تصادم نجمين نيوترونيين

كيف يتصادم نجمان ميتان ويصنعان الذهب، وكيف سُمعا ورُئيا من الأرض بعد 130 مليون سنة

خطوة بخطوة

نجمان نيوترونيان

كلٌّ منهما هو ما تبقّى حين انهار لبّ نجم ضخم في مستعر أعظم: كتلة أكبر من كتلة الشمس، مضغوطة في كرة بحجم مدينة ومكوّنة في معظمها من النيوترونات. جاذبيتهما قوية لدرجة أن الضوء القادم من جانبيهما البعيدين ينحني نحونا، فيبدوان أكبر بنحو الربع مما هما عليه.

وُلد كلٌّ منهما في مستعره الأعظم الخاص، ومع ذلك ظلّا مرتبطين أحدهما بالآخر. ومنذ ذلك الحين يتقلّص مدارهما، وهنا بقيت لهما ساعة ونيّف. يقعان في NGC 4993، وهي مجرة في كوكبة الشجاع.

تموّجات في المكان

وهما يدوران يهزّان المكان نفسه. تنتشر الأمواج الثقالية بسرعة الضوء، فتمطّ المكان في اتجاه وتضغطه في الآخر، مرتين في كل دورة.

تحمل الأمواج الطاقة بعيدًا، وتأتي هذه الطاقة من المدار، فيقترب النجمان ويدوران أسرع. النجوم النيوترونية أخف بكثير من الثقبين الأسودين اللذين سُمع اندماجهما أولًا، لذا أمواجها أضعف ودوامتها أبطأ بكثير.

هنا تُرسم الأمواج على مستوى المدار، ذهبية حيث يتمدد المكان وزرقاء حيث ينضغط. في هذه المرحلة ترتفع وتنخفض ست مرات في الثانية، وطول كل موجة نحو 50 ألف كم، أي أربعة أضعاف عرض الأرض.

أسرع فأسرع

الزمن مُسرَّع: خلال الساعة التالية يقترب النجمان من 1000 كم إلى 400 كم ويتسارعان حتى 12 دورة في الثانية. أصبحت أمواجهما الآن سريعة بما يكفي ليسمعها LIGO وVirgo.

كلما اقتربا تحرّكا أسرع وقويت أمواجهما، فيتقلّص المدار بسرعة متزايدة. من هنا بقيت للنجمين 100 ثانية، وسيدوران خلالها نحو 2000 دورة أخرى.

تردد الأمواج ضعف عدد دورات المدار في الثانية. عند 24 ذبذبة في الثانية دخل النجمان مدى سمع كاشفَي LIGO في الولايات المتحدة وكاشف Virgo في إيطاليا، التي تلتقط أمواجًا من نحو عشر ذبذبات إلى بضعة آلاف في الثانية.

آخر 100 ثانية

الزمن مُسرَّع ثم مُبطَّأ: في آخر 100 ثانية يقترب النجمان من 400 كم حتى يكادا يتلامسان، ويرتفع تردد الأمواج من 24 إلى أكثر من ألف ذبذبة في الثانية.

هذا ما سمعه LIGO وVirgo: آلاف الذبذبات على مدى نحو 100 ثانية، تعلو حدّةً وقوة، زقزقة أطول بكثير من جزء الثانية الذي قدّمته اندماجات الثقوب السوداء. وإذا حُوّلت إلى صوت، ترتفع كتغريد طائر.

أتاحت الزقزقة الطويلة وزن النجمين بدقة. فمزيج كتلتيهما الذي يحدد سرعة ارتفاع التردد بلغ 1.19 كتلة شمسية بدقة جزء من ألف من كتلة الشمس؛ أما الكتلتان نفساهما فبدقة أقل: نحو 1.46 و1.27 كتلة شمسية إن كان النجمان، كما هو مرجّح، يدوران ببطء.

تمزّق

مُبطَّأ نحو 2000 مرة: يتمدد النجمان بجذب كلٍّ منهما للآخر، ثم يتلامسان بسرعة 40% من سرعة الضوء. تنتزع قوى المد منهما أذرعًا من المادة تُقذف بسرعة تصل إلى ربع سرعة الضوء.

يجذب كلُّ نجم الجانبَ القريب من الآخر أكثر من جانبه البعيد، وفي دوراتهما الأخيرة تشوّه قوى المد شكلهما. وعند التصادم تُنتزع طبقاتهما الخارجية وتُقذف في ذراعين منحنيين، كالماء من مِرشّة حديقة دوّارة.

حيث يلتقيان، يضغط الاصطدام المادة ويسخّنها إلى مئات مليارات الدرجات، وتندفع منها مادة أكثر، أسرعها نحو القطبين. ما يحدث هنا فعلًا لا يُعرف إلا من محاكاة الحواسيب الفائقة، والأشكال المعروضة تتبعها تقريبيًا فقط.

أثقل من أن يدوم

يصبح النجمان نجمًا واحدًا كتلته نحو 2.7 كتلة شمسية، يدور مئات المرات في الثانية. ولأنه أثقل من أن يحمل نفسه طويلًا، ينهار إلى ثقب أسود يحيط به قرص من الحطام.

في البداية لا يُبقي النجمَ المندمجَ قائمًا سوى دورانه السريع وحرارته. أثقل النجوم النيوترونية المكتشفة لا تزيد كتلتها كثيرًا على كتلتي شمسين، ويشير ضوء هذا التصادم إلى أن النجم المندمج انهار خلال جزء من الثانية إلى ثقب أسود عرضه نحو 15 كم.

يشكّل الغاز الذي بقي يدور حوله قرصًا ساخنًا سميكًا، يبتلعه الثقب الأسود أو ينفخه بعيدًا في نحو ثانية. هنا يُبطَّأ الزمن أولًا ثم يُسرَّع، وتُرسم سحابة المادة المقذوفة شفافة ليظهر النجم والثقب الأسود.

نفّاثة من أشعة غاما

على امتداد محوره تنطلق نفّاثة ضيقة بسرعة تقارب سرعة الضوء. وصلت أشعة غاما منها، المرسومة هنا بالبنفسجي، إلى الأرض بعد الأمواج بـ1.7 ثانية.

على الأرجح يدفع النفّاثةَ دورانُ الثقب الأسود والمجالُ المغناطيسي للقرص. وكان عليها أن تشق طريقها عبر المادة المقذوفة سابقًا. أشعة غاما منها، الأشد طاقة من أن تراها أي عين، هي الوميض القصير الذي يسميه الفلكيون انفجار أشعة غاما قصيرًا.

التقط قمر فيرمي التابع لناسا هذا الانفجار، GRB 170817A، الذي دام نحو ثانيتين. كان خافتًا على غير العادة لأن النفّاثة لم تكن موجهة نحونا: أظهرت صور راديوية لاحقة أنها كانت منحرفة عنا بنحو 20 درجة. ولأنه وصل بعد الأمواج بـ1.7 ثانية، بعد رحلة 130 مليون سنة، أثبت أن الجاذبية تنتقل بسرعة الضوء بدقة جزء واحد من 10¹⁵.

كيلونوفا

الزمن مُسرَّع: المادة المقذوفة، نحو 20 ألف ضعف كتلة الأرض، تتوهج بينما تتحلل العناصر الثقيلة الجديدة فيها. هذا التوهج، الكيلونوفا، سطع كمئات ملايين الشموس.

الذرات المتكوّنة حديثًا غير مستقرة وتتحلل على مدى ساعات وأيام، فتسخّن السحابة من داخلها. وهي أسطع بنحو ألف مرة من النوفا، أي الثوران على سطح قزم أبيض؛ ومن هنا اسمها «كيلونوفا» الذي أُطلق عام 2010. وكانت هذه أول كيلونوفا تُرى.

حين رُئيت أول مرة، بعد إحدى عشرة ساعة من التصادم، كانت تسطع كنحو 270 مليون شمس وقد بدأت تخبو بالفعل. ساعاتها الأولى لم تُرَ، لذا تتبع هنا النماذج. كانت بيضاء مزرقّة، حرارتها نحو 10 آلاف درجة، وتتمدد بنحو ثلث سرعة الضوء.

الذهب والبلاتين

الأيام مُسرَّعة: تبرد من الأبيض المزرق إلى الأحمر وتخبو. يُظهر ضوؤها تكوّن عناصر أثقل من الحديد: وُجد فيه السترونشيوم، وتكوّن الذهب والبلاتين أيضًا.

في الثانية الأولى بعد التصادم، كانت المادة المقذوفة غنية بالنيوترونات لدرجة أن الذرات ابتلعتها أسرع مما استطاعت أن تتحلل، فبنت عناصر أثقل بكثير من الحديد. هذه هي العملية السريعة، أو عملية r؛ ويُعتقد أن نحو نصف العناصر الأثقل من الحديد تتكوّن بهذه الطريقة.

ذرات ثقيلة تسمى اللانثانيدات، تتكوّن مع الذهب والبلاتين، تحجب الضوء الأزرق، لذا كلما خفّت السحابة احمرّ ضوؤها ثم صار تحت أحمر. وفي عام 2019 تم التعرّف على السترونشيوم في ضوئها. أما كمية الذهب المتكوّنة فأقل يقينًا: تتراوح التقديرات بين بضعة أضعاف كتلة الأرض وبضع مئات من أضعافها.

كما رُئي من الأرض

في 17 أغسطس 2017 عند الساعة 12:41 بالتوقيت العالمي اجتاحت الأمواج الأرض، وبعدها بـ1.7 ثانية أشعة غاما. وبعد إحدى عشرة ساعة وجد تلسكوب في تشيلي الضوء الجديد في المجرة NGC 4993.

حصر كاشفا LIGO وكاشف Virgo معًا المصدر في رقعة من السماء مساحتها نحو 130 ضعف مساحة القمر، في كوكبة الشجاع، على بُعد نحو 130 مليون سنة ضوئية. وفتّشت تلسكوبات حول العالم المجرات هناك ما إن حلّ الظلام.

كان تلسكوب سوب في لاس كامباناس بتشيلي أول من وجدها: نقطة ضوء جديدة قرب مركز NGC 4993. وفي غضون أيام رصدها نحو 70 مرصدًا في القارات السبع وفي الفضاء، من أشعة غاما إلى الموجات الراديوية. المجرة هنا مرسومة وفق نموذج بسيط.

سُمع ورُئي

كانت أول مرة يُسمع فيها الحدث نفسه بالأمواج الثقالية ويُرى بالضوء. وأظهر أين يتكوّن جزء كبير من ذهب الكون.

أثبت أن تصادم النجوم النيوترونية يسبب انفجارات أشعة غاما القصيرة ويصنع العناصر الثقيلة، وأن الأمواج الثقالية تنتقل بسرعة الضوء. أعطت شدة الأمواج المسافة، وأعطت سرعة ابتعاد المجرة عنا طريقة جديدة لقياس سرعة تمدد الكون.

بعد أيام ظهرت الأشعة السينية ثم الموجات الراديوية: الوهج اللاحق للنفّاثة، الذي ظل يسطع أكثر لأشهر. وفي 2019 سمعت الكواشف تصادم زوج آخر من النجوم النيوترونية، لكن لم يُعثر على ضوء منه. وحتى 2025 بقي هذا التصادم الوحيد الذي سُمع ورُئي معًا.