من أجل فهم ديناميكيات التلألؤ.. العلماء يترجمون الموجات الحرارية داخل النجوم إلى أصوات
تاريخ النشر: 4th, August 2023 GMT
تبدو لنا النجوم متلألئة لأن غلافنا الجوي يحني ضوءها أثناء انتقاله إلى الأرض. لكن النجوم لديها أيضًا "وميض" نتيجة لموجات غازية متموجة على أسطحها، غير محسوسة بالنسبة للتلسكوبات الحالية المرتبطة بالأرض.
وفي دراسة جديدة، طور فريق من الباحثين من جامعة نورث وسترن الأميركية أول محاكاة ثلاثية الأبعاد لتموج الطاقة من قلب نجم ضخم إلى سطحه الخارجي.
وفي سابقة أخرى، حول الفريق أيضا موجات الغاز هذه إلى موجات صوتية سعيا لمعرفة ما يمكن أن يكون عليه الصوت الداخلي للنجوم و"الوميض". وقد نُشرت نتائج الدراسة يوم 27 يوليو/تموز الماضي في دورية "نيتشر أسترونومي".
ويقول إيفان أندرس من نورث وسترن الذي قاد الدراسة "تؤدي الحركات في قلب النجوم إلى إطلاق موجات مثل تلك الموجودة في المحيط. وعندما تصل الموجات إلى سطح النجم، فإنها تجعله يومض بطريقة قد يتمكن علماء الفلك من ملاحظتها".
وأضاف "لأول مرة قمنا بتطوير نماذج حاسوب تسمح لنا بتحديد مقدار وميض النجم نتيجة لهذه الموجات. ويسمح هذا العمل للتلسكوبات الفضائية المستقبلية باستكشاف المناطق المركزية، حيث تشكل النجوم العناصر التي نعتمد عليها للعيش والتنفس".
الموجات تصنع الحرارة التي تنتج الوميضولفهم الأمر، يشرح البيان الصحفي أن جميع النجوم لها منطقة حمل حراري، وهي مكان غير منظم، حيث تتماوج الغازات لدفع الحرارة إلى الخارج. وبالنسبة للنجوم الضخمة (النجوم التي تبلغ كتلتها على الأقل 1.2 مرة كتلة شمسنا) فإن منطقة الحمل الحراري هذه تقع في نواتها.
ويقول أندرس "الحمل الحراري داخل النجوم مشابه للعملية التي تغذي العواصف الرعدية" حيث يسقط الهواء البارد ليسخن ويرتفع مرة أخرى، وهي عملية مضطربة تنقل الحرارة داخل النجوم.
ويصنع الحمل الحراري موجات، وهي مجار صغيرة تتسبب في تعتيم ضوء النجوم وإشراقه، مما ينتج عنه وميض خفي. ونظرًا لأن نوى النجوم الضخمة محجوبة عن الأنظار، فقد سعى أندرس وفريقه إلى تصميم نموذج للحمل الحراري الخفي، بناءً على دراسات فحصت خصائص الحمل الحراري الأساسي المضطرب وخصائص الموجات والمراقبة المحتملة لتلك الموجات، وتشمل عمليات المحاكاة الجديدة للفريق جميع الفيزياء ذات الصلة للتنبؤ بدقة بكيفية تغير سطوع النجم اعتمادًا على الموجات الناتجة عن الحمل الحراري.
وبعد أن يولد الحمل الحراري موجات، ترتد داخل النجم المحاكى، بينما تظهر بعض الموجات في النهاية على سطح النجم لإحداث تأثير متلألئ، ثم تحدث موجات أخرى محاصرة وتستمر في الارتداد. ولعزل الموجات التي تنطلق إلى السطح وإيجاد وميض، قام أندرس وفريقه ببناء مرشح يصف كيفية ارتداد الموجات داخل المحاكاة.
وأوضح أندرس آلية العمل قائلا "وضعنا أولاً طبقة مثبطة حول النجم -مثل الجدران المبطنة التي يمكن أن تكون موجودة في استوديو التسجيل- حتى نتمكن من قياس كيف يصنع الحمل الحراري الموجات بالضبط".
ويقارن الأمر باستوديو الموسيقى، الذي يستفيد من جدران مبطنة عازلة للصوت لتقليل الأصوات المحيطة حتى يتمكن الموسيقيون من استخراج "الصوت النقي". ويقومون بعد ذلك بتطبيق المرشحات وهندسة تلك التسجيلات لإنتاج الأغنية بالطريقة التي يريدونها.
وبالمثل، قام أندرس ومعاونوه بتطبيق مرشحهم على الموجات النقية الخارجة من قلب الحمل الحراري. ثم تتبعوا موجات ترتد داخل نجم نموذجي، ووجدوا في النهاية أن مرشحهم يصف بدقة كيف غيّر النجم الموجات القادمة من اللب.
وطور الباحثون بعد ذلك مرشحا مختلفا لكيفية ارتداد الموجات داخل نجم حقيقي. ومع تطبيق هذا المرشح، تُظهر المحاكاة الناتجة كيف يتوقع علماء الفلك ظهور الموجات إذا تم عرضها من خلال تلسكوب قوي.
ويقول أندرس "تصبح النجوم أكثر سطوعا أو إعتاما اعتمادا على أشياء مختلفة تحدث ديناميكيا داخل النجم، فالوميض الذي تسببه هذه الموجات خفي للغاية، وأعيننا ليست حساسة بما يكفي لرؤيتها. لكن التلسكوبات المستقبلية القوية قد تكون قادرة على اكتشافه".
أخذ تشبيه استوديو التسجيل مع الفريق خطوة إلى الأمام، حيث استخدم أندرس ومعاونوه بعد ذلك عمليات المحاكاة الخاصة بهم لتوليد الصوت. ونظرا لأن هذه الموجات تقع خارج نطاق السمع البشري، فقد زادوا بشكل موحد ترددات الموجات لجعلها مسموعة.
واعتمادًا على حجم النجم الهائل أو سطوعه، ينتج الحمل الحراري موجات تتوافق مع أصوات مختلفة. فالأمواج الخارجة من قلب نجم كبير، مثلا، تصدر أصواتًا مثل مسدس شعاع مشوه، ينفجر بشكل غريب. لكن النجم يغير هذه الأصوات عندما تصل الموجات لسطح النجم. وبالنسبة للنجم الكبير، تتحول النبضات الشبيهة بمسدس الأشعة إلى صدى منخفض يتردد عبر غرفة فارغة.
ومن ناحية أخرى، تستحضر الموجات على سطح نجم متوسط الحجم صورًا لطنين مستمر عبر تضاريس تعصف بها الرياح. وتبدو الموجات السطحية على نجم صغير وكأنها تنبيه حزين من صفارة الطقس.
وبعد ذلك، قام أندرس وفريقه بتمرير الأغاني عبر نجوم مختلفة للاستماع إلى كيفية تغيير النجوم للأغاني. وقال "كنا نشعر بالفضول كيف ستبدو الأغنية إذا تم سماعها من خلال نجم" مضيفا "النجوم تغير الموسيقى، وبالتالي، تتغير حالة الأمواج إذا رأيناها تتلألأ على سطح النجم".
المصدر: الجزيرة
إقرأ أيضاً:
الجرف الكوني ملاحظة متكررة لمرصد جيمس ويب تحير العلماء
في الأسابيع الأولى التي بدأت فيها صور تلسكوب جيمس ويب الفضائي تتدفق إلى المجتمع العلمي عام 2022 لاحظ الفلكيون نمطا غير مألوف يتمثل في نقاط صغيرة شديدة الاحمرار تبدو مضغوطة كأنها نجوم منفردة، لكنها لا تتصرف طيفيا كنجوم، ولا تشبه ما اعتدناه من مجرات بعيدة.
هذه الأجرام -التي صارت تُعرف لاحقا باسم "النقاط الحمراء الصغيرة"- بدت أكثر عددا مما توقعته النماذج، وبدا لونها الأحمر منطقيا فقط إذا تذكرنا ميزة ويب الحاسمة، وهي قدرته على الرصد في الأطوال الموجية تحت الحمراء التي لم تكن في متناول سابقه مرصد هابل.
ومع تراكم البيانات اتضح أن المسألة ليست "غرابة لونية" فحسب، بل مشكلة في التصنيف، فلكي نفهم أي جسم سماوي نحتاج إلى نموذج يربط بين مظهره وطيفه الفيزيائي، النجوم مثلا نعرفها لأننا نفهم الاندماج النووي وبلازما الجاذبية، والمجرات نعرفها لأننا نفهم تراكيبها النجمية وغبارها وتاريخ تشكّلها.
أما هذه النقاط الحمراء الصغيرة فلم تكن تلائم أي خانة جاهزة، وظهرت تفسيرات مبكرة تقول إنها مجرات فائقة الكثافة مليئة بعدد هائل من النجوم ويصبغها الغبار بالاحمرار، أو أنها نوى مجرية نشطة محتجبة بالغبار.
النوى المجرية النشطة هي قلب مجرة يلمع بسطوع غير عادي، لأن في مركزه ثقبا أسود فائق الكتلة يبتلع الغاز والغبار بكثافة أكبر من المعتاد، مما يعطيها لمعانا أكبر.
لكن كل تفسير كان يطلب ثمنا نظريا باهظا، فإما أن هناك معدلات تكون نجوم وكثافات لا تُرى إلا في نوى المجرات وبشكل مبالغ فيه، أو أن الثقوب السوداء فائقة الكتلة كانت أكثر عددا وكتلة مما تسمح به التوقعات المعتادة.
هنا دخلت الأطياف إلى قلب القصة، وهي ببساطة هي "تحليل ضوء" الجرم السماوي، حيث يفككه العلماء إلى أطوال موجية ويرصدون به خطوط امتصاص أو انبعاث وانقطاعات مميزة.
إعلانهذه العلامات تكشف تركيب المادة وحرارتها وسرعتها، وتميز إن كان الضوء صادرا من نجوم أو غاز ساخن حول ثقب أسود، أو محجوبا بالغبار، لذلك فالصورة تخبرنا بالشكل، في حين الطيف يخبرنا بالفيزياء.
درس العلماء في برنامج "روبيز" للرصد الفلكي بقيادة آنا دي غراف من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك أطياف نحو 4500 مجرة بعيدة عبر قرابة 60 ساعة رصد في 2024، ووجدوا ضمنها 35 مثالا من "النقاط الحمراء الصغيرة"، بينها جسم شديد التطرف ظهر كحجر زاوية للاختبار.
ذلك الجسم سمي "الجرف"، لأنه أظهر في طيفه قفزة حادة على نحو يذكّر بحافة صخرية.
ومن الناحية التقنية، ما شوهد هو "انقطاع بالمر"، وهو ميزة طيفية معروفة في المجرات، لكنها جاءت هنا أشد مما رُصد في مصادر شبيهة.
يقع الجرف على مسافة نجو 11.9 مليار سنة ضوئية، ويعني ذلك أنه عاش بعد نشأة الكون بنحو مليار إلى ملياري سنة، طيف الجرف لا يتفق مع أي نموذج يعرفه العلماء في فيزياء الكونيات.
عندما تفشل التفسيرات المألوفة يضطر العلم إلى اقتراح هندسة جديدة للمشهد، وهنا طرح الفريق فكرة لافتة، وهي "نجم الثقب الأسود".
الفكرة ليست نجما بالمعنى التقليدي (أي لا يوجد اندماج نووي في القلب)، بل نظام تقوده نواة مجرية نشطة وثقب أسود في المركز محاط المرة بغلاف كثيف شبه كروي من غاز الهيدروجين.
وفي هذا السيناريو يمكن للغلاف الغازي الكثيف المضطرب أن يصنع "الحافة" الطيفية التي حيرت الجميع، ويجعل الجسم يبدو نقطة مدمجة شديدة الاحمرار أقرب في ملامحها إلى طيف "مصدر واحد ساخن" منه إلى مجرة كاملة.
تبعات مزعجةلو صحّت هذه الفكرة فإن تبعاتها تصل إلى سؤال أكبر طالما أزعج فلكيي الكون المبكر: كيف نمت الثقوب السوداء الضخمة بهذه السرعة؟ إن وجود مرحلة "مغلفة بالغاز" قد يتيح معدلات ابتلاع أعلى للمادة المحيطة بالثقب الأسود، وربما نموا أسرع، مما قد يساعد على تفسير رصد ثقوب سوداء فائقة الكتلة في أزمنة مبكرة.
"نجم الثقب الأسود" لم يُثبت بعد، وما زالت الأسئلة ثقيلة: كيف يتشكل الغلاف الغازي أصلا؟ وكيف يستمر رغم أن الثقب الأسود يلتهم مادته ويحتاج إلى تغذية متواصلة؟ وما مصدر بقية التفاصيل الطيفية التي لا تزال عصية؟
تبدو القصة في جوهرها أقرب إلى لحظة إعادة ضبط منهجية، فمرصد جيمس ويب لم يقدم مجرد صور أجمل، بل فتح نافذة طيفية كشفت فئة من الأجرام لا نعرف بعد أي شيء عنها، وصدم العلماء ببيانات تخالف تماما توقعاتهم، فهل نحن على أعتاب فيزياء جديدة؟
القوات الروسية تسقط 77 طائرة مسيرة أوكرانية الليلة الماضية