تشظي النجوم

حدث الأكسدة العظيم

في السنوات الأولى من تاريخ الأرض، أدى إطلاق كمياتٍ كبيرة من الأكسجين في الغلاف الجوي إلى تغيير البيئة بشكل دائم وتغيير ما يمكن أن ينمو فيها. وقد لعبت النجوم الأولى دورًا مشابهًا في الكون المبكر. فقد وجدت نفسها مولودة في بيئة نقية، خالية من البنيات الكبيرة. فالتعقيد الذي نراه حولنا اليوم يتطلب وحدات بناءٍ أكبر من مجرد الهيدروجين والهيليوم، وفي ذلك الوقت لم يكن هناك سوى النجوم الأولى التي يمكنها توفير وحدات البناء هذه. وإذا قارنا حجم البكتيريا الزرقاء الضئيلة مع حجم الأرض، فسنجد أن هذه المقارنة لا تختلف كثيرًا عن المقارنة بين حجم أحد النجوم الأولى وحجم الكون. وربما كانت النجوم الأولى عبارة عن بكتيريا بالنسبة إلى الكون؛ أي ضئيلة الحجم وغير مهمة.

كتلة جينز

في الفصل الرابع، تركنا سحابة الغاز المحظوظة عند نقطة الاندماج. فقد انهارت السحابة تحت ضغط الجاذبية الهائل، مما أدى إلى اتحاد ذرات الهيدروجين معًا وبدء عملية الاندماج، أي احتراق الهيدروجين، ونتج عن ذلك حرارة وضوء، وضغط اندفع إلى الخارج ووازن قوة الجاذبية التي لا هوادة فيها. في الفصل الرابع، سلطنا الضوء على ولادة نجم واحد. نجم واحد من سحابة غاز واحدة. إنها فكرة متسقة ومتجانسة. وحتى سنوات قليلة مضت، كانت هذه هي الطريقة التي نحاكي بها تشكيلات النجوم الأولية الخالية من المعادن: بالتركيز على نجم رئيسي واحد في مركز السحابة. ذلك أنه لم تكن لدينا الإمكانات الحوسبية للقيام بأكثر من ذلك. فالإمكانات اللازمة لحساب قوى الجاذبية والتفاعلات الكيميائية والمجالات المغناطيسية لنجم واحد فقط تتعدى حدود قدراتنا الحسابية والإمكانات الحوسبية في ذلك الوقت. ونتيجة لذلك، كان من الممكن أن يُطلق على هذا الفصل قبل بضع سنوات اسم «حياة منعزلة»، وهو العنوان نفسه الذي اعتدت أن أعطيه لشرائح العروض التقديمية التي أعدتها حول هذا الموضوع. فقد اعتقدنا أن النجوم الأولى تشكلت على نحو فردي، وعاشت كل منها حياة منعزلة. لكننا نعتقد الآن أنها لم تكن وحيدة على الإطلاق، بل على العكس تمامًا، فقد تكونت في مجموعات، تمامًا مثل حاضنات النجوم التي نرصدها اليوم. وعندما نستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء للنظر من خلال الغاز المعتم الذي تتشكل منه النجوم، نرى سحابة واحدة من الغاز لم تشكل نجمًا ضخمًا واحدًا، ولكنها بدلًا من ذلك تفككت وتحولت إلى مجموعة من النجوم ذات كتلة أصغر.

ستنكمش السحابة بمجرد أن تصل إلى كتلة جينز. وبسبب هذا الانكماش ترتفع درجة حرارة السحب كثيرًا لدرجة أنها لا تستطيع أن تتفكك وتتقلص إلى كتل صغيرة بحجم النجوم؛ حيث لا تزال كتلة جينز كبيرة للغاية، لا سيَّما في الكون اليافع الساخن. ولم يتغلب على الضغط الحراري والانهيار سوى السحب الضخمة حقًّا التي ساعدها حجمها الهائل على ذلك. ولتفكيك تلك السحب، علينا خفض حرارتها بعض الشيء وتقليل كتلة جينز حتى تبدأ السحب في التفتت والانهيار في شكل كتل بحجم النجوم.

ولادة النجوم العملاقة

يكمن السر وراء تبريد الغاز في التصادمات. فالإلكترونات الموجودة حول النواة تشغل مستويات طاقة محددة ويمكن للذرة المتصادمة أن تثير الإلكترون لينتقل إلى مستوى طاقة أعلى. لكن الإلكترونات تفضِّل الراحة والاستقرار عند أدنى مستوى طاقة، لذلك تهبط مرة أخرى إلى الأسفل عند أول فرصة، وينبعث فوتون تعادل طاقته الطاقة التي فقدتها الإلكترونات عند الانتقال من مستوى طاقة إلى آخر. وبهذه الطريقة، تتحول الطاقة الحركية لجزيء الغاز إلى طاقة إشعاعية على شكل فوتون يمكنه الهروب من السحابة بسهولة أكبر. في سحب الغاز الأولى الخالية من المعادن، لم يكن هناك تنوع كبير في أنواع التصادمات التي يمكن أن تحدث. ففي أغلب الأوقات كانت ذرات الهيدروجين يصطدم بعضها ببعض. وعندما تصطدم ذرتان من الهيدروجين، يمكن أن تتحدا لتكوين الهيدروجين الجزيئي. والهيدروجين الجزيئي هو الحالة التي نلاحظها في معظم الهيدروجين على الأرض وفي الكون الأوسع. ويمكن الحصول على هذا الجزيء بمساعدة إلكترون «محفِّز»، تلتقطه ذرة الهيدروجين، وينتج عن هذه العملية فوتون. يمكن بعد ذلك أن يتحد «أنيون» الهيدروجين بذرة هيدروجين عادية لتكوين هيدروجين جزيئي، مما يؤدي إلى تحرير الإلكترون المحفِّز، الذي يمكنه بعد ذلك الاستمرار في إثارة المزيد من التفاعلات.

شكل ٦-١: تبريد الهيدروجين الجزيئي. ينبعث فوتون (γ) أثناء عملية تكوُّن الهيدروجين الجزيئي. يصدر جزء من الطاقة مع هذا الفوتون، مما يؤدي إلى تبريد الغاز.

يلعب انبعاث الفوتون وسط هذه التفاعلات دورًا حيويًّا، حيث يصدر معه كمية من طاقة الغاز مما يؤدي إلى تبريده. يحدث هذا التفاعل بسهولة في سحب غاز الهيدروجين، وتؤدي كثرة الفوتونات المنبعثة إلى انخفاض الطاقة الحرارية للنظام، وبالتالي تنخفض درجة حرارته وضغطه الداخلي، ومن ثَمَّ تنهار السحابة. في سحب الغاز الأولى، أدى تبريد الهيدروجين الجزيئي إلى خفض درجة حرارة سحب الغاز إلى بضع مئات كلفن. هناك طرق تبريد أكثر كفاءة متاحة لسحب الغاز الحالية بسبب أنها تحتوي على نسبة أكبر من المعادن على سبيل المثال، مما يسمح لسحب الغاز الحالية بالوصول إلى درجات حرارة أقل بكثير تصل إلى بضع عشرات كلفن. وكان لارتفاع درجة حرارة سحب الغاز الأولى آثارٌ مهمة على خصائص النجوم الأولى. في عملية تكوين النجوم الحالية، تعني درجات الحرارة المنخفضة للسحب الغازية أن كتلة جينز تبلغ نحو كتلة شمسية واحدة، ولذا فإن معظم عمليات تكوين النجوم تنتج نجومًا بحجم شمسنا تقريبًا. ولكن في حالة سحب الغاز الأولى الساخنة، كانت كتلة جينز أكبر بمئات المرات، وتفككت سحب الغاز إلى كتل أكبر بكثير، منتجة نجومًا أولى ضخمة. وعلى الرغم من وجود نجوم ذات أحجام مماثلة حولنا اليوم، فإنها نادرة. ومع ذلك، كانت هذه الكتل الهائلة أمرًا مألوفًا في حالة النجوم الأولى. فقد كانت المقاييس مختلفة تمامًا.

النجوم السامة

بالمقارنة مع البكتيريا الزرقاء، كان من غير المرجح نجاة النجوم الأولى من التدخل البيئي.

كانت مهمة النجوم هي تغيير الكون من أجل النجوم التي ستخلفها، والحث على الانتقال من البساطة إلى التعقيد. قبل تدخلها، كان الكون مظلمًا: شبكة غير مرئية من المادة المظلمة تحددها سحب غازية غير مرئية. وبعد ذلك، امتلأ الكون بتراكيب وبِنًى مختلفة الألوان والأشكال والأحجام. إذ ظهرت العمالقة الحمراء، والعمالقة الزرقاء، والأقزام البيضاء، والأقزام البُنية، والمجرات الحلزونية، والثقوب السوداء، والبشر، ومناجذ الماء التي تتمتع بمنقار يشبه منقار البط. وكان هناك نجوم تحتوي على معادن قليلة (نجوم الجمهرة الثانية) ونجوم تحتوي على معادن أكثر (نجوم الجمهرة الأولى) … لكن لم يكن هناك نجوم خالية تمامًا من المعادن (نجوم الجمهرة الثالثة). يبدو أن النجوم الأولى لم تكن موجودة للاستمتاع بالعرض الذي مهدت لحدوثه. فقد لعبت دور المهندسين المعماريين وضحايا انقراضها الجماعي. لم يولد الجيل التالي من النجوم إلا عندما ماتت النجوم الأولى وأطلقت معادنها، مما أتاح الفرصة لانخفاض درجة حرارة المعادن.

اعتقدنا لفترة طويلة أن هذا معناه أن النجوم الأولى كانت نجومًا وحيدة؛ بمعنى أنه بمجرد أن يتشكل نجم ما، تتدمر سريعًا منطقة تكوُّن النجوم، بحيث لا يتمكن أي نجم شقيق من التشكُّل بعده. يا لها من فكرة غامضة — كون مظلم وفارغ تولد به نجوم وحيدة. لكن فكرة النجوم الوحيدة بدأت تفقد مصداقيتها.

النجوم الشقيقة

شكل ٦-٢: تكوُّن نجوم الجمهرة الثالثة. في لقطات المحاكاة الست هذه، نرى قرصًا من الغاز ينقسم إلى أربعة نجوم أولية، في فترة زمنية قصيرة تتجاوز المائة عام بقليل. وحدة فلكية واحدة هي المسافة بين الأرض والشمس. حقوق الطبع والنشر © مملوكة لساينس، كلارك وآخرون ٢٠١١.¹⁵

حدث أكسدة الكون

جزر في السماء

•••

كانت النجوم الأولى مختلفة عن النجوم الحالية، سواءٌ في طبيعتها أو في طريقة تشكُّلها. وقد أدى انعدام وجود آليات تبريد تتعدى تبريد الهيدروجين الجزيئي إلى ارتفاع كتلة جينز في سحب الغاز الأولية الساخنة، ومن ثَمَّ لم تتمكن من الانهيار سوى كتل الغاز الكبيرة. كنا نعتقد أن هذا يعني أن النجوم الأولى قد تشكلت على نحو فردي، ولكن بفضل أساليب المحاكاة المحسَّنة يمكننا الآن متابعة ما يحدث في قرص التراكم المحيط. ونعتقد حاليًّا أن السحب الأولى تنهار لتشكل نجمًا مركزيًّا ضخمًا، وتتشكل حوله نجوم أولية أصغر منه. يُطرَد بعضها، ويندمج البعض الآخر مع الكتلة المركزية، وتظل البقية على قيد الحياة، منتجةً أول ثنائيات نجمية. وعلى الفور يحول هذا الانفجار الأول لتشكُّل النجوم دون ظهور جيل ثانٍ من نجوم الجمهرة الثالثة، حيث تدمِّر فوتوناتُ النجوم الأولى نفسها الهيدروجينَ الجزيئي اللازم للتبريد. وتعيش حياتها القصيرة، حيث تدمج المعادن ثم تطلقها في النهاية إلى البيئة المحيطة بها مباشرة، وهي واثقة بأن أي نجوم تتشكل من هذا الغاز تنتمي بالفعل إلى نجوم الجمهرة الثانية. وفي غمضة عين كونية، تختفي النجوم الأولى الضخمة، لكن إرثها يبقى، وهو نثر المعادن في الكون.

هوامش

مراجع مفيدة