نجم مُعرّى، وشريك خفي، ومدار مدته 4.2 ساعة

نجم صغير شديد الحرارة في سحابة ماجلان الصغرى، خارج مجرة درب التبانة، يكمل دورة واحدة كل 4 ساعات و10 دقائق حول شريك لا يصدر أي ضوء. اسمه DGL-3، وشريكه الخفي هو على الأرجح نجم نيوتروني، أي اللب المنهار فائق الكثافة الذي يتبقى حين ينفجر نجم ضخم.

نجم نُزعت عنه طبقاته الخارجية

DGL-3 نجم مُعرّى (stripped star): فقد غلافه الخارجي الغني بالهيدروجين في تفاعل مع رفيق. وما تبقى منه متراص، حار، فقير بالهيدروجين، ويحرق الهيليوم في مركزه.

الكتلة: نحو 3.4 ضعف كتلة الشمس، مقدّرة من سطوعه، بهامش غير متناظر إلى حد بعيد (من 2.96 إلى 7.72 كتلة شمسية).
نصف القطر: نحو 0.77 ضعف نصف قطر الشمس؛ ودرجة حرارة السطح: نحو 71,000 كلفن؛ والهيدروجين: 10% فقط من سطحه.

النجوم ذات هذه الكتلة «المتوسطة» ثقيلة بما يكفي لينهار لبّها إلى نجم نيوتروني، لكنها ليست ثقيلة بما يكفي لتكوين ثقب أسود. وفي النماذج الحالية، تمر أزواج النجوم النيوترونية المتقاربة بما يكفي لتندمج، إذ تدور في مسار حلزوني نحو بعضها وهي تبث موجات ثقالية، أولًا بهذه المرحلة تحديدًا: نجم نيوتروني يدور حول نجم مُعرّى. ولم تُرصد تلك المرحلة مباشرة قط، وتمتد معدلات الاندماج المتوقعة على عدة رتب مقدار.

وزن شريك لا يتوهج

جمع الفريق 38 طيفًا بتلسكوب ماجلان (Magellan) ذي المرآة البالغ قطرها 6.5 متر في تشيلي بين عامي 2019 و2022. وتنزاح الخطوط الطيفية للنجم — وهي خطوط داكنة عند ألوان محددة بدقة في ضوئه — نحو الأزرق حين يقترب منا ونحو الأحمر حين يبتعد (تأثير دوبلر)؛ وهي تُظهر أنه يتأرجح مقتربًا منا ومبتعدًا عنا بسرعة تصل إلى 151.4 كم/ث، في مدار دائري يكتمل كل 4.1693 ساعة.

يعطي الدور والسرعة دالة الكتلة (mass function)، التي تربط كتلة الشريك بكتلة النجم نفسه وبمقدار انحراف المدار كما يُرى من الأرض (ميله، inclination). ويعطي مدار يُرى من حافته تمامًا أخف شريك يسمح به المدار؛ ومع إدخال كتلة النجم غير المؤكدة في الحساب، تبلغ القيمة النموذجية لهذا الحد الأدنى 1.38 ± 0.25 كتلة شمسية، أي أقل بقليل من الـ1.4 التي يمكن أن يبلغها القزم الأبيض (انظر أدناه). لذا لا يكفي المدار وحده لاستبعاد قزم أبيض.

ليس نجمًا عاديًا: فنجم بهذه الكتلة سيكون أكبر من أن يتسع داخل مدار بهذا الضيق.
ليس نجمًا مُعرّى ثانيًا: فرفقاء مُعرّون مصطنعون أُدرجوا في الأطياف الحقيقية اكتُشفوا في كل مرة، في حين لا تُظهر البيانات الحقيقية أي أثر لذلك.

ما يتبقى هو جرم متراص (compact object): قزم أبيض (اللب الكثيف المتبقي من نجم أخف)، أو نجم نيوتروني، أو ثقب أسود.

99.4% انطلاقًا من تذبذب قدره 2.5%

في 18 ديسمبر 2022، صوّرت كاميرا سريعة مركّبة على تلسكوب قطره 3.5 متر في لا سيا (La Silla) النجم DGL-3 كل 20 ثانية لمدة نحو 3.4 ساعة. ويرتفع سطوعه وينخفض بنحو 2.5%، مرتين في كل دورة مدارية: إذ تمطّ جاذبية الشريك النجم قليلًا فتمنحه شكل بيضة نرى جانبها الطويل مرتين في كل دورة، بمقدار يعتمد على كتلة الشريك وعلى ميل المدار.

شغّل الفريق 500,000 نموذج لمنحنى الضوء هذا، ووزن كلًّا منها بحسب مدى مطابقته للبيانات. وبالنسبة إلى كتلة الشريك:

القيمة الأكثر احتمالًا هي 1.58 كتلة شمسية؛
لا يقع إلا 0.6% من الاحتمال تحت 1.4 كتلة شمسية، وهو حد تشاندراسيخار الذي يستبعد القزم الأبيض: ومن ثم احتمال قدره 99.4% أن يكون الشريك أثقل من أن يكون قزمًا أبيض؛
لا يقع إلا 3.4% في نطاق الثقوب السوداء المؤكدة؛ أما بقية الذيل الثقيل فتقع في الفجوة بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء.

النجم النيوتروني إذن هو الشريك الأكثر احتمالًا: وهذا احتمال، لا برهان. ولم تكتشف تلسكوبات الأشعة السينية شيئًا؛ فالنجم النيوتروني الذي يبتلع الغاز من شريكه يتوهج بالأشعة السينية، لكن المؤلفين يرون هذا الصمت متوافقًا مع نجم نيوتروني تغذّيه ريح نجمية ضعيفة.

مستقبل يكتبه نموذج حاسوبي

ثم طوّر الفريق النظام بشيفرة التطور النجمي MESA: نجم مُعرّى كتلته 3.6 كتلة شمسية، ونجم نيوتروني كتلته 1.4، ومدار مدته 4.2 ساعة. وما يلي تنبؤ، لا رصد.

يواصل النجم حرق الهيليوم في لبّه 1.4 مليون سنة أخرى، ثم ينتفخ. وفي مدار بهذا الضيق، يكفي أن يكبر بمقدار نصف نصف قطر شمسي فقط حتى يفيض ويصبّ الغاز على شريكه.
على مدى 26,000 سنة، تفلت 1.2 كتلة شمسية إلى الفضاء. ولا يبتلع النجم النيوتروني إلا 0.00072 كتلة شمسية، وهو ما يكفي لتسريع دورانه إلى دورة كل 79 ميلي ثانية. ويتقلص المدار إلى 1.9 ساعة.
بعد أن يتجرد النجم من كل هيدروجينه، ينفجر مستعرًا أعظم ويخلّف نجمًا نيوترونيًا ثانيًا. ومع سرعة مدارية تقارب 800 كم/ث، لا يمكن إلا لركلة كبيرة على نحو غير معتاد، أي ارتداد قد يمنحه الانفجار للنجم النيوتروني الوليد، أن تفكك الزوج.
يقذف الانفجار نحو كتلة شمسية واحدة من الغاز. ويبقى نجمان نيوترونيان، في مدار أوسع وممدود مدته 4.4 ساعة، ويندمجان بعد 220 مليون سنة.

حيث قد يخطئ التنبؤ

الحلقة الأضعف، بحسب المؤلفين، هي مقدار الزخم الزاوي، أي «كمية دوران» المدار، الذي يحمله الغاز المفلت. ففي واحد من سبعة متغيرات للنموذج، يشكّل الغاز المفقود قرصًا حول النجمين كليهما، ويندمج الزوج قبل المستعر الأعظم الثاني. وفي الستة الأخرى، يتشكل نجمان نيوترونيان ويندمجان في النهاية، بعد ما بين 175 مليون و7.9 مليار سنة.

يقع DGL-3 على بعد نحو 60,600 فرسخ فلكي، أي قرابة 200,000 سنة ضوئية (الفرسخ الفلكي يساوي نحو 3.26 سنة ضوئية). ويشير المؤلفون إلى أنه لو كان أقرب بما بين 60 و600 مرة، أي على بعد يتراوح بين 100 و1,000 فرسخ فلكي، لرصدته مراصد الموجات الثقالية المنخفضة التردد مثل LISA.