سحابة غاز محظوظة

تزويد النجوم بالطاقة: الانكماش بفِعل الجاذبية

دعونا نقدم المتسابق الأول لدينا. الجاذبية هي إحدى القوى الأربع الأساسية في الكون. أما القوى الأخرى، فهي القوى التي تتحكم في التفاعلات النووية والقوة الكهرومغناطيسية التي تعمل بين الجسيمات المشحونة، وتتفاوت من حيث القوة والضعف. الجاذبية عبارة عن قوة جاذبة توجد بين أي جسمَين لهما كتلة. كلما زادت كتلة الجسم، زادت قوة الجاذبية التي يؤثر بها في الأجسام الأخرى. في الاستخدام اليومي، نميل إلى استخدام كلمة «ضخم» للإشارة إلى شيء كبير الحجم، ولكن من الناحية العلمية يتعلق الأمر بكمية المادة التي يتكوَّن منها جسم ما بصرف النظر عن حجمه. على سبيل المثال، تزيد كتلة الكرة الزجاجية الصغيرة (بِلي الأطفال) عن كتلة كرة البينج بونج، مع أنها أصغر حجمًا. تشكَّلت سحابة الغاز في بداية الكون من مجموعة من ذرات الهيدروجين الطليقة، وربما كانت تصاحبها ذرة أثقل منها مثل ذرة الهيليوم. إذا تتبعنا إحدى ذرات الهيدروجين في هذه السحابة، فسنجد أنها تتعرض لجاذبية ضعيفة من كل ذرة أخرى في السحابة. وسوف تلغي قوى الجاذبية هذه تأثير بعضها على بعض حتى تشعر الذرة بقوة كلية تجذبها نحو مركز كتلة السحابة. إذا كانت الذرة تتحرك بسرعة منخفضة، فإنها يكون لديها ما نطلق عليه «طاقة حركية منخفضة». وهذا يعني أنها لا تملك الطاقة اللازمة لمقاومة قوة الجاذبية تلك، تمامًا مثلما لا يملك الإنسان الطاقة اللازمة لمقاومة جاذبية الأرض والانطلاق إلى القمر. ولذلك، تقترب الذرة من مركز السحابة. تتمتع الذرة ذات الطاقة الحركية الكبيرة بكمية طاقة كافية لمقاومة قوة الجاذبية تلك ويمكنها الاستمرار في طريقها والإفلات من السحابة. إذا لم تتمكن معظم الذرات من مقاومة قوة الجاذبية الكلية للسحابة، فإننا نقول إن السحابة عبارة عن نظام مقيَّد بفِعل الجاذبية. وعلى النقيض، إذا كانت معظم الذرات تتمتع بقدر كبير من الطاقة الحركية ويمكنها الإفلات من قوة الجاذبية، فإننا نقول إن السحابة غير مقيَّدة بفِعل الجاذبية. ومن غير المرجَّح أن تظل على هيئتها كسحابة لفترة طويلة.

عندما تنكمش سحابة ذرات الهيدروجين لدينا تحت تأثير قوى الجاذبية مجتمعةً، فإن طاقة وضع الجاذبية الخاصة بها تتناقص. وتقترب كل ذرة من مركز السحابة، كأنها حوت صغير يندفع نحو الأرض. تتسارع الذرات نحو المركز وتحتك بعضها ببعض بشكل أكبر، مما يؤدي إلى توليد الكثير من الطاقة الحرارية. تزداد سرعة تحرك الذرات والجزيئات، وتزداد طاقتها الحركية ونفقد بعض الطاقة في صورة طاقة إشعاعية: حيث تهرب الفوتونات من السحابة، مُصدرة ضوءًا وحرارة. يمثل هذا الأمر مرحلة النجوم الأولى؛ أي مرحلة النجم الجنين. إنها بدايات تكوُّن النجوم، لكننا لم نصل إلى هذه المرحلة بشكل كامل بعد.

تُعَدُّ حتى الآن لعبة شد الحبل التي تحدثنا عنها أحادية الجانب إلى حد كبير. فالجاذبية تدفع بلا هوادة إلى الأسفل، وتضغط الهيدروجين. وفي حالة سُحُب الغاز غير المحظوظة، يتزايد مستوى ضغط الغاز على نحو لا يمكن مقاومته، وتتبدَّد سحابة الغاز. ويستمر الانهيار في حالة تلك السحب التي بإمكانها أن تنهار، وتنبعث منها الحرارة والضوء؛ ولكن لا يمكن أن يكون هذا هو مجمل القصة فحسب، وإلا لكانت الشمس قد توقفت عن إصدار الضوء بعد ١٠ ملايين سنة من نشأتها. فالضغط يأخذ في الازدياد في مركز السحابة حتى تصبح الذرات نشطة بما يكفي لبدء نوع جديد من التفاعل.

تزويد النجوم بالطاقة: الاحتراق

تزويد النجوم بالطاقة: الاندماج النووي

شكل ٤-١: الاندماج النجمي. يسود تفاعل بروتون-بروتون المتسلسل في النجوم الحديثة التي تقل كتلتها عن ١٣٠٪ من كتلة الشمس، وفي النجوم الأولى بسبب نقص المعادن.

تعمل القنابل الذرية على مفهوم الانشطار النووي (أي «الانقسام»)، وتستخدم الوقود الذي يشتمل على نظائر. والنظائر هي ذرات عنصر ما ويكون لها نفس عدد البروتونات، ولكن عدد نيوترونات مختلف. فالديوتيريوم أحد نظائر الهيدروجين، وتتكوَّن نواته من بروتون واحد ونيوترون واحد. والتريتيوم نظير آخر للهيدروجين ويحتوي على بروتون واحد ونيوترونَين. إن نظائر الذرات شائعة جدًّا، ولكن الهيدروجين فقط هو الذي تحمل نظائره أسماءً مختلفة. أما نظائر العناصر الأخرى، فنشير إليها باستخدام رقم يعبر عن إجمالي عدد البروتونات والنيوترونات (ما يُطلق عليه العدد الكتلي). على سبيل المثال، يحتوي الكربون-١٢ على ستة بروتونات وستة نيوترونات، بينما يحتوي الكربون-١٤ على ستة بروتونات وثمانية نيوترونات. يقع الاختيار على الوقود النووي، مثل اليورانيوم-٢٣٥ أو البلوتونيوم-٢٣٩، بسبب عدم استقرار نواته. فإذا اصطدم نيوترون بذرة يورانيوم-٢٣٥ بسرعة كافية، فستنقسم الذرة. وينتج عن ذلك ذرات أصغر حجمًا، تسمى شظايا الانشطار، فضلًا عن ثلاثة نيوترونات إضافية وكمية هائلة من الطاقة. تؤدي هذه النيوترونات إلى انقسام المزيد من اليورانيوم، وهو ما يؤدي بدوره إلى إطلاق مزيد من الطاقة والنيوترونات، وهكذا دواليك. ويستمر هذا التفاعل المتسلسل حتى يخرج النظام عن نطاق السيطرة وتنطلق كمياتٌ هائلة من طاقة الانفجار.

شكل ٤-٢: لعبة شد الحبل في النجوم. ينكمش النجم بسبب قوة الجاذبية الناجمة عن كتلته. بينما توفر التفاعلات النووية في قلب النجم الطاقة، والأهم من ذلك، الضغط الذي يعمل على الدفع إلى الخارج.

هل هناك ما يسمى بالقنبلة النجمية؟

يُعَدُّ تحفيز هذا الاندماج المتحكَّم فيه بمثابة الكأس المقدسة للفيزياء النووية. ففي حين أن اليورانيوم والنظائر الانشطارية الأخرى نادرة، فإن الهيدروجين رخيص ومتوفر، وينتج الاندماج النووي نفاياتٍ أقل إشعاعًا. إذا توصَّلنا إلى طريقة لتوفير ضغط الجاذبية المذهل الذي يحفِّز حدوث الاندماج، فسيكون لدينا مصدر طاقة شبه مجاني لدعم البشرية. ويُعَدُّ هذا الأمر محاكاة للظروف الفيزيائية الموجودة في قلب النجوم.

حالة النجوم

عند التفكير في حالات المادة، فستتذكر حتمًا أن ما تعلمته عنها هو أن للمادة ثلاث حالات: الصلبة والسائلة والغازية. ويخبرونك أن المواد الصلبة تحتفظ بشكلها وحجمها، مثل الثلج؛ أما السوائل فتأخذ شكل الوعاء الموضوعة فيه، مثل ماء الصنبور؛ والغازات تملأ حيز الوعاء بالكامل، كما نرى مع البخار. لكن هناك حالة رابعة تسمى البلازما، وهي حالة معظم المواد المعروفة في كوننا (باستثناء المادة المظلمة، كما سنرى في الفصل الخامس). ظلت البلازما لفترة طويلة غير قابلة للرصد بسهولة على الأرض؛ لأن وجودها يتطلب درجات حرارة عالية للغاية أو مجالات كهرومغناطيسية قوية. ويُعَدُّ البرق أحد الاستثناءات الشائعة، حيث يمثل عمود بلازما يمتد من السحاب إلى الأرض.

في الشمس، تكون درجات الحرارة مرتفعة جدًّا لدرجة أن الإلكترونات السالبة الشحنة داخل الذرات تنفصل عن النواة الموجبة الشحنة، مما ينتج غازًا من الجسيمات المشحونة، يُعرف باسم البلازما. سيأخذ هذا الغاز المشحون كهربائيًّا شكل الحاوية التي يشغلها، إلا أن الجزيئات لا تكون حرة الحركة تمامًا بحيث تتجول مثلما هو الحال مع الغاز المتعادل؛ وعوضًا عن ذلك، تنجذب الجسيمات المختلفة الشحنة بعضها إلى بعض. ويكون الأمر أشبه بغاز يتكوَّن من مغناطيساتٍ صغيرة، في حالة تجاذب وتنافر إلى الأبد. وهذا يعني أن كثافة البلازما أعلى من كثافة الغاز العادي وتكون بطريقة أو أخرى ذات تدفق أو شكل مرن (كلمة «بلازما» مشتقة من كلمة يونانية قديمة تعني مادة قابلة للتشكُّل). تتوافق حالة البلازما مع كل من درجات الحرارة والكثافة المرصودة على الشمس، حيث لا يزال بإمكان البلازما أن تتصرف مثل الغازات عند معدلات كثافة عادةً ما تكون كبيرة بما يكفي للإشارة إلى وجود سائل.

ولادة نجم

لا يزال الحد الأقصى لكتلة النجوم موضوعًا مفتوحًا لمزيد من النقاش، لا سيَّما فيما يتعلق بالنجوم الأولى. فمن الناحية النظرية، كلما كان حجم النجم أكبر، ازداد تفاوت الضغط الإشعاعي في مركز النجم. والنجوم تحتوي على كميات كبيرة من الطاقة لدرجة تجعلها غير مستقرة، ويمكن أن يتسبب تغيُّر بسيط في الطاقة، ناجم على سبيل المثال عن تراكم سحابة غاز مجاورة، في حدوث تغييرات كبيرة في التوازن بين ضغط الجاذبية وضغط الإشعاع. ومن الناحية العملية، كلما زاد حجم النجم، زادت احتمالية ظهور ميول اضطراب عليه عند تعرضه لضغط، مثل أن يتمدَّد ويتلاشى فجأة أو ينهار فجأة. ولأن هذا السلوك لا يمكن التنبؤ به، فلا توجد قاعدة سريعة لتحديد الحد الأقصى لكتلة النجم، ولكن عندما ندرس النجوم من حولنا، نجد أنه من النادر العثور على نجوم تزيد كتلتها عن كتلة الشمس بمقدار ٥٠ مرة. لكن فيما يخص النجوم الأولى، فهناك سبب يدعونا إلى الاعتقاد بأن الحد الأقصى للكتلة كان من الممكن أن يصبح أكثر استقرارًا عما نجده في تكوين النجوم الحالية. فالبيئة النقية التي تكوَّنت فيها النجوم الأولى أدت بطبيعة الحال إلى ظهور نجوم أكبر بكثير، ربما أكبر مئات المرات من كتلة الشمس، كما سنرى في الفصل السادس.

•••

تنشأ النجوم نتيجة تفاعُل شديد التوازن بين القوى المختلفة من جاذبية وضغط ودرجة حرارة، وهناك العديد من سحب الغاز التي أخفقت في توفير الظروف المناسبة لتكوُّن النجوم. في المراحل الأولى، تؤدي قوة الجاذبية المشتركة لسحابة من الذرات إلى تكثيفها. إذا لم تكن السحابة بدرجة الحرارة أو الحجم المناسبَين، فإن الطاقة الحركية للذرات سوف تتغلب بسهولة على قوة الجاذبية الأولية، مما يؤدي إلى تشتت الذرات. ولكن، إذا كانت الطاقة الحركية منخفضة بما فيه الكفاية، فسوف تستمر السحابة في التكثُّف، وتطلق الطاقة الحرارية والإشعاعية مع استمرار تناقص طاقة وضع الجاذبية. وإذا كانت السحابة ضخمة بما فيه الكفاية، فإن الضغط الداخلي سوف يحفِّز حدوث الاندماج النووي. وستندمج ذرتان من الهيدروجين معًا لتكوين ذرة أقل كتلة، مما يؤدي إلى إطلاق كمية هائلة من الطاقة. وتصبح هذه الطاقة أكثر من كافية لتفسير إنتاج الحرارة والضوء في النجوم، لكن الوقود لا يمكن أن يستمر إلى الأبد.

يحول ضغطُ التفاعلات النووية دون الزوال الحتمي للنجم، مما يؤخِّر موعد انهياره. وتستمر هذه المهلة لفترة طويلة. فهناك كمية هائلة من الهيدروجين الذي يمكن أن يشتعل في النجم، وبما أن درجة الحرارة ترتفع في المركز، يمكن حدوث تفاعلات نووية أكثر تعقيدًا واحدًا تلو الآخر عند الوصول إلى الطاقة المطلوبة. يواصل النجم تحويل الهيدروجين إلى هيليوم بوتيرة منتظمة من خلال الاندماج، مما يحول دون انهياره ويساعد على إنتاج الضوء والحرارة التي نراها عندما ننظر إلى شمسنا. ولمئات الملايين من السنين أو ربما مليارات السنين، يمكن أن تسود النجم حالة من التوازن، حيث يكون كلا فريقَي شد الحبل في تناغم وانسجام. لكن لا يمكن لهذا الوضع أن يستمر؛ لأن الجاذبية لا تكل ولا تمل أبدًا. وتواصل عملها باستمرار، وتكثِّف مجهودها الموجَّه إلى انهيار النجم. وعلى الرغم من وجود كميات كبيرة من الهيدروجين تكفي لإمداد ضغط الاندماج النووي المضاد بالوقود، فهي كميات محدودة. ويومًا ما ستنفد وستنتصر الجاذبية. في لعبة شد الحبل بين النجوم، لا يوجد سوى فريق واحد جدير بالثقة من بداية المسابقة وحتى نهايتها.

هوامش