ما هو النجم الأكثر كتلة في الكون؟

إنها “المعرفة العامة” – وينبغي أن تكون الاقتباسات المرعبة تحذيرًا – أن الشمس نجم متوسط.

لكنها ليست كذلك، وفي الواقع إنها ليست قريبة حتى: فالشمس تقع في أعلى 90 بالمائة من النجوم من حيث الكتلة. وذلك لأن أكثر من نصف نجوم الكون عبارة عن أقزام حمراء صغيرة وباردة، ومصابيح خافتة تبلغ كتلتها نصف إلى أقل من 10 بالمائة من كتلة الشمس. الحد الأدنى هو حوالي 7 إلى 8 بالمائة من كتلة الشمس؛ أقل من ذلك، ولا يوجد ضغط كافٍ في القلب للحفاظ على الاندماج النووي، وهو السمة الأساسية لما يجعل النجم نجمًا.

ولكن ماذا عن الطرف الآخر؟ هناك نجوم بعيد أضخم من منطقتنا. هل هناك حد أعلى لمدى ضخامة النجم؟

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

نعم، يوجد، ونرى بعض النجوم تقترب منه. إذا حصلوا أيضاً ومع ذلك، فإنها تنتج قدرًا كبيرًا من الطاقة لدرجة أنها تمزق نفسها. أحد الأسباب التي تجعل هذه المنطقة “القريبة جدًا” ليست في حد ذاتها الحد الصارم للكتلة النجمية هو أن قيمتها تغيرت بمرور الوقت!

قبل أن نتعمق في العلم الممتع لكل هذا، دعونا نتذكر الأسباب التي تجعل الكتلة هي ما يهم هنا بدلاً من الحجم أو الوزن. يمثل الحجم مشكلة لأن النجوم تفتقر إلى أسطح محددة جيدًا، وتزداد هذه المشكلة سوءًا كلما زاد حجم النجم، فأكبر النجوم تكون منتفخة جدًا لدرجة أنها تتلاشى مع المسافة من مراكزها مثل سحب الضباب. لن ينجح الوزن لأنه مجرد مقياس من الدرجة الثانية للكتلة، أو بالأحرى مدى قوة الجاذبية على جسم له كتلة. لديك نفس الكتلة على الأرض كما لديك على القمر، على الرغم من أن وزنك مختلف لأن جاذبية القمر أضعف.

الكتلة أمر بالغ الأهمية لأنها تملي التوازن الدقيق الذي يحدد النجم، وهو التوازن بين سحب الجاذبية إلى الداخل ودفع الضوء المنبعث من قلب النجم إلى الخارج. الجاذبية هي نتيجة مباشرة للكتلة، ولكن كمية الطاقة المتولدة في قلب النجم تأتي من الكتلة أيضًا. كلما كان النجم أكثر ضخامة، زاد الضغط في مركز النجم وكلما زادت سخونته.

يأتي إشعاع النجم من الاندماج النووي، وتحديدًا ضغط ذرات الهيدروجين معًا بقوة كافية لتكوين الهيليوم (على الرغم من أن العملية الفعلية أكثر تعقيدًا بعض الشيء). يؤدي هذا إلى إطلاق الطاقة في الغالب على شكل أشعة جاما، والتي تمتصها المواد المحيطة، مما يؤدي إلى تسخينها. يعتمد معدل الاندماج على درجة حرارة النجم الأساسية، والتي تعتمد على كتلته. يعتمد المعدل بشكل كبير جدًا على درجة الحرارة الأساسية، في الواقع: في نجم مثل الشمس، يتم قياس معدل الاندماج باعتباره القوة الرابعة لدرجة الحرارة، لذا فإن التغير البسيط في درجة الحرارة يؤثر بشكل كبير على مدى سرعة توليد النواة للطاقة.

تستخدم النجوم ذات الكتلة الأعلى عملية اندماج مختلفة يبعث على السخرية تعتمد على درجة الحرارة يمكن أن يرتفع معدل الاندماج مع درجة الحرارة إلى القوة العشرين تقريبًا! وهذا الاقتران قوي جدًا لدرجة أن مضاعفة درجة الحرارة في قلب نجم ضخم يزيد من معدل توليد الطاقة بمعامل مليون.

قد تفهم الآن لماذا يمكن للنجوم أن تصبح كبيرة جدًا. إذا تراكمت كتلة كبيرة جدًا، فإن جاذبية النجم تزداد قوة، ويرتفع الضغط في القلب، وترتفع درجة الحرارة، ثم يرتفع معدل الاندماج بشكل كبير. إذا تم إلقاء الكثير من الطاقة في الطبقات العليا للنجم، فإنها تصبح ساخنة جدًا لدرجة أنها لا تتوسع فحسب؛ كما أنها تفجر المواد أيضًا، وبالتالي تفقد كتلتها. وهذا يشكل حلقة ردود فعل سلبية تحد من مدى ضخامة النجم. كما أن النجوم في هذه الحالة المسعورة ليست مستقرة بشكل رهيب؛ يمكن أن يكون معدل الاندماج عاصفًا، ويخضع النجم لنوبات عنيفة بشكل لا يصدق.

ويعتمد الحد الأعلى النظري للكتلة النجمية على عوامل أخرى أيضًا، لكنه ربما يبلغ حوالي 300 ضعف كتلة الشمس. النجوم بهذا الحجم نادرة بشكل لا يصدق، ولا يُعرف سوى عدد قليل منها تزيد كتلته عن 200 كتلة شمسية. أضخم نجم نعرفه هو R136a1، وهو وحش موجود في سحابة ماجلان الكبرى، وهي مجرة ​​تابعة لمجرة درب التبانة. إنه يبعد حوالي 160.000 سنة ضوئية، وهذا أمر جيد بالنسبة لي! إنها تطلق طاقة تعادل سبعة ملايين مرة طاقة الشمس، لذا فإن إبقائها في مجرة ​​مختلفة يعد فكرة جيدة جدًا.

R136a1 هو جزء من مجموعة نجمية تسمى R136، والتي كان يعتقد أنها نجم واحد عندما تم اكتشافها لأول مرة. كانت هذه مشكلة لأن R136 مضيء للغاية لدرجة أنه سيحتاج إليه الآلاف مرات كتلة الشمس لتكون مشرقة جدا. ومع ذلك، أكدت ملاحظات تلسكوب هابل الفضائي أنه كان في الواقع مجموعة صغيرة من النجوم. ومع ذلك، لا يزال العضو الأكثر سطوعًا، R136a1، وحشًا: تشير التقديرات إلى أن كتلته تبلغ حوالي 290 ضعف كتلة الشمس، وهو ما يقرب من الحد النظري. من المحتمل أن يبلغ عمره حوالي مليون سنة فقط وسيستمر حوالي مليوني سنة أخرى قبل أن ينفجر على شكل مستعر أعظم.

نظرًا لأن R136a1 قريب جدًا من قمة مقياس الكتلة، فمن غير المرجح أن نجد نجمًا آخر بهذه الضخامة. ولكن هذا لم يكن الحال دائما.

هناك عامل آخر يؤثر على مدى ضخامة النجم وهو وفرة العناصر الثقيلة في طبقاته الخارجية. والعديد منها جيد جدًا في امتصاص الطاقة القادمة من داخل النجم، مما يجعل النجم أكثر سخونة. إذا أصبح النجم ساخنًا جدًا، فإنه يتطاير تلك الطبقات الخارجية. لذلك، كما هو الحال مع التوابل الحارة، حتى قليل من العناصر الثقيلة يمكن أن يكون لها تأثير كبير.

لكن في الكون الصغير جدًا، لم تكن هذه العناصر موجودة بعد! في وقت مبكر، كانت المادة في الكون تتكون بالكامل تقريبًا من الهيدروجين والهيليوم (مع القليل فقط من العناصر الأثقل مثل الليثيوم). في نهاية المطاف، أنتجت النجوم الضخمة عناصر أثقل في وقت لاحق، حيث قامت أولاً بطهي هذه العناصر في قلبها عن طريق الاندماج ثم إنتاج المزيد عندما تنفجر حتمًا على شكل مستعرات أعظم، مما يؤدي إلى زرع سحب الغاز للجيل القادم من النجوم. اليوم، أصبحت هذه العناصر شائعة نسبيًا، لكن لم يكن الأمر كذلك عندما نشأ الجيل الأول من النجوم. ولهذا السبب، يمكن أن تصبح تلك النجوم المبكرة ضخمة بشكل لا يصدق: تظهر بعض النماذج أنه من الممكن أن تكون كتلتها أكبر بآلاف المرات من كتلة الشمس!

عاشت جميع نجوم التكوين هذه وماتت في وقت مبكر من الخط الزمني لوجود الكون، وكان ضوؤها قد سافر بعيدًا ليصل إلينا، لدرجة أنه على الرغم من لمعانها الهائل، فإنها ستبدو باهتة جدًا إذا اكتشفناها؛ لم يتم رؤية أي نجم مؤكد من الجيل الأول حتى الآن (على الرغم من وجود مرشح واحد على الأقل).

ويبحث علماء الفلك بقوة عنهم بالطبع. وبمجرد التأكد من ذلك، سيتعين علينا زيادة تقديراتنا للحجم الذي يمكن أن يصل إليه النجم بشكل كبير، ربما ليس اليوم ولكن ذات مرة. وعندما نفعل ذلك، سنكون قد تعلمنا عاملاً رئيسيًا آخر حول كيفية ولادة النجوم، وكيف تعيش وكيف تموت، وكيف يعتمد كل ذلك على المادة التي تتكون منها ومتى نراها في تاريخ الكون.