نجمان ميتان على أشد مدار استطالةً شوهد قط

أزواج النجوم النيوترونية — وهي النوى المنهارة التي تخلّفها النجوم الضخمة — يدور بعضها حول بعض وتفقد طاقتها ببطء على شكل موجات جاذبية. اكتُشف أول زوج منها عام 1974 (PSR B1913+16)، ويُعرف اليوم أكثر من 30 زوجًا. وبعضها يندمج في النهاية، فينتج أحداثًا مثل GW170817 وGW190425 التي رصدها مرصد LIGO. وكم من هذه الأزواج يبقى في درب التبانة، وعلى أي مدارات، سؤالان أساسيان لعلم فلك موجات الجاذبية ولقصة تطور النجوم المزدوجة.

مدار قياسي

PSR J0653+0443 نجم نابض — أي نجم نيوتروني تمسح حزمته الراديوية الأرض كمنارة — يدور مرة كل 47.5 جزءًا من الألف من الثانية. رصده لأول مرة التلسكوب الراديوي الكروي ذو الفتحة البالغة خمسمئة متر (FAST) في الصين في 20 نوفمبر 2022، ويقع على بعد نحو 1 كيلوفرسخ فلكي (نحو 3,000 سنة ضوئية)، في ذراع برشاوس من المجرة.

من خلال توقيت نبضاته لأكثر من عامين، وجد Z. L. Yang وJ. L. Han وزملاؤهما في المراصد الفلكية الوطنية الصينية وجامعات شريكة أنه يدور حول نجم نيوتروني آخر. والكتلتان: 1.38 كتلة شمسية للنجم النابض، و1.44 لرفيقه.

المدار استثنائي:

• دورة مدتها 79.084 يومًا، وهي الأطول بين جميع النجوم النيوترونية المزدوجة المعروفة؛
• اختلاف مركزي (0 للدائرة، وقريب من 1 لمدار ممطوط حتى يكاد يصير منحنى مفتوحًا) قدره 0.99238692 — وهو الأعلى الذي قيس قط لأي زوج من النجوم؛ وكان الرقم القياسي السابق، لنجم مزدوج عادي، 0.985؛
• 46 دقيقة فقط للانتقال من جهة من الرفيق إلى الجهة الأخرى، بينما يُقضى معظم الأيام الـ79 بعيدًا؛
• عند أقرب اقتراب، مسافة فاصلة قدرها 0.83 نصف قطر شمسي، أي نحو 580,000 كم — أقل من نصف قطر الشمس نفسه — وسرعة نسبية تبلغ 1,140 كيلومترًا في الثانية، وهي الأكبر بين جميع النجوم النيوترونية المزدوجة المعروفة.

إن FAST طبق ثابت: فهو لا يرى سوى شريط من السماء فوقه، وأقرب اقتراب لا يقع دائمًا داخله. فبين 2025 و2028، لا يقع في مجال رؤيته سوى عبورين: 19 فبراير 2025 و21 أبريل 2027. وتتبّع الفريق العبور الأول ساعتين، بقياس واحد كل دقيقة.

كسوف وقطع ناقص يتمايل

خلال ذلك العبور، اختفت الإشارة الراديوية للنجم النابض مدة 85 ثانية حين مر خلف البيئة المغناطيسية لرفيقه. وهذا يعني أننا نرى المدار من حافته تقريبًا. وهو ثاني كسوف فقط يُرصد في نجم نيوتروني مزدوج، بعد النجم النابض المزدوج الشهير PSR J0737−3039A.

تجعل النسبية العامة القطع الناقص يدور ببطء — وهو تقدّم الحضيض (advance of periastron) — أي أن نقطة أقرب اقتراب في المدار تدور ببطء —، الذي قيس هنا بـ0.017791 درجة في السنة، كما كان متوقعًا. لكن هذا التقدم ليس منتظمًا: إنه يتسارع قرب أقرب اقتراب. وعلى هذا المدار شبه المكافئ، يتغير اتجاه المدار أثناء العبور نفسه، فيقرّب النجم النابض إلينا ثم يبعده عنا، ويقدّم نبضاته ثم يؤخرها بما بين −2.91 و+2.49 جزءًا من الألف من الثانية، أي أكثر بعشر مرات مما في أي نظام آخر من هذا النوع.

وُلدا من ركلة عنيفة

يُعتقد أن هذه الأزواج تنشأ من نجمين ضخمين ينفجران الواحد تلو الآخر. ووفقًا للباحثين، لا يمكن أن يأتي الاختلاف المركزي المتطرف إلا من «ركلة» كبيرة (kick) تلقاها النجم النيوتروني الثاني حين انهار اللب الحديدي للنجم الذي أنجبه. وتشير محاكاتهم إلى ركلة تزيد على نحو 400 كيلومتر في الثانية.

وحاكوا أيضًا نحو مليار نظام ثنائي ضخم. ومن بين النجوم النيوترونية المزدوجة الباقية، تمثل تلك التي يزيد اختلافها المركزي على 0.95 وتتراوح دورتها بين 50 و110 أيام أقل من 0.5%. ومع ذلك ظهر هذا الزوج بين 28 زوجًا فقط معروفة خارج الحشود الكروية، في قرص المجرة. وبعبارة الباحثين: «إما أننا محظوظون جدًا، وإما أن النظرية الحالية لتطور الأنظمة الثنائية وفهمنا الحالي للمستعرات العظمى الناتجة عن انهيار اللب يحتاجان إلى تعديل».

دفقات من موجات الجاذبية

بما أن النجمين لا يقتربان إلا مرة كل 79 يومًا، فإنهما يبعثان موجات الجاذبية على شكل دفقات دورية. وتبلغ الانبعاثات ذروتها قرب 0.357 ملي هرتز، أي دورة واحدة كل 47 دقيقة — وهي مدة أقرب عبور. وهذا أخفت من أن ترصده مراصد موجات الجاذبية الفضائية المخطط لها LISA وTaiji وTianQin، لكن مفاهيم مستقبلية مقترحة مثل LISAmax قد ترصده على مدى عشر سنوات. وسيندمج الزوج بعد نحو 2.5 مليار سنة، في حدث يشبه GW170817.