تصل مدته إلى ما يقارب 51 دقيقة ..رصد أقصر مدار بين نظام نجمي ثنائي
شمسنا مجرد نجم وحيد في الفضاء، وهذا يُساعد على التنبؤ بما سينتج عنها أحيانًا مثل العواصف الشمسية. لكن لا تنطبق هذه الميزة على نجوم أخرى، إذ نجد أن معظمها نجوم ثنائية.
ففي دراسة جديدة أُجريت؛ بيّنت وجود ثنائي نجمي قريبين جدًا من بعضهما، لدرجة أن مدة دوران النجمين حول بعضهما 51 دقيقةً فقط، وهي أقصر مدة زمنية لدوران ثنائي نجمي حتى الآن. لكن في الوقت ذاته يخلق هذا القرب الشديد مشكلةً كبيرةً.
يُسمى هذا النوع من النجوم بالنجوم المتغيرة الكارثية، إذ يكون النجم الرئيس نجمًا قزمًا أبيض، أما النجم الثاني فهو نجم شبيه بالشمس لكن أكبر عمرًا.
تُعرف الأقزام البيضاء بصغرها الشديد، فهي تقريبًا بحجم كوكب الأرض، لكن كثافتها هائلة، فيعمل النجم القزم على سحب المواد من مرافقه بقوة جاذبيته الهائلة، وينتج عن المواد المسحوبة المتراكمة حلقة تُحيط بالنجم القزم الأبيض.
يؤدي تشكل هذه الحلقة إلى ظهور ومضات ساطعة متقطعة عند ارتفاع حرارة القرص، واستمراره بالنمو مع سحب المواد المحيطة بالنجم.
على النجمين المتغيرين الكارثيين (CV) البقاء على مقربة من بعضهما، حتى يتسنى للنجم القزم الأبيض سحبُ المواد من النجم المرافق.
عثر العلماء حتى الآن على ما يزيد عن 1000 نجم متغير كارثي؛ قلة منها تحتاج إلى 75 دقيقة لإتمام دورانها. وتُثبت هذه الدراسة الجديدة وجود نجوم متغيرة كارثية بمدار قصير بلغ 51 دقيقةً.
لكنّ المثير هنا ندرة هذا النوع من النجوم، ما يُثبت نقص فهم العلماء للفيزياء الفلكية.
نُشرت الدراسة في مجلة نيتشر Nature. أشرف على كتابة البحث كيفن بردج من قسم الفيزياء في جامعة MIT. وقد تبين أن هذه النجوم المدروسة تبعد 3000 سنة ضوئية عن كوكبة هرقل.
مضى على رفقة الثنائي النجمي مدة طويلة، فقد بقيا مع بعضهما حتى الآن 8 مليارات سنة، مع وجود اختلاف في شيخوخة كل نجم.
فالأول نجم قزم أبيض؛ ناتج من بقايا نجم متسلسل رئيس مرّ بمرحلة التحول إلى عملاق أحمر والآن أصبح شديد الكثافة، معدوم النواة. أما النجم الثاني فهو نجم شبيه بالشمس على وشك أن يصبح عملاقًا أحمر ولاحقًا قزمًا أبيض.
لكن يقف النجم الأول في طريق وصول النجم الثاني إلى مرحلة تحوله إلى نجم قزم. إذ إن النجم المرافق له درجات حرارة مثل تلك الموجودة في الشمس، مع خسارة كمية كبيرة من كتلته حتى أصبح شديد الصغر، وله قطر يُعادل عُشر قطر الشمس؛ أي بالمجمل أصبح حجمه بحجم كوكب المشتري.
صرح بردج قائلًا: «يُشبه هذا النجم الشمس، لكن الشمس لا يُمكن أن يكون مدارها أقل من 8 ساعات، فما الذي يحدث هنا؟».
الجدير بالذكر أن النجم القزم الأبيض أصغر من نجمه الثاني وقطره يزيد عن قطر كوكب الأرض بمقدار 1.5 مرة، أما كثافته فتعادل 56 بالمئة من كثافة الشمس. إنه جرم سماوي غريب حقًا.
وقد اكتشف علماء الفلك ثنائيات نجمية أخرى ذات مدارات قصيرة، لكن لا شيء يشبه هذا الثنائي الجديد. فبالإضافة إلى قربهما من بعضهما؛ وجد العلماء أنهما يحجبان بعضهما عن مجال الرؤية للمراصد بحالة الكسوف. أعطى هذا الاكتشاف الأخير الفرصة للباحثين لتحليل ظواهر الكسوف في الفضاء، ووضع حسابات دقيقة للثنائي المدروس.
أطلق العلماء اسم (ZTF J1813+4251)على هذا النظام النجمي الثنائي. إذ تُعبّر الحروف الثلاث ZTF عن منشأة Zwicky Transient Facility، وهي شراكة بين عاملين في القطاع العام والخاص المعني برصد النجوم. يهدف العلماء العاملون في هذه المنشأة إلى دراسة الضوء في السماء الشمالية باحثين عن ظواهر مؤقتة مثل المتغيرات.
بالطبع لا تهم التسمية بقدر ما تهم هذه الحالة التي تصف ذاك الثنائي النجمي. بمعنى آخر يُبدي هذا الثنائي تصرفات غريبةً. فالنجم القزم يعمل على سحب الهيدروجين من النجم المرافق، ثم يبدأ بابتلاع الهيليوم.
يقول بردج: «لقد كنا محظوظين عندما شاهدنا هذه الحالة النادرة إذ يبتلع النجم القزم الهيدروجين، ثم ينتقل للهيليوم الموجود في النجم المرافق».
تُعد ظاهرة الانتقال من ابتلاع الهيدروجين إلى ابتلاع الهيليوم في نظام نجمي ثنائي ظاهرةً غير مألوفة، وهذا ما يجعل العلماء على يقين أنهم ما يزالون غير ملمين بالفيزياء الفلكية. من الواضح أن الدراسات السابقة كانت تُظهر أعدادًا كبيرةً من المتغيرات الكارثية التي تحوي نجومًا تبتلع الهيليوم، لكن الغريب هي الآلية التي تجعل هذه النجوم تبتلع الهيليوم بدلًا من الهيدروجين.
ساعدت على حل هذه الأحجية المشاهدات التي سجلها العلماء للثنائي ZTF J1813+425، التي يتعلق أهمها بدرجة حرارة الثنائي النجمي وكثافته، إذ تبين أن النجم المرافق له نفس درجة حرارة الشمس، لكن كثافته تزيد عن كثافة الشمس بمائة مرة.
الكثافة الهائلة للنجم المرافق تؤكد أنه غني بالهيليوم، ما يقتضي ابتلاع القزم الأبيض الصغير للهيليوم بدلًا من الهيدروجين.
لقد تنبأ العلماء منذ زمن طويل بأن الثنائيات النجمية تستمر في التقلص حتى تصبح مداراتها غايةً في القِصر، وتتحول إلى متغيرات كارثية. فعند ابتلاع القزم الأبيض للهيدروجين الموجود في النجم المتبرع، يبقى الهيليوم شديد الكثافة، ويكفي الهيليوم لإبقاء النجم الميت في مداره.
لم تكن المشاهدات التي سجلها العلماء لظاهرة حجب النجمين لبعضهما سوى البداية، فقد تمكنوا لاحقًا من تطوير محاكيات أدق للتنبؤ بما سيحل بهذا الثنائي النجمي. وبالفعل أجابت هذه المحاكيات عن أسئلة سابقة تتعلق بطبيعة المتحولات الكارثية ومداراتها المتقلصة. إذ بينت المحاكيات أن مدار الثنائي النجمي سيستمر في التقلص حتى تصبح المدة الزمنية له 18 دقيقةً فقط، وذلك بعد مضي 70 مليون سنة، عندها سيكون الثنائي النجمي معتمدًا على الهيليوم كليًا للبقاء حيًا.
في سبيل رصد المراحل التي سيمر بها هذا الثنائي، رسم العلماء مخططات، ووضعوا فيها خطوطًا ملونةً بالأحمر، والأزرق والبرتقالي؛ تُمثل هذه الخطوط الاحتمالات المختلفة لما سيحل بالثنائي النجمي مع مرور الوقت، عندما يبدأ النجم القزم بإنقاص كتلة النجم المتبرع تدريجيًا.
- البرتقالي: يبدأ النجم المرافق بخسارة كتلته عندما يُساوي شريط حياته 97٪.
- الأحمر: يبدأ النجم المرافق بخسارة كتلته عندما يُساوي شريط حياته 95٪.
- الأزرق: يبدأ النجم المرافق بخسارة كتلته عندما يُساوي شريط حياته 94٪.
يوجد ضمن المخططات خط أسود مرسوم على الخط الأحمر يبين موقع ZTF J1813+4251. أما الشريط البنفسجي، فهو يشير إلى مرحلة التطور المحتملة لمتغير كارثي آخر يُدعى El Psc وُضع لإظهار أوجه المقارنة.
إذن في المرحلة a، تُظهر المحاكاة الاحتمال الأول لما سيحل بالثنائي النجمي، وهو خسارة النجم المرافق لكتلته مع اقتراب النجمين من بعضهما استجابةً لخسارة الكتلة المتسارع، إذ ترتفع درجة حرارة النجم المرافق. في المرحلة الأخيرة، تنخفض درجات الحرارة مجددًا مع انصهار آخر ما تبقى من الهيدروجين في نواة النجم. مع تقلص المدار، يخسر النجم المتبرع كتلته، يلي ذلك توسع، وانخفاض في درجات الحرارة بثبات، بعد ذلك يصبح المتغير الكارثي حاويًا للهيليوم فقط.
في المرحلة b، يوضح المخطط التقلص الحاصل في مدار الثنائي النجمي بعد مضي 75 مليون سنة. وتبين المحاكاة أن المدار ستصبح مدته 18 دقيقةً. لاحقًا سيبتعد الثنائي النجمي عن بعضهما خلال فترة زمنية تقدر 300 مليون سنة، حينها سيصبح طول المدار 30 دقيقة.
في المرحلة c، يوضح المخطط البياني التغيرات التي ستطرأ على النجم المتبرع اطرادًا مع فقدان كتلته. إذ سيقل طول المدار، قبل ازدياد طول المدار مجددًا عند بدئه بابتلاع الهيليوم.
في المرحلة d، تُظهر الكتلة التي على النجم المرافق فقدانها قبل تحوله إلى متغير كارثي فيه هيليوم فقط، من دون الهيدروجين. تؤكد المحاكاة أن هذا الانتقال يحدث بالتحديد عندما يتقلص مدار النجم إلى أصغر ما يمكن.
تجدر الإشارة إلى أن موجات الجاذبية تلعب دورًا أيضًا.
يتخصص العالم بردج بدراسة المصادر الفلكية للإشعاعات الكهرومغناطيسية والجاذبية. إذ قيست أمواج الجاذبية للمرة الأولى عام 2015، مع وجود أدلة واضحة قبل ذلك تصف هذه الظاهرة. وتُمثل دراسة هذه الأمواج جزءًا مهمًا من دراسة علم الفلك.
يقول بردج: «تمكننا دراسة أمواج الجاذبية من فهم الكون من جوانب جديدة لا تخطر على البال».
عند الحديث عن الثنائي النجمي في هذه الدراسة، وجد العلماء انبعاث أمواج جاذبية عندما يكون النجمان على مقربة شديدة من بعضهما، لكن يُستثنى من ذلك التصاقهما ببعضهما. وحالَ تقلص المسافة بين النجمين إلى 10,000 كيلومتر، سوف يندمجان وينفجران، ما يعني نهاية انبعاث أمواج الجاذبية.
لقد سادت فكرة تقلص المدار بين هذا الثنائي مع مرور الوقت لدى العلماء لفترة طويلة، وظل موضوع استمرار انبعاث أمواج الجاذبية حال اقتراب النجمين من بعضهما كثيرًا محض الجدل بحسب بردج.
لا شك أن بردج وزملاءه عملوا بجد للعثور على هذا الثنائي النجمي الفريد من نوعه. ساعدهم في هذا الاكتشاف تحليل البيانات الموجودة في ZTF، باحثين عن متغيرات سريعة الزوال في أقل من ساعة. تُشير سرعة زوال المتغيرات إلى عبور مداري النجمين لبعضهما، ما يقتضي تقلص مدة المدار.
بدايةً استخدم العلماء خوارزمية خاصة للبحث في البيانات الموجودة لدى ZTF؛ التي فيها بيانات لأكثر من مليار نجم.
وعادت الخوارزمية بنتيجة مفادها وجود مليون نجم يُصدر وميضًا كل ساعة. بحث بردج عن إشارات مميزة من بين المليون نجم التي جمعها. في النهاية قرر التركيز على ZTF J1813+4251.
يقول بردج عقب هذا الاكتشاف: «فاجأني هذا الثنائي حقًا، إذ لاحظت حدوث كسوف كل 51 دقيقة، وتأكدت حينها أن الشيء الذي أدرسه يُمثل ثنائيًا نجميًا فعلًا».
يؤكد بردج أن هذا الثنائي غير سابقيه، وأن فريق البحث يعدّون أنفسهم محظوظين للعثور عليه، فالدراسة المعمقة لهذا الثنائي النجمي ستساعد في الإجابة عن سؤال صعب، بالإضافة إلى كون الثنائي يُمثل أحد أجمل المتغيرات الكارثية، من حيث الندرة والتميز.
المصدر: أنا أصدق العلم
