كوازار

ثقب أسود يلتهم بسرعة تجعله يطغى بضيائه على مجرته كلها

خطوة بخطوة

نجم لم يكن نجمًا

في عام 1963 اكتشف مارتن شميت أن نقطة ضوء خافتة تُدعى 3C 273 ليست نجمًا: فقد مدّد الكون المتوسع ضوءها في رحلة دامت نحو ملياري سنة.

عُرف 3C 273 أولًا مصدرًا للموجات الراديوية، الـ273 في فهرس كامبريدج الثالث. وفي 1962 مرّ القمر أمامه، فحدّد توقيت انقطاع موجاته الراديوية مكانه. وهناك كان نجم عادي المظهر من القدر الثالث عشر، بجانبه خط باهت.

لم يكن لطيفه معنى حتى رأى شميت أنه نمط الهيدروجين المألوف، مزاحًا نحو الأحمر بنحو 16%. لا يفعل ذلك إلا تمدد الكون، فضوؤه إذن مسافر منذ نحو ملياري سنة. وما يبدو بهذا السطوع من هذا البعد لا بد أنه ذو قوة هائلة. سُمّيت هذه الأجرام المصادر الراديوية شبه النجمية: الكوازارات.

أسطع من مئة درب تبانة

يسطع 3C 273 مثل 4 تريليونات شمس، أي نحو مئة مرة ضوء درب التبانة كلها، ويتذبذب خلال أيام: فكل هذا الضوء يأتي من منطقة عرضها بضعة أيام ضوئية فقط.

حول 3C 273 مجرة إهليلجية عملاقة، لكنها في الصور العادية تختفي في وهج مركزها. ولم يتمكن هابل من رؤيتها بوضوح إلا في 2024 بمِكلاف يحجب الضوء المركزي كما يحجب القمر الشمس في الكسوف.

لو كان 3C 273 على بعد 30 سنة ضوئية لسطع في سمائنا بسطوع الشمس. ومع ذلك يتغير ضوؤه في أيام، ولا يمكن لشيء أن يتوهج كله دفعة واحدة أسرع مما يعبره الضوء: فالمصدر عرضه بضعة أيام ضوئية فقط، بحجم مجموعتنا الشمسية تقريبًا.

المجرة مرسومة وفق نموذج بسيط لمجرة إهليلجية عملاقة؛ أما مقدار زيادة سطوع مركزها فيتبع القياسات.

ثقب أسود يتغذى

في المركز ثقب أسود كتلته نحو 260 مليون شمس. الغاز الساقط في دوامة يُضغط ويُسخَّن في قرص حتى يسطع أكثر من كل نجوم المجرة مجتمعة.

لكل مجرة كبيرة تقريبًا ثقب أسود فائق الكتلة في قلبها، وأغلبها هادئ. الكوازار ثقب أسود يُغذّى: غاز من مجرته، يحركه غالبًا تصادم مع مجرة أخرى، يسقط نحوه أسرع مما يستطيع ابتلاعه.

لا يستطيع الغاز السقوط مباشرة. فكالماء حول المصرف يدور في قرص مسطح، ويحتك بنفسه، ويفقد طاقته، ويلتف ببطء نحو الداخل وهو يسخن. ظل الثقب الأسود والضوء المنحني حوله مرسومان كما تقول النسبية العامة؛ وخطوط القرص مرسومة.

أشد الضوء

قرب الثقب الأسود يتوهج القرص غالبًا بالأشعة فوق البنفسجية. والسقوط فيه يحوّل نحو عُشر كتلة الغاز إلى ضوء: أربعة عشر ضعف ما يفعله الاندماج النووي في النجوم.

المادة الساقطة نحو ثقب أسود تتسارع وتسخن. وحين يبلغ غاز القرص أعمق مدار مستقر، على بعد بضعة أضعاف حجم الأفق، يكون نحو عُشر كتلته قد تحوّل إلى حرارة وضوء، وأكثر إن كان الثقب يدور بسرعة.

الشمس، وهي تدمج الهيدروجين في هيليوم، لا تحوّل إلى طاقة إلا 0.7% من الكتلة التي تحرقها. ولهذا فالثقوب السوداء المتغذية أقوى الأضواء الدائمة في الكون. ويبدو جانب القرص الدائر نحونا أسطع وأزرق: فالغاز المتحرك بجزء كبير من سرعة الضوء يرسل ضوءه إلى الأمام.

الأشعة فوق البنفسجية غير مرئية؛ والقرص مرسوم بألوان حرارته.

سحب في مدارات سريعة

أبعد من ذلك تدور سحب من الغاز بسرعة نحو 3,000 كم/ث، على بعد نحو 145 يومًا ضوئيًا من المركز. وفي 2018 رأتها أداة تُدعى GRAVITY وهي تدور، وبذلك وُزن الثقب الأسود.

يُظهر ضوء الكوازار خطوطًا عريضة: فألوان كل عنصر ملطخة، لأن الغاز الذي يطلقها يتحرك بآلاف الكيلومترات في الثانية، بعضه نحونا وبعضه مبتعدًا. ويضيء هذه السحب القرصُ الذي في داخلها.

في 2018 قاست GRAVITY، التي تجمع تلسكوبات «التلسكوب الكبير جدًا» الأربعة بقطر 8 أمتار التابعة لـ ESO في تلسكوب واحد، من أين يأتي ضوء السحب عبر 3C 273، ورأتها تدور: تقترب من جهة وتبتعد من الأخرى. وسرعة دورانها على تلك المسافة تعطي كتلة الثقب الأسود: نحو 260 مليون شمس (GRAVITY Collaboration 2018).

ألوان السحب مرسومة: الأزرق للمقترب والأحمر للمبتعد. ودورانها مسرّع؛ فالدورة الواحدة تستغرق في الحقيقة قرونًا.

نفّاثة تعبر المجرة

بعض الغاز لا يسقط أبدًا. فهو يُقذف على امتداد المحور بسرعة تقارب سرعة الضوء، ليشكّل نفّاثة طولها 200,000 سنة ضوئية، ضعف عرض درب التبانة.

قرب الثقب الأسود، تقذف الحقول المغناطيسية التي لفّها دوران القرص والثقب قليلًا من الغاز على امتداد المحور بسرعة تقارب سرعة الضوء. ونحو كوازار واحد من كل عشرة له نفّاثات قوية بما يكفي لتسطع بشدة في الموجات الراديوية.

تظهر نفّاثة 3C 273 حتى في صور هابل العادية، خطًا طوله نحو 200,000 سنة ضوئية. وتبدو عُقد فيها كأنها تنطلق أسرع من الضوء: وهذا خداع، لأنها تتحرك نحونا مباشرة تقريبًا بسرعة تقارب سرعة الضوء، فيصل ضوؤها متراكمًا. أما توأمها المتجه بعيدًا عنا فأخفت من أن يُرى.

النفّاثة مرسومة بالأزرق الباهت، كما تبدو في صور هابل.

أسطعها جميعًا

أسطع كوازار معروف، J0529-4351، يسطع مثل 500 تريليون شمس. وثقبه الأسود، بكتلة 17 مليار شمس، يبتلع كل يوم ما يزيد على شمس من الغاز.

J0529-4351 ساطع جدًا حتى إن مسوح السماء أدرجته نجمًا لعقود. وفي 2024 أظهر فريق بقيادة كريستيان وولف باستخدام «التلسكوب الكبير جدًا» التابع لـ ESO أنه كوازار انطلق ضوؤه قبل أكثر من 12 مليار سنة.

كتلة ثقبه الأسود نحو 17 مليار ضعف كتلة الشمس وما زال ينمو. والقرص الذي يغذيه عرضه نحو 7 سنوات ضوئية، الأكبر المعروف، ويسطع مثل أكثر من 500 تريليون شمس (Wolf وزملاؤه 2024).

القرص مرسوم بحجمه المقيس. وظل الثقب الأسود في وسطه أصغر من أن يُرى بهذا المقياس.

عصر الكوازارات

كانت الكوازارات في أوج كثرتها قبل نحو 10 مليارات سنة، حين كانت المجرات فتية ومليئة بالغاز. ونفد غذاء معظمها منذ ذلك الحين، وصارت الساطعة منها نادرة اليوم.

لأن الضوء يستغرق وقتًا ليصلنا، فأبعد الكوازارات هي أيضًا أقدمها. وعدّها على كل مسافة يُظهر أن الكوازارات الساطعة كانت قبل 10 إلى 11 مليار سنة أكثر شيوعًا بنحو مئة مرة مما هي اليوم.

كانت المجرات حينها غنية بالغاز وكثيرة التصادم، مما دفع الغاز نحو مراكزها. ومع استهلاك الغاز في النجوم أو طرده، سكنت معظم الثقوب السوداء. وكثير من المجرات العملاقة اليوم تحمل ثقوبًا سوداء نائمة لكوازارات سابقة.

يعطي المخطط تقريبًا الشكل الذي وجدته المسوح. وخفوت الكوازار هنا مرسوم.

ثقبنا الأسود

الثقب الأسود في درب التبانة، القوس A*، كتلته 4.3 مليون شمس ولا يكاد يأكل. لكن فقاعتين عملاقتين من أشعة غاما فوق المجرة وتحتها توحيان بأنه توهّج قبل بضعة ملايين سنة.

القوس A* أخف من ثقب 3C 273 الأسود بنحو ستين مرة وشبه جائع: فهو لا يسطع إلا مثل بضع مئات من الشموس، معظم ذلك موجات راديوية وأشعة سينية.

في 2010 وجد تلسكوب فيرمي الفضائي فصّين هائلين من أشعة غاما، يمتد كل منهما نحو 25,000 سنة ضوئية فوق مركز المجرة وتحته. ويوحي حجمهما وشكلهما بانفجار من المركز قبل بضعة ملايين سنة، ربما حين نال القوس A* آخر وجبة كبيرة.

الفقاعتان غير مرئيتين للعين؛ وهما مرسومتان هنا بالبنفسجي. ودرب التبانة مرسومة وفق نموذج بسيط.

منارات لا تتحرك أبدًا

الكوازارات بعيدة جدًا حتى إنها لا تبدو متحركة أبدًا. ويستخدم الفلكيون آلافًا منها نقاطًا ثابتة يُقاس بالنسبة إليها كل موضع في السماء.

تنجرف النجوم في السماء على مر السنين وهي تتحرك في المجرة. أما الكوازارات، على بعد مليارات السنين الضوئية، فتبقى في مكانها، ولذلك فهي أفضل المعالم على الإطلاق.

الإطار المرجعي السماوي الدولي، المستخدم لتوجيه المركبات الفضائية وتتبع دوران الأرض، مبني على مواضع 4,536 مصدرًا راديويًا بعيدًا، معظمها كوازارات، قاستها تلسكوبات راديوية حول العالم (ICRF3، 2018). وتربط مركبة Gaia خريطتها لنحو ملياري نجم بنحو 1.6 مليون كوازار.

الحلقات تعلّم الكوازارات كما تفعل الخريطة؛ والنقاط داخلها مرسومة.

أجرام في هذه القصة

TON 618