موت الشمس

كيف ستنتفخ الشمس لتصبح عملاقًا أحمر، ثم تخبو قزمًا أبيض

خطوة بخطوة

الشمس اليوم

عمر الشمس 4.6 مليار سنة، أي نحو منتصف حياتها. في كل ثانية يحوّل لبّها قرابة 600 مليون طن من الهيدروجين إلى هيليوم، والطاقة التي يطلقها ذلك تبقيها ساطعة.

في أعماق اللب، عند نحو 15 مليون درجة مئوية، تتصادم نوى الهيدروجين وتندمج لتصبح هيليومًا. في كل مرة تختفي كمية صغيرة من الكتلة وتصير طاقة، كما تقول معادلة أينشتاين E = mc²: نحو أربعة ملايين طن كل ثانية. وتحتاج هذه الطاقة إلى آلاف كثيرة من السنين لتشق طريقها إلى السطح الذي نراه.

لا أحد يستطيع أن ينتظر مليارات السنين ليرى نجمًا يشيخ، ولا حاجة إلى ذلك. فالسماء مليئة بنجوم كتلتها قريبة من كتلة الشمس، رُصدت في كل مرحلة من حياتها من الولادة إلى الموت. ونماذج حاسوبية لعمل النجوم، اختُبرت عليها جميعًا، تروي القصة التالية.

الأحجام ودرجات الحرارة والتواريخ هنا مأخوذة من نموذج كهذا للشمس، وضعه كلاوس-بيتر شرودر وروبرت كونون سميث، ويتتبعها حتى تتخلص من آخر طبقاتها الخارجية.

أسطع فأسطع

مع تراكم الهيليوم في لبّها، يزداد سطوع الشمس ببطء، بنحو 10% كل مليار سنة. وبعد نحو مليار سنة سيكفي ذلك لتغلي محيطات الأرض وتتبخر.

الهيليوم، رماد نار الشمس، يتراكم في اللب. وهذا يضغط اللب أكثر ويسخّنه، فيندمج الهيدروجين أسرع وتسطع الشمس أكثر. وعند ولادتها كانت تسطع بنحو 70% فقط من سطوعها اليوم.

الحلقة الخضراء هي النطاق الصالح للحياة، حيث يمكن لكوكب مثل الأرض أن يحتفظ بماء سائل. ومع ازدياد سطوع الشمس تبتعد الحلقة إلى الخارج. وبعد نحو مليار سنة تتجاوز حافتها الداخلية الأرض: يمتلئ الهواء ببخار الماء الذي يحبس مزيدًا من الحرارة، وتبدأ المحيطات في الغليان. وفي أعالي الهواء يفكك ضوء الشمس الماء، فيفلت هيدروجينه إلى الفضاء.

في نهاية هذه المرحلة، بعد نحو 5.4 مليار سنة من الآن، ستكون الشمس أسطع من اليوم بنحو الضعف، وسيكون النطاق الصالح للحياة قد ابتعد حتى مدار المريخ.

اللب ينفد

بعد نحو 5.4 مليار سنة ينفد الهيدروجين في اللب. فينكمش اللب ويسخن، ويواصل الهيدروجين الاحتراق في قشرة حوله، وتبدأ طبقات الشمس الخارجية في الانتفاخ.

حين لا يبقى وقود في المركز، يعجز لب الهيليوم عن حمل نفسه ويبدأ في الانكماش. والانضغاط يسخّنه، وتلك الحرارة تشعل الهيدروجين في قشرة رقيقة حوله، تحترق أسرع مما احترق اللب في أي وقت.

تدفع الطاقة الإضافية طبقات الشمس الخارجية إلى الخارج. فتبرد وهي تتمدد، ويتحول لون الشمس من الأبيض المصفر إلى البرتقالي. وتُظهر الدائرة المتقطعة حجمها اليوم.

يبلغ كل نجم هذه النقطة حين ينفد الهيدروجين في لبّه، وكلما كان النجم أثقل كان ذلك أبكر. فالنجم الذي كتلته ضعف كتلة الشمس يصل إليها في نحو مليار سنة، أما أصغر الأقزام الحمراء فستظل تسطع تريليونات السنين، أي أطول بكثير من عمر الكون حتى الآن.

عملاق أحمر

ستكون الجاذبية على سطحها أضعف من اليوم بنحو مئة ألف مرة. وهناك يصعد الغاز المغلي في بضع خلايا عملاقة، عرض كل منها يكاد يساوي المسافة بين الأرض والشمس. وفي عام 2017 رأى تلسكوب VLT في تشيلي خلايا كهذه على العملاق الأحمر باي¹ الغرنوق.

ولأن السطح مشدود بهذا الضعف، فإنه يتطاير بسهولة. تحمل ريح قوية ثلث كتلة الشمس قبل أن تبلغ أكبر حجم لها. ومع قلة الكتلة التي تجذبها، تتسع مدارات الكواكب.

مصير الأرض

قبل ذلك بزمن طويل ستصبح الأرض عالمًا محترقًا منصهرًا: فحين تصير الشمس أسطع من الآن بألف مرة، ستكفي الحرارة الواصلة إلى الأرض لصهر الصخور.

الكوكب القريب من نجم عملاق يرفع عليه انتفاخًا، كما يرفع القمر المد في محيطات الأرض. وجذب هذا الانتفاخ يبطئ الكوكب، فيهوي نحو الداخل في مسار حلزوني. وفي نموذج شرودر وسميث يتغلب هذا على اتساع مدار الأرض، فتُبتلع الأرض بعد الزهرة بمليون سنة.

نماذج أخرى، بكميات مختلفة من فقدان الكتلة، تسمح للأرض بالنجاة في مدار أوسع. إنه سباق متقارب، والجواب يتوقف على كيفية فقدان العمالقة كتلتها، وهو أمر ما زال يُقاس.

وميض الهيليوم

عند القمة يبلغ اللب نحو 100 مليون درجة مئوية، ويبدأ هيليومه في الاندماج دفعة واحدة، في وميض. ثم تنكمش الشمس إلى نحو 11 ضعف حجمها اليوم، وتحرق الهيليوم أكثر من مئة مليون سنة.

يحتاج الهيليوم إلى نحو 100 مليون درجة مئوية ليندمج إلى كربون وأكسجين. وبحلول ذلك الوقت يكون لب الهيليوم في الشمس مرصوصًا بشدة، فلا يتمدد ويبرد حين يسخن كما يفعل الغاز. لذا ما إن يبدأ الهيليوم بالاندماج حتى يخرج عن السيطرة: لبضع ثوانٍ يُنتج اللب من الطاقة ما يعادل مجرة كاملة تقريبًا.

لا يخرج شيء من ذلك. تُصرف الطاقة في إرخاء اللب، ولا يظهر شيء على السطح. ثم يحرق اللب هيليومه بهدوء، وتستقر الشمس، أصغر بكثير مما كانت عملاقًا أحمر، لكنها لا تزال أسطع من اليوم بنحو 50 مرة.

النجوم في هذه المرحلة شائعة. ففي مخططات ألوان النجوم وسطوعها تتجمع في كتلة، أو تصطف في العناقيد النجمية القديمة في شريط يسميه الفلكيون الفرع الأفقي.

عملاق من جديد

حين ينفد هيليوم اللب أيضًا، تنتفخ الشمس عملاقًا مرة أخرى، هذه المرة حول لب من الكربون والأكسجين. وكل مئة ألف سنة تقريبًا تتوهج قشراتها المشتعلة، فتقذف طبقاتها الخارجية.

الآن يحترق الهيليوم في قشرة حول لب الكربون والأكسجين، والهيدروجين في قشرة أخرى خارجها. وتتناوبان: تراكم قشرة الهيدروجين الهيليوم حتى تتوهج قشرة الهيليوم، وهذه نبضة حرارية، ثم يهدأ كل شيء من جديد.

هذه المرة تكبر الشمس إلى نحو 180 ضعف حجمها اليوم، أصغر مما كانت عملاقًا أحمر، فينجو المريخ والكواكب التي بعده. وتفقد قرابة خمس ما تبقى من كتلتها في ريح بطيئة من الغاز والغبار.

العمالقة المحتضرة مثل هذا تلتف بأغلفة من الغاز والغبار. وحول العملاق الأحمر آر النحات، رأى تلسكوب ألما غلافًا قُذف في إحدى هذه النبضات. وقد تكوّن كثير من غبار مجرتنا في رياح كهذه.

سحابة متوهجة

لا علاقة للسدم الكوكبية بالكواكب: ففي التلسكوبات الأولى بدت مستديرة مثل الكواكب. وتُعرف منها آلاف في مجرتنا، وكل منها هو النَّفَس الأخير لنجم مثل الشمس.

يسطع اللب العاري في الغالب بالأشعة فوق البنفسجية، التي تنتزع الإلكترونات من ذرات الغاز. وحين تلتقط الذرات الإلكترونات من جديد، يتوهج كل عنصر بألوانه الخاصة: الأكسجين أخضر مزرق قرب اللب الحار، والهيدروجين والنيتروجين أحمر أبعد منه. والألوان هنا تتبع هذا النمط، كما في السدم الحقيقية.

ظن الفلكيون طويلًا أن نجمًا خفيفًا مثل الشمس لا يستطيع أن يكوّن سديمًا مرئيًا: فلبّه سيسخن ببطء شديد، وسيتبدد الغاز قبل أن يُضاء. لكن نماذج أحدث، نُشرت عام 2018، تُظهر أنه يسخن بسرعة كافية. سيكون سديم الشمس خافتًا، لكنه ساطع بما يكفي ليُرى من مجرات أخرى.

ينطلق الغاز إلى الخارج بسرعة عشرات الكيلومترات في الثانية. وبعد نحو 10000 سنة يكون قد تخلخل أكثر من أن يتوهج، فينتشر في المجرة، حيث قد يصبح يومًا جزءًا من نجوم وكواكب جديدة.

قزم أبيض

القزم الأبيض كثيف إلى حد أن ملعقة صغيرة منه تزن نحو ما تزنه سيارة. ولا يسنده شيء سوى إلكتروناته: فهي مضغوطة إلى أقصى ما تسمح به الطبيعة، وتقاوم أن تُضغط أكثر.

لما تستطيع الإلكترونات حمله حدّ. فلا يمكن لقزم أبيض أن تزيد كتلته على نحو 1.4 شمس: فوق ذلك تستسلم حتى هي، وينهار النجم أكثر.

الشعرى اليمانية ب، رفيقة ألمع نجم في سماء الليل، قزم أبيض مثل هذا، كتلته قريبة من كتلة الشمس، وهو أصغر من الأرض.

خبوّ بطيء

تدور الكواكب الناجية حول القزم الأبيض في مدارات أوسع من مداراتها اليوم بنحو الضعف. وعلى مدى مليارات السنين يبرد ويخبو. ولم يتسع الوقت بعد لأي قزم أبيض في الكون كي يظلم.

لا يسطع القزم الأبيض إلا بما تبقى فيه من حرارة. يبرد سريعًا في البداية، ثم أبطأ فأبطأ. وأقدم الأقزام البيضاء المعروفة تبرد منذ نحو عشرة مليارات سنة وما زالت تتوهج بخفوت. أما أن يبرد ليصبح قزمًا أسود باردًا مظلمًا، فذلك يستغرق زمنًا أطول بكثير من عمر الكون حتى الآن.

يتساقط على كثير من الأقزام البيضاء غبار صخري، هو حطام كويكباتها وكواكبها. ولبعضها كواكب لا تزال: ففي عام 2020 اكتُشف كوكب بحجم المشتري يدور حول القزم الأبيض WD 1856+534.