النجوم النابضة عبارة عن أجسام بيضاوية الشكل، حجمها بحجم مدينة كبيرة تقريباً، ولكنها تحتوي على كتلة أكبر من كتلة الشمس.
يستخدم العلماء النجوم النابضة لدراسة الحالات المتطرفة للمادة، البحث عن كواكب بعيدًا عن نظامنا الشمسي بالإضافة لحساب المسافات الكونية.
يمكن لهذه النجوم أن تساعد على اكتشاف موجات الجاذبية، والتي بدورها يمكن أن تضيء الطريق نحو اكتشاف الأحداث الكونية العظيمة مثل تصادم الثقوب السوداء على سبيل المثال.
مع اكتشافها عام 1967 أصبحت هذه النجوم عضوًا مذهلًا من المجتمع الكوني.
ما هو النجم النابض؟
من الأرض، تبدو النجوم النابضة غالبًا على هيئة نجوم «متلألئة».
أي أنها تضيء وتطفئ باستمرار، باديةً للعيان كأنها «ترمش» بنسق ثابت.
مع هذا فإن الضوء الصادر عن النجوم النابضة لا ينبض في الحقيقة، وهذه النجوم هي في واقع الأمر… ليست نجومًا أصلًا.
في الواقع، تُشِع النوابض بصورة ثابتة ومنتظمة، أشعةً ضيقة من الضوء باتجاهات متعاكسة.
وبالرغم من أن الضوء الصادر عن الأشعة هو ضوء ثابت، فإن النوابض تظهر على أنها «تتلألئ» لأنها تقوم أيضًا بالدوران.
وهو نفس السبب الذي يجعل المنارة تظهر بنفس المظهر بالنسبة لبحّار في عرض المحيط بينما يدور النجم النابض، يمكن لشعاع من الضوء أن يعبر الأرض، ثم يتأرجح بعيدًا عن الأفق، ثم يعود مجددًا.
بالنسبة لرجل فضاء على سطح الأرض، فإن الضوء يدخل حيز الرؤية ويغادره، معطيًا إحساسًا زائفًا بأن النابض ينطفئ ويضيء.
أما السبب في تشابه الضوء الصادر من النابض مع ضوء المنارة البحرية، فيكمن في أن الشعاع الضوئي الصادر عن النابض لا يتوازى مع محور الدوران الخاص بالجرم.
لأن عملية الـ «النبض» الناتجة عن النجم النابض ناتجة عن دورانه، فإن معدل النبضات الظاهرة لنا تكشف أيضًا معدل دوران النجم النابض.
أكثر من 2000 نجم نابض تم اكتشافه للآن.
ومعظم هذه النوابض تدور بمعدل دورة واحدة في الثانية (تسمى هذه أحيانًا بأنها «نوابض بطيئة» )، في حين أن ما يزيد عن 200 نابض تدور مئات المرات في الثانية الواحدة (وتدعى « نوابض الميليثانية» ).
والأسرع من بينها على الإطلاق هي نوابض تدور أكثر من 700 مرّة في الثانية.
هذه النجوم النابضة هي في واقع الأمر ليست نجومًا -أو على الأقل ليست نجومًا «حيّة»-.
عوضًا عن ذلك، تنتمي لعائلة من الأجرام يطلق عليها اسم «النجوم النيوترونية» والتي تتشكل عندما ينفذ الوقود المكون لقلب نجم بحجم شمسنا مسببًا انهياره على نفسه.
ينتج هذا الموت النجم في العادة انفجارًا هائلًا نسمّيه انفجارًا عظيمًا أو (سوبرنوفا – supernove).
النجم النيوتروني الناتج هو عبارة عن المادة الخام عالية الكثافة المتبقية من الانفجار الناتج عن الوفاة.
بشكل عام، تكون أبعاد النجم النيوتروني 20 إلى 24 كم، ولكن يمكن لها أن تحتوي على ضعف المادة التي تمتلكها الشمس، والتي تصل أبعادها لـ 1.392 مليون كم.
توضيح بسيط بالرجوع إلى وكالة ناسا للفضاء: إذا قمنا بأخذ كمية بحجم مكعب من السكر من نجم نيوتروني فسيكون وزنها حوالي 1 بيليون طن ( أي بحجم جبل ايفيريست تقريبًا )!
أما عن قوّة الجذب على سطح نجم نيوتروني فتصل إلى حوالي 1 بيليون مرة أقوى من تلك الموجودة على سطح الأرض.
الجرم الوحيد الذي تعتبر كثافته أكبر من كثافة النجم النيوتروني هو الثقب الأسود، والذي يتكون أيضًا عند موت النجوم.
وإن أكبر نجم نيوتروني تم اكتشافه للآن هو أكبر من الشمس بحوالي 2.04 ضعفًا.
ولا يعلم العلماء ما هو أكبر ما يمكن للنجم النيوتروني أن يبلغه قبل أن يتحول لثقبٍ أسود، بناءًا على ما بيّنه Özel Feryal ، أستاذ الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة ولاية أريزونا في الولايات المتحدة الأمريكية، والمتخصص في الأجسام عالية الكثافة، والحالات المتطرفة للمادة في الكون.
بالإضافة إلى أنها نجوم نيوترونية، فالنجوم النابضة هي أيضًا عالية المغناطيسية.
فبينما تمتلك الأرض مجالًا مغناطيسيًا يمكنها من تطبيق هزّة خفيفة على إبرة البوصلة، تمتلك النوابض مجالًا مغناطيسيًا يفوق المجال المغناطيسي للأرض بقيم تتراوح بين 100 مليون مرة إلى 1 كوادريليون ( مليون بليون) مرة أقوى من ذلك الخاص بالأرض.
أرسل المتخصص Özel بريدًا إلكترونيًا لموقع space.com ورد فيه :« لكي يتمكن نجم نيوتروني من الإشعاع مثل نجم نابض، يجب عليه أن يمتلك التركيبة الملائمة من قوة المجال المغناطيسي وتردد الدوران»
بعض النجوم النيوترونية من الممكن أنها أصدرت إشعاعًا يشبه الصادر عن النوابض لمرة واحدة فقط ثم لم تصدر إشعاعًا بعدها أبدًا.
كما أشار Özel إلى أن الشعاع الراديوي الصادر عن النجم النابض، يمكن له أن لا يمر بالمجال المرئي لتيليسكوب موجود على الأرض، مانعًا العلماء من ملاحظته.
لماذا تقوم النجوم النابضة بالدوران ؟
تدور النجوم النابضة (السريعة والبطيئة منها) لأن النجوم التي تكوّنت نتيجة موتها في الأًصل كانت تدور أيضًا، وبالتالي فإن انهيار مادة القلب المكوّنة للنجم يؤدي طبيعيًا إلى زيادة معدل دوران النجم الناتج.
(تقريب الكتلة باتجاه مركز الجسم الذي يدور يزيد من سرعة دورانه، وهو ذات السبب الذي يجعل المتزلجين يقومون بثني أذرعهم باتجاه الجذع عندما يريدون زيادة سرعة دورانهم)، تكون النجوم النابضة بحجم مدينة صغيرة، لذلك فإن تسريعها إلى هذه السرعات الهائلة ليس أمرًا بسيطًا في الواقع، فإن النجوم النابضة التي تصل، تقاس سرعاتها بالميلي ثانية تتطلب مصدرًا إضافيًا للطاقة لكي تتمكن من الوصول إلى مثل هذه السرعات الهائلة.
يعتقد العلماء أن مثل هذه النوابض لا بدّ لها أن تسرق الطاقة من «مرافق»، وبالتالي فإن المادة التي يأخذها النجم النابض من مرافقه بالإضافة للزخم المصاحب لها، تزيد من معدل دوران النجم تدريجيًا.
تعتبر هذه أخبارًا سيئة بالنسبة للنجم المرافق، والتي يمكن أن تكون تحطمت تمامًا بسبب النجم النابض، وهذا يمكن أن يفسر لماذا تكتشف النجوم النابضة بدون أي نجوم مرافقة بالقرب منها.
المنظومات النجمية التي يشاهد فيها العلماء نجومًا نابضة تقوم بسرقة الحياة من نجم مرافق لها تسمّى بالمنظومات (حمراء الظهر) أو (الأرملة السوداء) تيمنًا بالأنواع الأكثر سمية من العناكب على الأرض والتي تقوم هي الأخرى بامتصاص الحياة من فرائسها.
لماذا تصدر النوابض الإشعاع؟
يمكن للنجوم النابضة أن تصدر الأشعة بأطوال موجية مختلفة، ابتداءًا من موجات الراديو، وصولًا لأعلى أنواع الضوء طاقةً في العالم، أشعة غاما.
ولكن كيف تشعّ النوابض الضوء؟ في الواقع، لم يضع العلماء إجابةً تفصيلية على هذا السؤال بعد، بالنسبة لـ Alice Harding، عالم فيزياء فلكية في مركز Goddard للطيران الفضائي الخاص بوكالة ناسا الفضائية في Greenbelt، في ولاية ميريلاند، والمختص بالنجوم النابضة.
يقول Harding :«إضافةً لهذا، اكتشف العلماء أن العديد من الآليات المختلفة مسؤولة عن إشعاع أطوال موجية مختلفة من الضوء من المنطقة الموجودة على سطح النابض».
تتألف أشعة الضوء المشابهة لتلك الصادرة من المنارة والتي اكتشفها العلماء في الستينيات من موجات الراديو.
وتكون هذه الأشعة واضحة للعيان لأنها ضيقة وشديدة اللمعان، كما أنها تمتلك ميزات مشابهة لتلك الموجودة في شعاع من الليزر.
شعاع الليزر «متماسك»، ما يعني أنه الوصف النقيض للشعاع الصادر من مصباح منزلي على سبيل المثال.
الفارق، أنه في شعاع متماسك من الضوء، تنتقل جزيئات الضوء خطوة بخطوة، مكوّنةً شعاعًا منتظمًا ومركزًا.
لذلك، عندما تتصرف الجزيئات بهذه الطريقة، فإنه يمكنها أن تنتج شعاعًا من الضوء يكون أكثر سطوعًا من مصدر آخر مشتت للضوء ولكن بنفس القدرة.
ولكن ما يظهر جليًا للعلماء، أن الإشعاع الصادر عن النوابض مصدره دوران النابض ومجاله المغناطيسي، وذلك وفقاً لـ Roger Romani، أستاذ الفيزياء في جامعة ستانفورد، والذي قام بدراسة النجوم النابضة جنبًا إلى جنب مع أجرامٍ أخرى.
تمتلك النجوم النابضة التي تدور بشكل أسرع، مجالًا مغناطيسيًا أضعف بالمقارنة مع النوابض التي تدور بشكل أبطئ، ولكن الزيادة في معدل سرعة الدوران لا يزال كافيًا لينتج أشعة تكون شدة سطوعها مقاربة لتلك الصادرة من نوابض تدور بشكل أبطئ، وفقًا لـ Romani.
في الصورة أعلاه، يحاول الرسّام أن يضع صورة تقريبة لشكل المجال المغناطيسي الصادر عن النجم النابض، مصوّرًا إياه على أنه يخرج من النجم النابض ليعود ويلتف حوله ثم يلتقي في الأقطاب.
ولكن في الحقيقة، وفي أثناء دوران النجم النابض، فإنه يسحب المجال المغناطيسي معه، مشكلًا نمطًا أكثر تعقيدًا.
يولد المجال المغناطيسي الذي يدور مجالًا كهربائيًا، والذي بدوره يمكن أن يمكّن الجزيئات المشحونة من الحركة مما ينتج تيّارًا كهربائيًا.
والمنطقة الموجودة فوق سطح النجم النابض والمسيطر عليها من قبل المجال المغناطيسي تدعى غلافًا مغناطيسيًا.
في هذه المنطقة، يتم تسريع الجسيمات المشحونة مثل الالكترونات والبروتونات، أو الذرات المشحونة، إلى سرعات عالية جدًا وذلك بواسطة المجال الكهربائي القوي جدًا.
في الوقت الذي يتم فيه تسريع الجسيمات المشحونة ( زيادة « التسارع» تتم إما عن طريق الزيادة في سرعة هذه الجسيمات، أو عن طريق تغيير اتجاه حركتها ) فهي تشع الضوء.
على الأرض، تقوم معدات خاصة تسمّى «مسرعات دورانية تزامنية» بتسريع الجسيمات إلى سرعات عالية جدًا ثم يتم استخدام الضوء الذي تقوم بإصداره لدراسات علمية.
وفي الغلاف المغناطيسي للنجوم النباضة، فإنه يمكن أن تصدر هذه الإشعاعات على هيئة ضوء مرئي أو أشعة إكس.
ولكن ماذا عن أشعة غاما؟
أظهرت نتائج البحوث أن أشعة غاما تنبعث من مكان مختلف في الفضاء عن ذلك الذي تنبعث منه أشعة الراديو، بالإضافة إلى اختلاف الإحداثيات فوق السطح أيضًا، بالإستناد إلى Harding.
أيضًا، وعوضًا عن شعاع ضيق، يشبه القلم، فإن أشعة غاما المنبعثة تكون على هيئة الـ «مروحة»، ولكن، وكما موجات الراديو، فإن العلماء لا يزالون يتناقشون حول الآلية المسؤولة عن إشعاع أشعة غاما من النجوم النابضة.
اكتشاف النجوم النابضة:
اكتشف العلماء النجوم النابضة عن طريق استخدام التيليسكوبات الراديوية، لتبقى موجات الراديو هي المسيطرة على عملية الكشف عن هذه الأجرام.
ولأن النجوم النابضة صغيرة وباهتة بالمقارنة مع أجرام سماوية أخرى، فإن العلماء يكتشفونها باستخدام كل المسوحات السماوية: يقوم التيليسكوب بمسح السماء ككل، ثم وبمرور الوقت، يمكن للعلماء أن يبحثوا عن الأجرام السماوية التي تقوم بالتلألؤ.
ويعود الفضل للتيليسكوب الراديوي Parkes في أستراليا لاكتشافه معظم النوابض المعروفة.
التيليسكوب المعروف باسم Fermi والمعتمد على أشعة غاما، والذي تم إطلاقه في حزيران 2008، قام باكتشاف ما مجموعه 2050 نابض تقوم بإشعاع أشعة غاما، وتضم 93 نجم نابض ممن تنتمي لفئة السرعات المقاسة بالميلي ثانية.
كان fermi مفيدًا بشكل خاص لأنه يقوم بمسح السماء كاملة، بينما تقوم معظم المسوح الراديوية بمسح المناطق من السماء الموجودة في درب التبانة فقط.
توضح الصورة مسحًا للسماء، مظهرًا النجوم النابضة الباعثة لأشعة غاما، وذلك باستخدام التيليسكوب fermi.
عملية رصد أطوال موجية مختلفة عن النجوم النابضة يمكن أن تكون عمليةً صعبة، يمكن للشعاع الراديوي الصادر عن النابض أن يكون قويًا جدًا، ولكنه إذا لم يمر قرب الأرض ( في مجال رؤية التيليسكوبات)، فإنه يمكن للعلماء أن لا يرونه.
أما عن أشعة غاما المنبعثة فيمكنها أن تغطي مساحةً أكبر من السماء، ولكنها أيضًا يمكن أن تكون قاتمة أكثر، وأكثر صعوبة لرصدها.
الفائدة من النجوم النابضة
تعتبر النجوم النابضة وسائل كونيةً رائعة بالنسبة للعلماء لدراسة مدى واسع من الظواهر الكونية.
يحمل الضوء الصادر عن النجم النابض معلومات عن الأحداث الدائرة داخل النجم.
هذا يعني أن النجوم النابضة تمنح العلماء معلومات حول فيزياء النجوم النيوترونية، والتي تعتبر المادة الأكثر كثافة في الكون (بغض النظر عن ماهية الحادث في الثقوب السوداء).
وتحت هذا الضغط الهائل، فإن المادة تتصرف على نحوٍ غريب، مختلف تمامًا عن أي مكان آخر في الكون.
يطلق العلماء على الشكل الغريب من المادة في قلب النجم النابض اسم (الباستا النووية)، أحياناً، ترتب الذرات أنفسها على هيئة صفحات مسطحة، أو على هيئة أشكال حلزونية.
بعض النوابض تكون مفيدة بشكل كبير، وذلك بفضل الدقة العالية لنبضاتها.
فهنالك العديد من النجوم النابضة التي تقوم بالدوران (النبض كما يظهر لنا) بشكلٍ منتظم جدًا، وهي تعتبر الساعات الطبيعية الأكثر دقة في الكون.
نتيجة لذلك، يمكن للعلماء أن يراقبوا التغيرات الحاصلة على دقة دوران النجم النابض، والتي تدل على حدوث أمرٍ ما في الفضاء المحيط.
في الواقع، وباستخدام هذه الطريقة استطاع العلماء أن يرصدوا وجود الكواكب الفضائية والتي كانت تدور حول هذه الأجسام الكثيفة، وإن أول كوكب تم اكتشافه خارج مجموعتنا الشمسية، كان يدور حول نجم نابض.
ولأن النوابض تقوم بالتحرك في الفضاء أثناء قيامها بالدوران بشكل دقيق ومنتظم، فإنه يمكن للعلماء استخدام عدة نوابض لحساب المسافات الكونية.
والتغيير في موقع النجم النابض، يعني أن الضوء الذي ينبعث منه يحتاج لوقت أقل أو أطول للوصول للأرض، وبفضل التوقيت الدقيق للنجوم النابضة، فقد قام العلماء بأفضل الحسابات للمسافات الكونية وأدقها.
كما استخدمت النوابض للتحقق من بعض المجالات في النظرية النسبية لآينشتاين، مثل: (القوة العالمية للجاذبية).
كما يمكن للتوقيت الدقيق لدوران النجم النابض أن يختل بفعل موجات الجاذبية – الموجات في نسيج الزمكان والتي تم التنبؤ بها من قبل آلبرت آينشتاين وتم رصدها عمليًا لأول مرة عام 2016 – وهنالك اليوم العديد من التجارب التي تهدف لرصد هذه الموجات عن طريق النجوم النابضة.
عملية استخدام النجوم النابضة لهذه الغايات تعتمد على مقدار ثبوتها ودقة دورانها (وبالتالي الانتظام في النبضات الصادرة عنها).
كل النجوم النابضة تبطّئ من سرعتها تدريجيًا أثناء الدوران، ولكن النوابض المستخدمة في التطبيقات السابقة والدقيقة جدًا في دورانها تبطئ من سرعاتها ببطئ شديد، لذلك يظلّ ممكنًا للعلماء استخدامها كأدوات مستقرة لحفظ الوقت.
مقابر النجوم النابضة
كل النجوم النابضة تبطئ من حركتها بفعل تقدمها في السن.
والإشعاع الصادر عن النجم النابض يتولد بفعل المجال المغناطيسي للنابض ودورانه.
ونتيجةً لذلك، فالنابض الذي يبطئ من حركته هو أيضًا يخسر الطاقة، ويبدأ تدريجيًا بإصدار الإشعاعات (أو على الأقل، يتوقف عن بعث كمية كافية من الأشعة لتلتقطها التيليسكوبات على الأرض).
تقترح الملاحظات للآن، أن التقاط أشعة غاما الصادرة عن النجم النابض يتوقف قبل موجات الراديو.
وعندما يصل النابض لهذه المرحلة من حياته، فهو يدخل مرحلة تسمى بمقبرة النجم النابض.
والنوابض التي تتوقف عن الإشعاع ربما تسمّى نجومًا نيوترونية طبيعية من قبل العلماء.
يقول Ransom، أنه وعندما يتكون النجم النابض من حطام المستعر العظيم «السوبرنوفا»، فإنه يدور بسرعة عالية جدًا، ويقوم ببعث طاقة عالية جدًا.
ويعد هذا النجم النابض الناتج عن البقايا والذي تمت دراسته بشكل جيد جدًا، مثالًا جيدًا على نابضٍ حديث.
تستمر هذه المرحلة لعدة آلاف من السنوات بعدها يبدأ النابض بالإبطاء من سرعته ويقوم بإِشعاع موجات الراديو فقط.
وهذه النجوم النابضة التي تمر في مرحلة منتصف العمر، تشكل معظم النجوم النابضة المكتشفة والتي تشع موجات الراديو فقط، تستمر هذه المرحلة من حياة النوابض لعشرات ملايين السنوات قبل أن تبدأ النجوم النابضة بالإبطاء من سرعتها وموتها، وعندها تدخل في مرحلة المقبرة الخاصة بها.
ولكن إذا تواجد النجم النابض إلى جانب تجمع نجمي فإنه يمكن أن تتم (إعادة تدويره)، ما يعني أنه يمكن أن يسحب المادة والطاقة من نجمٍ مجاور، مسببًا زيادة في سرعته إلى آلاف المرّات كل ثانية وبالتالي منتجًا لنابض تقاس سرعته بالميلي ثانية، وواهبًا الحياة للنابض الذي عدّ ميتًا.
هذا التغيير يمكن أن يحصل في أي وقت خلال حياة النجم النابض، ما يعني أن معدل دوران نابض (ميت) يمكن أن يرتفع من مئات إلى ملايين السنوات.
يبدأ عندها النابض ببعث أشعة X، ويطلق على زوج الأجسام اسم (ثنائي أشعة إكس منخفض الكتلة).
وتسمى هذه النوابض الوحشية بالنجوم النابضة (الأرملة السوداء) أو (حمراء الظهر) كما ذكرنا سابقًا تيمنًا بالفصائل العنكبوتية الأكثر سميّة.
وتعتبر النوابض شديدة السرعة لدرجة القياس بالميلي ثانية الأقدم على الإطلاق، بعضها يصل عمره لبلايين السنين، وسوف يستمر في الدوران بهذه المعدلات العالية جدًا لبلايين أخرى.
- إعداد : أسماء الدويري
- تدقيق: أسمى شعبان
- تحرير:عيسى هزيم
- المصدر
