لغز العمالقة الفائقة

مع انطلاق الصاروخ من منصة الإطلاق، ستشعر باهتزازه العنيف. وستكون هذه المركبة الفضائية الضيقة هي منزلَك على مدار عامين وأنت تقطع تلك المسافات كلها وصولاً إلى المشتري، أكبر كواكب مجموعتنا الشمسية. إنه بعيد جداً إلى درجة أنك ستجد عند وصولك إليه أن ضوء الشمس عنده يعادل 1/25 فقط من شدته عند الأرض.

غيرَ أنك إذا كنتَ ستمضي في رحلة بالمسافة نفسِها في بعض الأنظمة الكوكبية، ستجد نفسك أنك ما زلت داخل النجم الأم. هذه الوحوش السماوية التي تُعرَف باسم العمالقة الفائقة Hypergiant stars هي هائلة الضخامة: إذ يمكن لأكبرها أن يستوعب 10 بلايين شمس في داخله، أو 14 كوادريليون Quadrillion كوكب أرضي. هذه الوحوش الضخمة هي نادرة الوجود، لكنها تؤدي دوراً مهماً في إمداد الكون بمجموعة غنية من العناصر الكيميائية اللازمة للحفاظ على الحياة. وإن ندرة وجودها هذه تعني عدم فهمنا جيداً لها في الماضي. غير أن سلسلة من الأبحاث الحديثة تزود علماء الفلك برؤى غير مسبوقة عن سلوكها الفريد؛ وقد نعرف أسرارها عاجلاً.

وحوش نجمية غير عادية
العمالقة النجمية الفائقة هي ضخمة جداً، وعادة ما تكون أكبر كتلةً من الشمس بعشرات المرات أو أكثر، إلى درجة أنها تبدو على درجة كبيرة من عدم الاستقرار؛ وهي تقذف بانتظام كميات هائلة من مادتها في الفضاء. تقول روبرتا همفريز Roberta Humphreys، عالمة الفيزياء الفلكية في جامعة مينيسوتا University of Minnesota: ”إنها تقذف كمية تعادل كتلة كوكب المشتري، أو أكثر، في كل مرة من المرات“.

وقد اكتشف العلماء حدثاً مماثلاً على نطاق أصغر على النجم العملاق منكب الجوزاء Betelgeuse في العام 2019، عندما خفَتَ سطوعُه بنحو ملحوظ في سماء الليل قبل أن يسطع مرة أخرى. خلص التحليل المُضني إلى أنه قذف مادة تزن عدة أضعاف كتلة القمر من نصفه الجنوبي. حجبت هذه المادة بعض ضوئه، ليحدث ذلك خفوتاً مؤقتاً له. كانت هذه هي المرة الأولى التي يشاهد فيها علماء الفلك مثل هذا القذف الضخم من سطح نجم في الزمن الفعلي.

تشكل المواد المقذوفة من الكواكب العملاقة سحباً كبيرة ومعقدة يمكن أن تصل بعيداً عن سطح النجم إلى مسافة تعادل 10,000 ضعف المسافة بين الأرض والشمس. وهذه مسافة تزيد على 300 ضعف بُعد نبتون الكوكب الأبعد في المجموعة الشمسية عن الشمس. تقول همفريز: ”يمكنك أن ترى بوضوح المادة المقذوفة التي تشكل أقواساً وكتلاً وعقداً ونفاثات حول النجم“. يمكن أن تحتوي العُقد المفردة على مادة تعادل 3,000 ضعف كتلة الأرض. 

تُثري هذه المادة المقذوفة فضاءَ ما بين النجوم بجزيئات معقدة. عندما يختلط الغاز والغبار الناتج من عدة نجوم، يُمكن له أن ينهار بفعل الجاذبية ليشكل مجموعات شمسية جديدة. ستحظى الكواكب الجديدة هناك بالفعل باللبنات الكيميائية اللازمة للحياة. في شهر يونيو 2022 كانت همفريز جزءاً من فريق استخدم مصفوفة آتاكاما الميلليمترية الكبيرة (ALMA) في تشيلي لإلقاء نظرة فاحصة على المواد المقذوفة المحيطة بعملاق ضخم مشهور، وهو النجم ڤي واي الكلب الأكبر VY Canis Majoris. تقول همفريز: ”أمكن تحديد 25 جزيئاً مختلفاً فيها“، بما في ذلك الماء وثاني أكسيد السيليكون، وهو المكوّن الرئيس للرمل.

ومع ذلك فإن فهم سبب فقدان عمالقة فائقة مثل النجم VY Canis Majoris كثيراً من الكتلة ظل لغزاً محيراً. لغزاً عمَّقتْه ندرةُ تلك النجوم التي لا يعرف علماء الفلك سوى 10 عمالقة فائقة مثلها في مجرّة درب التبانة، وهذا ما يعني أن عدد النجوم الشبيهة بالشمس يفوق عدد العمالقة الفائقة بأكثر من بليون إلى واحد. وحتى في هذه الحالة، غالباً ما تحجب كميات الغبار الهائلة في قرصنا المجرِّي رؤيتنا لها.

نجوم تنبض
لحسن الحظ، حدد علماء الفلك أيضاً عدداً من الأجسام العملاقة في سحابتي ماجلان، وهما اثنتان من المجرّات التابعة التي تدور حول مجرَّة درب التبانة. في العام الماضي، وجد فريق بقيادة ميشاليس كورنيوتيس Michalis Kourniotis، الباحث في الأكاديمية التشيكية للعلوم Czech Academy of Sciences أن ثلاثة منها لديها شيء مشترك: إنها تنبض Pulsating. هذا يمكن أن يفسر سبب تصنيف العمالقة الفائقة في كثير من الأحيان على أنها نجوم متغيِّرة Variable stars. يتغير سطوع النجم وفق نمط متكرر عندما ينبض لامعاً وخافتاً.

هل يمكن أن يكون هذا النبض أيضاً هو سببَ المواد المقذوفة من العمالقة الفائقة؟ لا تعتقد همفريز بذلك؛ وتقول: ”لا يمكن للنبضات أن تطرح المادة بعيداً بما يكفي فوق سطح النجم إلى النقطة التي يتكثف عندها الغبار والجزيئات“. إنها ببساطة ليست آلية قوية بما يكفي لقذف المواد إلى المسافات الشاسعة حيث شوهدت المادة المقذوفة من عمالقة فائقة. فعلى سبيل المثال، يبلغ عرض سحابة المواد المقذوفة من النجم VY Canis Majoris نحو 300 بليون كم أي أكثر من 65 ضعف مسافة بلوتو عن الشمس.

يأتي الدليل المحتمل من حقيقة أن المادة المفقودة لا تُقذف بنحو متناظرSymmetrically. تقول همفريز: ”إنها تشكل مقذوفات تُطلق في اتجاهات مختلفة وزوايا مختلفة من مناطق مختلفة من النجم“. يُشير ذلك إلى حدوث شيء ما في مناطق معزولة على السطح، وليس شيئاً يحدث للنجم بكامله في الوقت نفسه.

تصل الطاقة عادةً إلى سطح النجم بعملية الحمل الحراري Convection. تصعد فقاعات المادة الحارة إلى أعلى، مما يجعل سطح النجم يغلي ويفور، مثل وعاء ماء يغلي. ويُنتج هذا خلايا الحمل الحراري على السطح المرئي للنجم. يبلغ عرض الخلايا الحرارية للشمس عادةً 1,000 كم، لكنها يمكن أن تشغل 60% من سطح النجوم العملاقة مثل منكب الجوزاء.

كم حجمُ العملاق الفائق؟

من الصعب تصوُّر الحجم المذهل لهذه النجوم الهائلة

يمكنك أن تضع 1,420 شمساً على الأقل أمام وجه النجم VY Canis Majoris، ليجعل ذلك قطرَه الإجمالي يقرُب من بليوني كم. وتشير بعض التقديرات الأخرى إلى أن قطره يزيد على 2,000 شمس، أو 3 بلايين كم تقريباً. تدور الأرض على بعد 150 مليون كم فقط من الشمس، مما يعني أن النجم VY Canis Majoris هو أكبر حجماً بـ 13 ضعفاً على الأقل من المسافة بين الأرض والشمس.

سيتطلب الأمر 3 بلايين شمس تقريباً لتملأ هذا النجم. أما شمسنا فيمكنها أن تستوعب 21 مليون كوكب شبيه بعطارد، أصغر كواكب المجموعة الشمسية. ويمكن وضع 8 من النجوم الكبيرة الشبيهة بمنكب الجوزاء في داخل هذا العملاق الفائق.

وعلى الرغم من أن سرعة الضوء تبلغ 300,000 كم/ث، فإن شعاع الضوء سيستغرق 6 ساعات ليسافر حول محيط النجم VY Canis Majoris. وهذه المدة هي ذاتها تقريباً التي أخذتها صور الجرم آروكوث Arrokoth في حزام كويبر للوصول إلى الأرض بعد أن أرسلها المسبار نيو هورايزنز التابع للوكالة ناسا.

مغناطيسيةٌ ضخمة
هل يمكن لهذه الخلايا الحرارية الضخمة على سطح العمالقة الفائقة أن تزعزع استقرارها وتُطلق مادتها في الفضاء؟ تقول همفريز: ”[هذه الفكرة] تعتريها مشكلات آلية النبض نفسها“. فمثل هذه العملية ما زالت غير قوية بما يكفي لقذف المادة إلى المسافات الشاسعة التي رصدها علماء الفلك. وتقول: ”هناك شيء مفقود هناك حاجة إلى آلية إضافية“. والقطعة المفقودة من اللغز هي: المغناطيسية Magnetism.

نعلم من أرصادنا عن شمسنا أنها مغناطيسية جداً. تلتف المجالات المغناطيسية الضخمة والقوية وتلتوي حتى تنفجر، ليؤدي ذلك إلى قذف كميات هائلة من المواد عبر المجموعة الشمسية. أعنف هذه التقلبات المغناطيسية المزاجية للشمس هو الانبعاث الكتلي الإكليلي Coronal mass ejection (اختصاراً CME)، حيث تقذف الشمس بليونَ طن من المادة بسرعة تزيد على مليون كم/سا. وكثيراً ما ترتبط بما يسمى بالمناطق النشطة على الشمس ومعالم أخرى مثل البقع الشمسية Sunspots.

غيرَ أنها باهتة أيضاً بالمقارنة مع أحداث مماثلة على العمالقة الفائقة. تقول همفريز: ”إن قوة المجال المغناطيسي هناك أكبر بخمس مرات. وتزداد الطاقة بمعامل قدرُه ألف“. وتجادل بأنه، إضافةً إلى الحمل الحراري، يمكن للمجالات المغناطيسية والانبعاثات الكتلية الإكليلية أن تكون هي القوة الدافعة وراء حوادث القذف في النجم VY Canis Majoris وغيره من العمالقة الفائقة. وستكون الأقواس الإكليلية الناتجة عليها أكبر ببليون ضعف تلك التي تُرى على الشمس.

أنين وليس انفجاراً
ربما تتضح لنا أكثرَ آليةُ فقدان الكتلة في العمالقة الفائقة؛ لكن لغزاً كبيراً آخر يبقى أمامنا: كيف تموت تلك العمالقة الفائقة؟ 

يرجع هذا اللغز إلى العام 2015، عندما لاحظ علماء الفلك اختفاءَ نجمٍ عملاق فائق يسمى N6946-BH1 في المجرَّة الحلزونية NGC 6946. لقد كان موجوداً في صور تلسكوب هابل من العام 2007، لكنه اختفى عن الأنظار بعد 8 سنوات. عادة ما ينفجر مثل هذا النجم الضخم بصورة كارثية كسوبرنوفا (مستعر أعظم) Supernova عندما يموت، وهو أمر من الصعب عدمُ ملاحظته. كيف يُمكن له أن يَذوي ويخفت ببساطة هكذا من دون أن يَصدُر عنه حتى أنين خافت؟

وقد يقدم اسمُ النجم إشارةً تدل على إجابة واحدة محتملة: إذ يشتبه الباحث ستيفن سمارت Stephen Smartt، من جامعة كوينز بلفاست Queen’s University Belfast، في أن النجوم الأكثر كتلة من 17 كتلة شمسية بعبارة أخرى، معظم العمالقة الفائقة هي ضخمة جداً إلى درجة أنها تنهار مباشرة إلى ثقب أسود (ومن هنا الحرفان BH في اسم النجم) من دون التحول إلى سوبرنوفا أولاً.

لكن همفريز تشير إلى خيار آخر: عندما تفقد العمالقة الفائقة من كتلتها فهي قد تتقلص حجماً، وتسخن، وتتطور مرة أخرى إلى نجوم أكثر حرارة. ومن المفارقات أن مثل هذا النجم لن يكون بالسطوع ذاته، لأن مساحة سطحه قد تقلصت على الرغم من ارتفاع حرارته. وقد يفسر هذا سبب اختفاء النجم N6946-BH1 عن الأنظار من دون مروره بمرحلة السوبرنوفا. إنه ما زال هناك، لكنه أكثر خفوتاً، ومن ثم لم يَعُد مرئياً لنا في مجرّته NGC 6946 التي تبعد عنا 25 مليون سنة ضوئية.

يمكن لعلماء الفلك أن يعرفوا قريباً، بطريقة أو بأخرى؛ فهناك عملاق فائق آخر ربما أنه يتهيأ لحادثة كبيرة مشابهة. ولأن هذا النجم يوجد في مجرّتنا، فهو يمنح علماء الفلك فرصة أفضل لرؤية ما يحدث. إنه النجم رو ذات الكرسي Rho Cassiopeiae (اختصاراً: النجم Rho Cas).

في شهر يونيو 2022، نشر الباحث غريغوريس مارافيلياس Grigoris Maravelias، من المرصد الوطني في أثينا، تفاصيل المواد المقذوفة من هذا النجم. شاهد علماء الفلك النجم Rho Cas وهو يتعرَّض لأربعة انفجارات كبيرة رئيسة في القرن العشرين، آخرها كان في العام 2013. وقد حلل مارافيلياس هذه النوبات وخلص إلى أن الانفجارات قد صارت أقصر وأكثر تواتراً. وقد ذكر في البحث الذي يوضح نتائج عمله: “أن هذا النشاط يشير إلى أن النجم Rho Cas ربما يستعد للانتقال إلى مرحلته التطورية التالية”.

ومرةً أخرى تحذر همفريز من التسرُّع؛ وتشير إلى أنه لا توجد كميات كبيرة من الغبار حول النجم Rho Cas، وتقول: ”ربما يعني نقص الغبار والمقذوفات أن النجم ما زال أمامه طريق طويل“.

وما زال من غير الواضح ما الذي سيحدث للنجم Rho Cas في النهاية، ولكنه قد يكون لديه مفتاحُ فهم العمالقة الفائقة. سيواصل علماء الفلك المراقبة باهتمام كبير، وهم يتطلعون إلى إضافة القطع الأخيرة في اللغز الدائم لفهم أكبر نجوم الكون. 

كولين ستيوارت Colin Stuart
(@skyponderer): مؤلِّف ومُحاوِر في علوم الفلك. احصل على كتاب إلكتروني مجاني من موقعه: colinstuart.net/ebook

أربعة عمالقة فائقة لتبحث عنها

ركِّز تلسكوبك على نجوم الكون العملاقة والساطعة هذه 

رو ذات الكرسي Rho Cassiopeiae
قدر السطوع: من +4.1 إلى +6.2
يقع هذا النجم الضخم الأصفر في كوكبة ذات الكرسي Cassiopeia الشهيرة بشكلها على حرف W. إنه نجم شبه متغيِّر، مما يعني أن سطوعه يتغير بمرور الوقت. عادة ما يكون ساطعاً بدرجة كافية لرؤيته بالعين المجردة، ولكنه في الماضي خفت مؤقتاً إلى درجة الاضطرار إلى الاستعانة بمنظار مزدوج لرؤيته.

بي الدجاجة P Cygni
قدر السطوع: +4.8
على الرغم من حقيقة أنه يبعد أكثر من 5,000 سنة ضوئية، فإن هذا العملاق الأزرق هو شديد السطوع بحيث يمكن رؤيته بالعين المجردة في كوكبة الدجاجة Cygnus. ستجده متألقاً بسطوع +mag. 4.8 بالقرب من مكان التقاء ذيل وأجنحة الدجاجة.

في واي الكلب الأكبر VY Canis Majoris
قدر السطوع: من +6.5 إلى +9.6
هذا النجم هو أحد أكبر النجوم في الكون. يقع هذا العملاق الأحمر النبّاض في كوكبة الكلب الأكبر Canis Major، قطرياً إلى يسار وأسفل حزام الجبّار Orion’s Belt. يمكن رؤيته من المملكة المتحدة في الشتاء، قريباً جداً من الأفق في أسفل نجم الشعرى اليمانية Sirius.

في 4030 الرامي V 4030 Sagittarii و في 4029 الرامي V 4029 Sagittarii
قدر السطوع: +8.3
يقع هذا الزوج من العمالقة الفائقة الزرقاء إلى الجنوب الشرقي من سديم أوميغا (M17) في كوكبة الرامي Sagittarius. يشير غطاء كويكبة إبريق الشاي Teapot asterism نحوهما. يمكن رؤيتها بسهولة بسطوعهما المتماثل من خلال تلسكوب هواة بسيط، على ارتفاع منخفض باتجاه الجنوب في أشهر الصيف.