أسرع عندما يجعل ذراعيه الممدودتين ملتصقتين بجسمه للحفاظ على الزخم الزاوي Angular momentum. في الواقع يمكن أن يدور مثل هذا الجسم بسرعة تصل إلى 1,000 مرة في الثانية! يقول نيكول: “تمتلك مثل هذه الحدافة Flywheel أكثر مما هو كافٍ من الطاقة الدورانية لتغذية سوبرنوفا فائقة السطوع، إذا كانت هناك طريقة ما لنقل تلك الطاقة نحو الخارج. لحسن الحظ، هناك طريقة”.

عندما ينبجر أو ينهار قلب النجم على نحو كارثي، يؤدي ذلك إلى تركيز أي مجال مغناطيسي يمتلكه النجم وتضخيمه بشكل هائل. قد ينتهي الأمر بالنجم النيوتروني إلى أن يحظى بمجال مغناطيسي مذهل- تُعرف هذه النجوم النيوترونية باسم “النجوم المغناطيسية” Magnetars. يمكن أن يكون المجال المغناطيسي لمثل هذا النجم المغناطيسي في حدود ¹⁰12 (تريليون) إلى ¹⁰15 (1,000 تريليون) غاوس (وحدة تُستخدم لقياس الحقول المغناطيسية). للمقارنة، حتى المجال الأضعف أقوى 100 بليون مرة من مغناطيس الثلاجة.

تكمن المشكلة في أنه كلما زاد المجال المغناطيسي، زاد تفاعله مع المواد المحيطة وكان هذا التفاعل أسرع في كبح (فرملة) دوران النجم المغناطيسي. يقول نيكول: “لتظل السوبرنوفا ساطعة مدة شهر أو نحو ذلك كما لوحظ، من الضروري وجود مجال مغناطيسي أدنى… هناك منطقة مناسبة عند نحو ¹⁰13 إلى ¹⁰14 غاوس”.

لا تُعرف حتى الوقت الحالي الآلية الدقيقة التي يوفر بها النجم المغناطيسي الطاقة إلى المادة التي يقذفها النجم. لكن نيكول يقول إن هناك طريقة لإثبات أو دحض فكرة وجود نجم مغناطيسي كمحرك مركزي. فمجاله المغناطيسي قوي جداً إلى درجة أنه سوف يستحضر أزواج الإلكترون والبوزيترون من الفراغ المحيط به، وسيؤدي تدميرها اللاحق إلى ارتفاع مميز في الضوء عالي الطاقة، أو أشعة غاما. يقول نيكول: “يجب أن يقتفي تراجعُ أشعة غاما بدقة تباطؤ دوران النجم المغناطيسي”.

“أعتقد أن نموذج النجم المغناطيسي هو المحبذ على الأرجح لتزويد معظم السوبرنوفات فائقة السطوع بالطاقة”

يقول كويمبي: “أعتقد أن نموذج النجم المغناطيسي هو المحبذ على الأرجح لتزويد معظم السوبرنوفات فائقة السطوع بالطاقة… بعض السوبرنوفات تشير إلى ولادة نجوم نيوترونية، والاستفادة من جزء صغير فقط من الطاقة من هذه الوحوش يجب أن يكون كافياً لإطلاق بعض الألعاب النارية الرائعة”.

العودة بالزمن

لكن لا يتفق الجميع على أن النجوم المغناطيسية هي محركات السوبرنوفات الفائقة السطوع. يقول د. تاكاشي موريا Takashi Moriya من المرصد الفلكي الوطني في اليابان National Astronomical Observatory of Japan: ”إنني أحبذ آلية تصطدم وفقها المقذوفات المندفعة من السوبرنوفا النشطة بمادة نجمية ضخمة وتحويل الطاقة الحركية للسوبرنوفا بكفاءة إلى إشعاع“. لكنه يقر: ”ربما لا توجد آلية واحدة تجعل السوبرنوفات شديدة السطوع“.

“بدلاً من 100 في 15 عاماً، نتوقع اكتشاف 1,000 سوبرنوفا فائقة السطوع كل عام!”

على الرغم من أن العثور على أول 100 سوبرنوفا فائقة السطوع استغرق ما يقرب من عقدين من الزمن، فإنه يُنتظر تحسين معدل الاكتشاف قريباً بفضل مرصد فيرا سي روبين Vera C Rubin Observatory عندما يبدأ العمل في تشيلي في أكتوبر 2023. سيراقب التلسكوب السماء كاملة، ليلة بعد ليلة. يقول نيكول: ”ستُحدث هذه القدرة تحولاً تاماً في المجال. بدلاً من 100 في 15 عاماً، نتوقع اكتشاف 1,000 سوبرنوفا فائقة السطوع كل عام!“.

ستتوفّر فرصةً أفضل حتى بفضل التلسكوب جيمس ويب الفضائي James Webb Space Telescope الذي خلَف التلسكوب هابل وأطلقته ناسا في ديسمبر 2021. مع مرآته التي يبلغ قطرها 6.5 أمتار (4.5 مرة مساحة تجميع هابل)، سيكون قادراً على رصد السوبرنوفا فائقة السطوع على مسافات أبعد، وهذا يعني في الأزمنة الكونية المبكرة بسبب السرعة المحدودة للضوء. لدى بزوغ الكون، كان يوجد عدد أكبر من المجرات القزمة من الوقت الحالي لأنه لم يكن قد تسنى لديها الوقت للاندماج لتشكيل المجرات العملاقة، مثل مجرة درب التبانة التي نراها حاليا. كما كانت تنقصها العناصر الثقيلة لأن النجوم لم يكن لديها وقت منذ الانفجار الكبير Big bang لتكوينها. وهناك أسباب نظرية للاعتقاد أن الجيل الأول من النجوم التي تشكلت بعد الانفجار الكبير كانت وحوشاً، ربما ذات كتلة أكبر 100 مرة من كتلة شمسنا. يقول نيكول: ”كان من الممكن أن تكون السوبرنوفا الفائقة السطوع أكثر شيوعاً في بداية الزمن“.

هذا يثير إمكانية مثيرة للاهتمام. الحديد في دمك، والكالسيوم في عظامك، والأكسجين الذي يملأ رئتيك في كل مرة تأخذ فيها نفساً… كل هذه العناصر تشكلت داخل النجوم التي عاشت وماتت، وهي تفجر نفسها إلى قطع صغيرة، قبل ولادة الأرض والشمس. ربما ساهمت سوبرنوفا فائقة السطوع في جزءٍ مهمٍّ من العناصر الثقيلة في الكون. في هذه الحالة، قد لا تحتاج إلى النظر بعيداً لرؤية ثمار السوبرنوفات الفائقة السطوع. فقط ارفع يدك!

علماء الفلك الصينيون كانوا أول من سجل رصد النجوم المتفجرة قبل نحو 2,000 عام. لكن لم يعرف علماء الفلك بوجود فئة من الانفجارات الشديدة حتى العام 1931، وبوجود فئة من الانفجارات الفائقة حتى العام 2005. السؤال البديهي هو: هل هناك انفجارات نجمية أكبر من ذلك فاتنا رصدها حتى الوقت الحالي؟ يقول نيكول: “لن أقول إنها غير موجودة”.

يقول كويمبي: ”قد تحدد السوبرنوفا الفائقة السطوع إلى أي حد يمكن للسوبرنوفا أن تصل، على الأقل موضعياً… الاستثناءات الكبيرة هي السوبرنوفا (المستعرات العظمى) مزدوجة-عدم الاستقرار Pair-instability supernovae الافتراضية التي يعتقد أنها وُجدت فقط في الكون المبكر“.

في السوبرنوفا مزدوجة-عدم الاستقرار التي يُتوقع حدوثها في نجم تساوي كتلته بين 130 و250 كتلة شمسية، يسخن الجزء الداخلي إلى درجة أن الاصطدام بأشعة غاما بالداخل يؤدي إلى تكوين أزواج من الإلكترون والبوزيترون. تقلل هذه الضغط الحراري المُعارض للجاذبية التي تحاول سحق النواة، مما يؤدي إلى انهيار كارثي وانفجار ضخم يفتت النجم إلى قطع صغيرة. قد يكون السوبرنوفا مزدوج-عدم الاستقرار 100 مرة أكثر سطوعاً من سوبرنوفا فائقة السطوع. يمكن الكشف عن مثل هذه السوبرنوفا بواسطة التلسكوب جيمس ويب الفضائي. يقول كويمبي: ”بصفتي صائداً للانفجارات الغريبة، يحلو لي أن أفكر في أننا سنكون على موعد مع مفاجآت أخرى تنتظرنا في الكون“.

ماركوس تشون (marcuschown@)

ماركوس تشون هو مؤلف كتاب إنجاز خارق: قصص مذهلة للاكتشافات العلمية من جسيمات هيغز إلى الثقوب السوداء Breakthrough: Spectacular Stories Of Scientific Discovery From The Higgs Particle To Black Holes (منشورات: Faber & Faber).