نجم ضخم ينفجر

كيف ينهار نجم أثقل من الشمس بمرات كثيرة ويمزّق نفسه

خطوة بخطوة

نجم عملاق فائق

النجوم الضخمة تعيش بسرعة. وُلد هذا النجم بنحو 18 ضعف كتلة الشمس، ويحرق وقوده بشراسة تجعله يسطع أكثر من الشمس بنحو 90000 مرة. ولا تدوم حياته كلها إلا نحو عشرة ملايين سنة، أي جزءًا من ألف من عمر الشمس.

طبقاته الخارجية منتفخة ومخلخلة إلى حد أن بضع خلايا هائلة من الغاز المغلي تغطي وجهه كله، كل واحدة منها أعرض من الشمس مرات كثيرة.

منكب الجوزاء في كوكبة الجبّار نجم من هذا النوع، على بعد نحو 550 سنة ضوئية. سينفجر في وقت ما خلال المئة ألف سنة القادمة: لحظة في عمر نجم، لكن الأرجح ألا يحدث ذلك في حياتنا.

طبقات كالبصلة

في داخله بُنية من طبقات. حول لبّ من الحديد تقع قشور من السيليكون، والأكسجين والنيون، والكربون والهيليوم، كل منها رماد الوقود المشتعل خارجها، وكلها ملفوفة في غلاف هائل من الهيدروجين.

يسطع النجم بدمج العناصر الخفيفة في عناصر أثقل. وحين ينفد الهيدروجين في مركزه، ينكمش اللب ويسخن حتى يستطيع حرق رماد الهيليوم، فيصنع الكربون والأكسجين. وكلما نفد وقود انكمش اللب واشتدت حرارته وبدأ بحرق رماد الوقود السابق: الكربون، ثم النيون والأكسجين والسيليكون.

يستمر كل وقود بالاحتراق في قشرة رقيقة خارج اللب مباشرة، فينتهي النجم مؤلفًا من طبقات كالبصلة. الطبقات مرسومة بمقياس قريب من الحقيقي: كل عرض النجم تقريبًا هيدروجين، وكل ما عداه محشور في لبّ لا يزيد حجمه كثيرًا على حجم الشمس.

التقريب يُظهر عمقها: فالحديد في المركز أضيق من النجم بنحو مئة ألف مرة.

أسرع فأسرع

ينفد كل وقود جديد أسرع من سابقه: يكفي الهيدروجين نحو 8 ملايين سنة، والهيليوم مليونًا، والكربون ألفًا، والنيون والأكسجين نحو سنة لكل منهما، والسيليكون نحو عشرة أيام فقط.

الأنواع الأثقل من الوقود تعطي طاقة أقل في كل اندماج، ويجب أن يكون اللب أسخن كي يدمجها أصلًا. وعند هذه الحرارة يفقد أيضًا طاقته على شكل نيوترينوات تنطلق من النجم مباشرة، فيضطر إلى الاحتراق أسرع فأسرع لمجرد أن يحفظ نفسه.

حين يحرق السيليكون، عند نحو 3 مليارات درجة، يستهلك اللب وقوده في أيام. ولن يلاحظ أحد ذلك من الخارج: فسطح النجم يتغير أبطأ بكثير من أن يكشف أن لبّه يندفع نحو نهايته.

هذه المدد لنجم كتلته نحو 20 شمسًا في نماذج ووسلي وهيغر وويفر؛ والنجم الأثقل يمر بها أسرع من ذلك.

لبّ من الحديد

نواة الحديد من أشد الأنوية ترابطًا. فإن دمجتها في شيء أثقل أو كسرتها إلى شيء أخف، وجب أن تبذل طاقة. لذلك يتراكم الحديد في الوسط رمادًا ميتًا لا شيء يحرقه.

لا يحمل اللبَّ إلا إلكتروناته، المضغوطة بشدة حتى إنها تدفع عكسيًا: وهو الضغط نفسه الذي يحمل القزم الأبيض. ولا يحتمل هذا الضغط إلا نحو 1.4 ضعف كتلة الشمس، والسيليكون المحترق حول اللب يظل يضيف إليه الحديد.

الدائرة المتقطعة هي الأرض بالمقياس نفسه. ففي كرة أصغر من كوكبنا يحشر اللب كتلة أكبر من كتلة الشمس.

الانهيار

مع انضغاط اللب تُدفع الإلكترونات قسرًا داخل البروتونات فتحوّلها إلى نيوترونات وتطلق نيوترينوات. ومع قلة الإلكترونات التي تقاوم، لا يزداد الانهيار إلا سرعة. أما بقية النجم فلا وقت لديها لتلاحظ: بالنسبة إليها لم يحدث شيء بعد.

جاذبية اللب نفسه تقوم بالعمل، فتطلق كمية مذهلة من الطاقة: بضع مئات من أضعاف ما ستشعّه الشمس طوال حياتها البالغة عشرة مليارات سنة، في أقل من ثانية.

في أقل من طرفة عين ينكمش اللب من حجم يقارب حجم الأرض، أي الدائرة المتقطعة، إلى كرة عرضها بضع عشرات من الكيلومترات: النجم النيوتروني المقبل.

الارتداد

عند كثافة نواة الذرة يتصلّب اللب المنهار ويرتد، مرسلًا موجة صدمة إلى الخارج. يولد نجم نيوتروني، وتنطلق منه 10⁵⁸ نيوترينوات تحمل 99% من الطاقة.

المادة بهذه الكثافة مرصوصة بأقصى ما يمكن للمادة أن تُرص: ملعقة صغيرة منها تزن نحو مليار طن. وحين يبلغها اللب الداخلي لا يمكن ضغطه أكثر، فيرتد الغاز الذي ما يزال يسقط عليه كما ترتد كرة عن جدار.

النيوترينوات لا تكاد تتفاعل مع أي شيء: تريليونات منها قادمة من الشمس تعبر جسدك كل ثانية. وحتى هي تُبطئ في هذا الانسحاق، لكنها كلها تفلت في نحو عشر ثوانٍ، حاملة تقريبًا كل طاقة الانهيار.

إنها الشيء الوحيد الذي التُقط يومًا قادمًا مباشرة من لبّ منهار: ففي عام 1987 التقطت أجهزة كشف في اليابان والولايات المتحدة وروسيا نحو عشرين منها من SN 1987A، قبل وصول ضوئه بساعات.

الصدمة تتوقف ثم تنطلق

خلال أجزاء من مئة من الثانية تفقد موجة الصدمة زخمها وتتوقف على بعد نحو 150 كم من المركز. تسخّن النيوترينوات الغاز خلفها فيغلي، وبعد أعشار قليلة من الثانية تنطلق الصدمة.

تستنفد الصدمة طاقتها في تحطيم أنوية الحديد التي تسقط عليها، فتتوقف. وطوال عقود فشلت النماذج الحاسوبية للمستعرات العظمى هنا بالضبط: ففي النماذج البسيطة لا ينفجر النجم أبدًا.

يكمن الجواب في النيوترينوات. فالغاز خلف الصدمة يلتقط بضعة في المئة من طاقتها، فيغلي ويتلاطم في فقاعات هائلة ويدفع الصدمة إلى الخارج حتى تنطلق. ولا تلتقط هذا إلا المحاكاة ثلاثية الأبعاد على بعض من أكبر الحواسيب الفائقة، وفيها باتت النجوم تنفجر.

وحين تتحرر، تكتسح الصدمة طبقات النجم بسرعة آلاف الكيلومترات في الثانية.

الاختراق

بعد نحو يوم تبلغ الصدمة سطح النجم وتخترقه في ومضة من الأشعة فوق البنفسجية تدوم نحو نصف ساعة. ويتمزّق النجم كله.

لم تُلتقط ومضة كهذه في بدايتها إلا مرة واحدة: ففي عام 2008 كان القمر الصناعي سويفت يرصد مجرة بالمصادفة حين اخترقت صدمة المستعر الأعظم SN 2008D السطح، متوهّجة بالأشعة السينية نحو خمس دقائق.

في نجم بهذا الحجم تحتاج الصدمة إلى نحو يوم لتخرج. أما نجم SN 1987A فكان أصغر، عملاقًا أزرق فائقًا، وبدأ ضوؤه بعد النيوترينوات بنحو ثلاث ساعات.

تُقذف الطبقات الخارجية للنجم، أي غاز يزيد على عشر شموس، بسرعة نحو 10000 كم/ث.

مستعر أعظم

لأشهر يسطع هذا النجم الوحيد كمئات ملايين الشموس، بما يكفي لأن يُرى من جزء كبير من الكون.

يأتي التوهّج الطويل الثابت من الهيدروجين الذي قذفه. فالغاز الذي سخّنه الانفجار يبرد وهو ينتشر، ويفلت ضوؤه من الخارج إلى الداخل. وحين ينتهي ذلك يأتي الضوء من النيكل-56 الذي صُنع في الانفجار، والذي يتحلل إلى كوبالت ثم إلى حديد، مسخّنًا الحطام.

كان SN 1987A، على بعد 168000 سنة ضوئية في سحابة ماجلان الكبرى، أقرب مستعر أعظم شوهد منذ اختراع التلسكوب، وكان ساطعًا بما يكفي لرؤيته بالعين المجردة.

غبار النجوم

بعد قرون يصير الحطام قشرة عرضها سنوات ضوئية، غنية بالأكسجين والسيليكون والكالسيوم والحديد التي صُنعت في النجم. وفي قلبها يدور النجم النيوتروني.

يواصل البقية الكبر وهي تشق طريقها في الغاز المحيط، وتتوهّج بالأشعة السينية حيث تسخّن صدمتها ذلك الغاز إلى ملايين الدرجات. وذات الكرسي A، على بعد 11000 سنة ضوئية، واحدة منها عمرها نحو 340 سنة وعرضها 10 سنوات ضوئية؛ والألوان هنا تتبع العناصر التي رسم تشاندرا خريطتها فيها.

مع الوقت يختلط الحطام بغاز المجرة الذي تتكوّن منه نجوم وكواكب جديدة. فكثير من الأكسجين الذي نتنفسه، وبعض الحديد في دمنا، صُنع في نجوم كهذا النجم وبعثرته انفجارات كهذا الانفجار.

قد يسطع النجم النيوتروني المتبقي نجمًا نابضًا، مثل النجم النابض في سديم السرطان، بقايا مستعر أعظم شوهد عام 1054. أما لبّ نجم أثقل فقد ينهار أكثر ليصير ثقبًا أسود.