تصادم نجمين نيوترونيين استغرق الإعداد له 12 مليار سنة

في عام 2017، التقط كاشفا LIGO وVirgo موجات الجاذبية الصادرة عن نجمين نيوترونيين يقتربان أحدهما من الآخر في حركة لولبية: GW170817. ثم رأت التلسكوبات الانفجار نفسه، دفقة من أشعة غاما وكيلونوفا (kilonova) متوهّجة، في المجرّة NGC 4993. ومنذ ذلك الحين رُصد اندماج ثانٍ لنجمين نيوترونيين، GW190425، لكن موقعه حُدّد بدقة ضعيفة ولم يُعثر على أي ضوء. لذا يبقى GW170817 الحدث الوحيد من أحداث موجات الجاذبية الذي رُبط يومًا بمجرّة.

وتلك المجرّة قرينة. فقد استخدمها رايان فولي، من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز، ليسأل كم تنتظر هذه الأزواج قبل أن تندمج، فوجد جوابًا لا يتلاءم مع الصورة المعتادة.

زمن الانتظار

يسمّيه الفلكيون زمن التأخير (delay time): الزمن بين نشأة النجوم والاندماج. فما إن يتكوّن نجمان نيوترونيان حتى يفقدا ببطء طاقتهما المدارية في صورة موجات جاذبية. والزمن الذي يستغرقه ذلك يزداد مع القوة الرابعة للمسافة بينهما، لذا تندمج الأزواج التي تنشأ متقاربة بسرعة، وتندمج الأزواج التي تنشأ متباعدة متأخرة.

ولنطاق واسع من المسافات الابتدائية المعقولة، يعطي ذلك قاعدة بسيطة: عدد الاندماجات لكل وحدة من زمن التأخير يتناقص بما يتناسب مع 1 مقسومًا على التأخير. وبإضافة حدّ أدنى للتأخير يبلغ نحو 10 ملايين سنة، نحصل على التوزيع القانوني (canonical). ورسالته: معظم الأزواج تندمج بعد نشأة نجومها بوقت قصير، وقليل منها ينتظر مليارات السنين.

تأريخ NGC 4993

NGC 4993 مجرّة «من النوع المبكر»، من الصنف الذي يرمز له الفلكيون بـS0. ولا يقع أي عنقود نجمي ولا أي منطقة لتشكّل النجوم قرب البقعة التي سطعت فيها الكيلونوفا، لذا يُرجَّح أن الزوج تكوّن قبل الاندماج بزمن طويل، في مكان آخر من المجرّة. ولذلك نمذج فولي نجوم المجرّة بأكملها، جامعًا قياسات في 14 لونًا من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء مع طيف من أداة MUSE على التلسكوب الكبير جدًا (Very Large Telescope).

تقسّم المواءمة تاريخ المجرّة إلى 20 فترة زمنية وتترك لكل منها حرية تكوين النجوم. والنتيجة صارخة. فـمتوسط عمر نجومها 12.4 مليار سنة (بين 11.7 و12.9، بثقة 90%). وبلغ تشكّل النجوم ذروته قبل ما بين 12.5 و13 مليار سنة، بمعدل 54 كتلة شمسية من النجوم الجديدة سنويًا، وظلّ دون كتلة شمسية واحدة سنويًا طوال آخر 9 مليارات سنة. وكان نحو 96% من كتلة المجرّة في مكانه قبل 10.2 مليار سنة. وتشير قشور حول المجرّة إلى اندماج صغير قبل نحو مليار سنة، لكن الطيف لا يُظهر أي أثر للنجوم الفتية التي ربما أنتجها.

لذا يُرجَّح أن تأخير GW170817 بلغ نحو 12 مليار سنة.

فرصة 1.8%

ثم جمع فولي هذا العمر مع التاريخ الكوني لتشكّل النجوم، ومعدل الاندماجات الذي قاسه تعاون LIGO-Virgo-KAGRA، والاندماجين المرصودين.

وفق التوزيع القانوني، مقابل كل اندماج يُرصد اليوم بتأخير 10 مليارات سنة، ينبغي أن يكون هناك نحو 2 بتأخير مليار سنة و16 بتأخير 100 مليون سنة (لامتداد أزمنة التأخير نفسه). واحتمال أن يكون اندماج مرصود بقِدَم GW170817 لا يتجاوز 1.8%. والسبب واضح: فقد كوّنت NGC 4993 نصف نجومها قبل أكثر من 12.6 مليار سنة، في حين لم يكن الكون ككل قد كوّن حينها سوى 1.1% من نجومه.

وفي المتوسط، سيحتاج الفلكيون إلى 55 رصدًا إضافيًا قبل أن يتوقعوا واحدًا مثله. ومع ذلك تبيّن أن أول اندماج حُدّد موقعه على الإطلاق هو تلك الحالة النادرة.

ما تفضّله البيانات

حين يُترك الحدّ الأدنى للتأخير حرًّا، تفضّل البيانات حدًّا طويلًا جدًا. فالتوزيع الذي لا يندمج فيه أي زوج قبل 12.6 مليار سنة مفضَّل على التوزيع القانوني بعامل يتراوح بين 40 و140، بحسب طريقة إدخال معدل الاندماجات، ومفضَّل بعامل بين 80 و280 على التوزيعات المستنتجة من دفقات أشعة غاما القصيرة ومن النجوم النيوترونية الثنائية في درب التبانة. وفي إحدى المعالجات، يتجاوز الحدّ الأدنى للتأخير 7.5 مليار سنة بثقة 90%.

ثلاثة مخارج

لكي تصمد الصورة القانونية، يجب أن تكون الاندماجات ذات التأخير القصير «مفقودة». ويعدّد فولي ثلاثة تفسيرات.

• ربما تنشأ الأزواج متباعدة أكثر بكثير مما يُفترض. فحدّ أدنى للتأخير يبلغ 10 مليارات سنة يعني ألّا يبدأ أي زوج من نجمين نيوترونيين كتلة كلٍّ منهما 1.5 كتلة شمسية على مسافة أقرب من 0.021 وحدة فلكية. ويرى فولي ذلك مستبعدًا: إذ سيتعارض مع النجوم النيوترونية الثنائية المعروفة ومع النجوم الثنائية الضخمة.
• ربما فاتت الكواشفَ اندماجاتٌ كثيرة. ويرى فولي ذلك مستبعدًا للغاية.
• ربما تنافس طريقةٌ أخرى لتكوين الأزواج، بتأخيرات طويلة، الطريقةَ المعتادة أو تتفوّق عليها.

يميل فولي إلى التفسير الثالث. والمرشّح الأوفر حظًا هو العناقيد النجمية الكثيفة، حيث يمكن أن تتكوّن الأزواج عبر لقاءات تجاذبية بين النجوم، بتأخيرات قريبة من عمر الكون. ومن بين النجوم النيوترونية الثنائية المعروفة في درب التبانة، وعددها نحو 24، يقع واحد مؤكد وثلاثة غير مؤكدة في عناقيد كروية، وهي نوع من العناقيد النجمية الكثيفة. لكن لم يُرصد أي عنقود في موقع GW170817، والنظرية الحديثة تتنبأ بعدد قليل جدًا من الاندماجات في العناقيد: إذ يجب أن يكون المعدل أعلى من المتوقع.

تموّجات تتجاوز حدثًا واحدًا

إذا كانت الاندماجات تنتظر كل هذا الوقت، فإنها تصل متأخرة جدًا بحيث لا تُثري مجرّتنا الفتية بعناصر «العملية-r» (r-process) التي تصنعها، مثل اليوروبيوم. وعمليات البحث التي تتعقّب ضوء الاندماجات الجديدة بتفضيل المجرّات المكوِّنة للنجوم قد لا تكون تستهدف أكثر المجرّات الواعدة. ومع حدّ أدنى للتأخير يبلغ 10 مليارات سنة، لا يمكن أن يحدث أي اندماج كهذا قبل أن يبلغ عمر الكون 10 مليارات سنة، لذا ستشهد الكواشف المستقبلية عددًا أقل بكثير منها على مسافات بعيدة.

ويقوم كل هذا على حدثين، لم يُحدَّد موقع إلا واحد منهما. ويتوقع فولي أن تُوضّح الأرصاد الإضافية الصورة، ويشتبه في أن التوزيع الحقيقي أقل بساطة من قانون قوى (power law) واحد مع حدّ أدنى للتأخير.