التراكم

الأقراص التراكمية

في جميع هذه الأنظمة، تسحب الجاذبية الغاز نحو مركزٍ للجذب، الذي قد يكون مركز مجرَّة، أو نجم، أو ثقب أسود. أي إن هذه الأجرام «تُراكِم» الغاز، ويتسبب حفظ الزخم الزاوي في دوران الغاز المتراكم حول الجِرم التراكمي أثناء تحركه نحو الداخل. إذا كان الغاز باردًا بمعنى أن ضغطه غيرُ كافٍ لتوفير مقاومةٍ فعَّالة للجذب الداخلي للجاذبية، فإن الغاز الدوار يشكل «قرصًا تراكميًّا»؛ حيث يتحرك الغاز في كل نصف قطر على مدارٍ دائري حول مركز الجذب.

ديناميكا الأقراص الأساسية

يشبه العزم بالنسبة إلى الزخم الزاوي القوة بالنسبة إلى الزخم الخطي؛ فهو الكمية التي تحدِّد معدل تغيُّره. ومثلما تنص قوانين نيوتن على أن القوة تساوي معدل تغيُّر الزخم، فإن معدل تغيُّر الزخم الزاوي لجِرمٍ ما يساوي العزم المؤثِّر عليه. لذلك، وجود العزم من الحلقات الأصغر إلى الحلقات الأكبر يعني وجود نقلٍ خارجي للزخم الزاوي عَبْر القرص التراكمي. عندما يكون القرص في حالةٍ مستقرة، يتوازن هذا النقل الخارجي للزخم الزاوي بفعل اللزوجة مع نقلٍ داخلي للزخم الزاوي بواسطة الغاز أثناء تدفقه نحو الداخل عَبْر القرص، حاملًا زخمه الزاوي معه.

شكل ٤-١: يُتصوَّر أن القرص التراكمي يتكون من عدد من الحلقات الصلبة، تدور جميعها بسرعاتٍ مختلفة حول محورها المشترك؛ يتناسب طول الأسهم المنحنية مع السرعة الموضعية. يزداد الزمن اللازم لإكمال دورة للحلقة كلما اتجهنا نحو الخارج. تتدفق الكتلة () نحو الداخل بينما ينتقل الزخم الزاوي () نحو الخارج عبْر القرص.

عندما يدخل الغاز إلى نصف قطر الحلقة الخارجي، تكون لديه طاقةٌ أكبر مما تكون لديه عند خروجه من نصف القطر الداخلي للحلقة؛ لأن طاقة جاذبيته الكامنة تقل بمقدار ضعف الزيادة في طاقته الحركية الناتجة عن الدوران. ولذلك، كل كمية من الغاز تمُر عَبْر الحلقة تُودِع فيها كميةً من الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تبذل الحلقة الأقرب نحو الداخل شغلًا على الحلقة الخارجية بعزم دوران يتجاوز ما تبذله الحلقة الخارجية على الحلقة الداخلية التالية. وهكذا، تكتسب حلقتُنا طاقةً إضافية أيضًا من تدفق الزخم الزاوي المدفوع باللزوجة عَبْر القرص. تؤدي الطاقة المكتسبة الناتجة عن التدفق الداخلي للمادة والتدفق الخارجي للزخم الزاوي إلى تسخين الحلقة، مما يجعل مادتها تتوهج. هذا هو السبب في أن الأنظمة ذات الأقراص التراكمية يمكنها أن تصبح أجرامًا فلكيةً مضيئة.

تنخفض درجة الحرارة باتجاه الخارج وفقًا لقوة نصف القطر العكسية بمقدار ثلاثة أرباع، وتتناسب طرديًّا مع القوة بمقدار الربع لمعدل التراكم.

التراكم على الأجسام ذات الكتلة النجمية

شكل ٤-٢: درجة الحرارة عند نصف القطر () في قرص تراكمي حول جسمٍ مضغوطٍ بكتلة تساوي كتلةً شمسية واحدة. تُعرَّف الوحدة الفلكية (AU) بأنها متوسط نصف قطر مدار الأرض (الفصل الأول). يُفترَض أن معدل التراكم كتلة شمسية في السنة. يوضح الشكل أيضًا درجات الحرارة في مركز الشمس () وعلى سطحها ()، بالإضافة إلى أنصاف الأقطار ، و، و للثقب الأسود بكتلةٍ شمسية واحدة، والقزم الأبيض النموذجي بكتلةٍ شمسية، وسطح الشمس.

شكل ٤-٣: الإضاءة التي يشعها قرصٌ تراكمي حول جِرمٍ بكتلة شمسية خارج نصف القطر (). أنصاف الأقطار ممثلة بوحدات نصف قطر مدار الأرض، بينما الإضاءة ممثلة بوحدة الإضاءة الشمسية. يُفترض أن يكون معدل التراكم كتلة شمسية في السنة.

النجوم الزائفة

شكل ٤-٤: درجة حرارة قرصٍ تراكمي حول ثقبٍ أسود بكتلة ١٠^٨ كتلة شمسية، مثل تلك الموجودة في مراكز المجرَّات عندما يكون معدل التنامي كتلةً شمسية واحدة في السنة. يشير الرمز إلى نصف قطر الثقب الأسود. وُضِعَت درجة حرارة سطح الشمس كمرجع للمقارنة.

شكل ٤-٥: الإضاءة التي تُشَع خارج نصف القطر () لقرص محيط بثقبٍ أسود كتلته ١٠^٨ كتلة شمسية يتراكم بمعدل كتلةٍ شمسية واحدة سنويًّا.

نصف القطر المميز للثقب الأسود الآن أكبر قليلًا من مدار الأرض، وتصل درجات الحرارة هناك إلى نحو ١٠٠ ألف كلفن فقط؛ لذلك سيظهر الجزء الأكبر من الإشعاع في الأشعة السينية المنخفضة الطاقة والضوء فوق البنفسجي. يتميز مثل هذا النظام بإضاءةٍ مذهلة. إذ تُشَع إضاءة تعادل إضاءة مجرَّتنا بأكملها، التي تضم نحو ١٠٠ مليار نجم، من الجزء من القرص الذي يتجاوز ٦٠٠ وحدة فلكية، وهو ما يزيد بمقدار ١٠ أضعاف على نصف قطر مدار بلوتو. تنبعث إضاءةٌ أقوى ١٠٠ مرة بين نصف القطر هذا وسطح الثقب الأسود.

نهاية الرحلة

بعد أن يتابع الغاز رحلته الحلزونية عَبْر القرص التراكمي ليقترب من نحو نصف قطر الجِرم التراكمي، يجب عليه الانتقال من القرص إلى الجِرم، وتؤثِّر طريقة هذا الانتقال على بنية القرص التراكمي وراءه. لدراسة هذا الأمر، يمكننا النظر في حالة القزم الأبيض التراكمي. عند الحافة الداخلية لقرصٍ تراكمي، يبدو الغاز كما لو كان في مدارٍ دائري يمُر بالقرب من سطح النجم. الطاقة الحركية التي تحافظ على هذا المدار هي نصف ثابت الجاذبية مضروبًا في الكتلة، مقسومًا على نصف القطر لكل وحدة كتلة، وهو ما يساوي من حيث المقدار كل الطاقة التي كان سيفقدها الغاز أثناء رحلته الحلزونية من اللانهاية إلى نصف القطر. ومن ثَم، فإنها كميةٌ هائلة من الطاقة، وإذا اصطدم الغاز بالنجم، فسيجري تحويل هذه الطاقة إلى حرارة على نحوٍ مفاجئ. ونظرًا لأن الغاز يصطدم في النهاية بالنجم، تتكون طبقةٌ رقيقة من الغاز الشديد السخونة عند الواجهة بين النجم والقرص. تعمل هذه «الطبقة الحدودية» بشكلٍ طبيعي على تعزيز انبعاث النظام عند أقصر الأطوال الموجية.

تذكَّر أن ثلاثة أرباع الطاقة المُشعَّة من كل حلقة في جسم القرص تنشأ من الفرق بين معدَّل الشغل الذي يُبذَل على تلك الحلقة من الحلقة الداخلية لها، ومعدَّل الشغل الذي تبذله على الحلقة التالية للخارج. تكون الحلقة الداخلية في وضعٍ شاذ لأنها تبذل شغلًا على كلٍّ من الحلقة الخارجية لها والطبقة الحدودية، التي تدور ببطء بسبب عرقلة النجم لها. لذلك، بينما تتوهَّج الطبقة الحدودية بشكلٍ غير عادي، تتوهج الحلقة الداخلية للقرص بشكلٍ أكثر خفوتًا من المعتاد.

شكل ٤-٦: يرفع المستعر DQ Her الغاز من القرص.

عندما يتدفَّق الغاز على طول خطوط المجال نحو النجم، ينقل الزخم الزاوي عَبْر المجال إلى النجم، مما يزيد من معدَّل دورانه. ومع زيادة معدَّل الدوران، يقل نصف القطر ويمتد القرص إلى الداخل أكثر. النتيجة المنطقية لهذه العملية هي أنه يتقلَّص نصف القطر الحَرِج إلى نصف قطر النجم، ويأخذ النجم في الدوران بسرعة تجعل المادة عند خط استوائه تبدو وكأنها في مدار. يُقال حينها إن النجم يدور عند نقطة «الانفصال». في الواقع، لا يتأتَّى الوصول إلى هذه النقطة القصوى أبدًا، ولكن الأقراص التراكمية تدفع النجوم النيوترونية للدوران بمعدَّل يقترب اقترابًا شديدًا من معدَّل الانفصال.

ينتهي المطاف بالأقراص حول الثقوب السوداء بطريقةٍ مختلفة تمامًا. تنُص نظرية أينشتاين للنسبية العامة على أن نصف قطر المدار الدائري حول ثقبٍ أسود غير دوَّار يتميز بأكبر سرعة زاوية هو ٦. نتيجةً لذلك، عند نصف القطر هذا تُوجَد بالفعل حلقة تبذل شغلًا على الحلقات على كلا جانبيها؛ لذلك تكون خافتة أكثر مما هو متوقع في ميكانيكا نيوتن. عندما يساوي نصف قطر الثقب الأسود ٣، تصبح المدارات الدائرية غير مستقرة، ويمكن للجُسيمات أن تنزلق ببساطة نحو الثقب الأسود دون فقدان أي طاقة؛ حيث يبتلع الثقب الأسود طاقتها. لذلك، لا تُوجد طبقةٌ حدودية ساخنة حول الثقب الأسود، ويكون الجزء الداخلي من القرص التراكمي أكثر خفوتًا مما تتنبأ به حسابات نيوتن. تزيد سرعة دوران الثقب الأسود بالطريقة نفسها التي تزيد بها سرعة دوران القزم الأبيض.

تأثير المجال المغناطيسي

شكل ٤-٧: أربع لقطات لخطوط المجال المغناطيسي في قرصٍ تراكمي يتمدد بفعل الدوران التفاضلي للقرص. يظهر النجم في أسفل كل لقطة، وأقدم لقطة على أقصى اليسار. يدور القرص عكس اتجاه عقارب الساعة. في تلك اللقطة، تكون خطوط المجال قصيرة وتمتد بشكلٍ شعاعي. بحلول اللقطة الأخيرة على أقصى اليمين، تصبح خطوط المجال أطول وتبدأ في اتخاذ اتجاهٍ مماسي.

النفاثات

شكل ٤-٨: الجِرم هيربج هارو HH30. تنبعث النفاثات من كلا الجانبَين من القرص التراكمي على نجمٍ أوَّلي. ويكون القرص نفسه مظلمًا ومتسعًا؛ فنراه كظلٍّ على خلفيةٍ مشرقة من الضوء المنتشر.

شكل ٤-٩: القياسات الهندسية الخاصة بالجِرم SS433. تنبعث النفاثات في اتجاهَين متعاكسَين، وتجتاح سطح مخروط. يفتح هذا المخروط بزاويةٍ نصفية تبلغ ٢٠ درجة، ويميل محوره بزاوية ٨٠ درجة عن خط الرؤية نحو الأرض.

شكل ٤-١٠: صورة راديوية للنفاثات الحلزونية للثنائية النجمية SS433.

شكل ٤-١١: صورة راديوية لمجرَّة الدجاجة «أ» الراديوية. تنبعث نفاثات رفيعة من نواة المجرَّة وتصطدم بالغاز المحيط بالمجرَّة على مسافة تزيد على ٦٠ كيلوفرسخًا.

النفاثات الدافعة

على الرغم من أننا لا نفهم تكوين النفاثات بشكلٍ كامل، نعتقد أننا نفهم مبادئها الأساسية. فقد رأينا أننا نتوقع أن الأقراص التراكمية تتخللها خطوط المجال المغناطيسي المستمرة في التضخم. في الفصل الثالث، رأينا أن سطح الشمس تتخلله أيضًا خطوط المجال المغناطيسي الممتدة والملتوية باستمرار، وأن إطلاق الطاقة المغناطيسية عن طريق إعادة توصيل خطوط المجال في البلازما المنخفضة الكثافة فوق الغلاف الضوئي يدفع رياحًا من البلازما بعيدًا عن الشمس، وبعيدًا عن الأرض، وإلى الفضاء بين النجوم. لا بد أن شيئًا مشابهًا جدًّا يحدث فوق مستوى منتصف القرص التراكمي وتحته؛ لذلك يمتلئ الفضاء فوق القرص وتحته بغازٍ ساخن جدًّا لدرجة لا يمكن لمجال جاذبية الجِرم احتواؤها؛ ومن ثَم يتدفق بعيدًا عن الجرم. ولكن في هذه الحالة، على عكس الأمر في حالة الشمس، يتم توجيه التدفق بطريقةٍ ما إلى نفَّاث ضيق. من المحتمل أنه بسبب الدوران المنتظم للقرص، يجري احتواء الغاز الخارج بواسطة لولب من خطوط المجال التي تلتفُّ حول الغاز الخارج، كما تلتفُّ الأفعى العاصرة حول فريستها لسحقها. يحدُّ التوتُّر في خطوط المجال هذه من توسُّع الغاز الفائق الحرارة في الاتجاهات العمودية على محور دوران القرص؛ لذلك يتمدد الغاز بدلًا من ذلك في اتجاه محور الدوران، ويتسارع، ويبرد أثناء ذلك. وبهذه الطريقة يتشكَّل عمودٌ ضيق من الغاز يتحرك بسرعة تفوق سرعة الصوت بكثير.

لا بد أن تحدث العملية التي وصفناها للتو عند العديد من أنصاف الأقطار في وقتٍ واحد، وهذه نتيجة للطبيعة ذات التوسع الحر لديناميكا الأقراص. عند أنصاف الأقطار الكبيرة يكون القرص أكثر برودة، ويدور على نحوٍ أبطأ منه عند أنصاف الأقطار الصغيرة؛ لذلك نتوقع أن يحقِّق الغاز المتسارع من أنصاف الأقطار هذه سرعةَ تدفُّق نهائية أقل من الغاز المتسارع من أنصاف الأقطار الصغيرة. ومن ثَم نتوقع أن يكون النفَّاث بنية متداخلة ذات لُب سريع محاط بأسطوانات تنخفض فيها سرعة التدفق تدريجيًّا للخارج. وفي حين لا يتجاوز التدفق في القرص أبدًا كونه تدفقًا نسبيًّا معتدلًا (الفصل السادس)، فإن النفاثات الفائقة النسبية ينتجها التراكم على النجوم النيوترونية، وكذلك على الثقوب السوداء. ولكننا لا نفهم كيف تحقِّق الطبيعة هذا الإنجاز الباهر.

النفاثات العالية الكفاءة

علم الفلك الزمني

درسنا الأقراص التراكمية التي وصلَت إلى حالة استقرار. ولكن إضاءة الأقراص التراكمية في الواقع تميل إلى التغيُّر بشكلٍ كبير، ويمكن معرفة الكثير عن القرص والنظام الذي يقع فيه من خلال مراقبة «منحنى الضوء» للنظام، وهو التغير في الإضاءة بمرور الزمن. ويمكننا الحصول على المزيد من المعلومات بقياس الطيف الضوئي للقرص في أوقاتٍ مختلفة.

في بعض الأنظمة، تسقط كميةٌ كبيرةٌ من الغاز بانتظام على منطقةٍ صغيرةٍ من القرص التراكمي. ثم تنتشر المادة بسرعة بفعل الدوران التفاضلي لتُشكِّل حلقةً ذات كثافةٍ عالية. وعلى مدًى زمني أطول، تنقل اللزوجة الزخم الزاوي من الحافة الداخلية للحلقة إلى الحافة الخارجية، مما يؤدي إلى تحرُّك الحافة الداخلية للداخل والحافة الخارجية للخارج. وهكذا تصبح الحلقة الرفيعة العالية الكثافة منطقة تتسع باستمرار. وكما أن أنصاف الأقطار المختلفة داخل قرص في حالة استقرار تصل إلى درجات حرارة مختلفة، ترتفع كذلك درجة حرارة الحافة الداخلية للحلقة، فيما تنخفض درجة حرارة الحافة الخارجية. ومن ثَم يتطور الطيف الإشعاعي المنبعث من الحلقة بأكملها بعيدًا عن طيف الجسم الأسود القريب نحو نوع الطيف المنبعث من قرص في حالة استقرار. يتناسب الزمن الذي يحدث فيه هذا التطور عكسيًّا مع مقدار اللزوجة، وهو ما لم يكن علينا معرفته لاستنتاج خصائص القرص في حالة الاستقرار.

في بعض الأنظمة، تكون الاندفاعاتُ في الإضاءة ناتجةً عن ترسُّب كتلة من الغاز على القرص التراكمي كما هو موصوف أعلاه، ولكن في أنظمةٍ أخرى تكون الاندفاعات ناتجة عن تغييراتٍ مفاجئة في مقدار اللزوجة. فعندما تكون اللزوجة منخفضة، تستغرق المادة وقتًا طويلًا للتحرُّك عَبْر القرص؛ ومن ثَم عندما يكون القرص في حالة استقرار، فإن معدل تراكم معيَّن على النجم يتوافق مع كثافةٍ كبيرة للغاز في القرص التراكمي. وعلى العكس، عندما تكون اللزوجة كبيرة، تكون الكثافة في حالة الاستقرار داخل القرص منخفضة، ولكن الإضاءة تبقى ثابتة. وهكذا، فإن الزيادة المفاجئة في اللزوجة داخل قرصٍ وصل إلى حالة استقرار تتسبَّب في تصريف المادة من القرص نحو النجم على نحوٍ أسرع من معدل سقوطها على القرص، مما يؤدي إلى زياداتٍ كبيرة في الإضاءة قبل أن تعود إلى قيمتها الأصلية مع اقتراب حالة الاستقرار ذات اللزوجة العالية.

ولكن ما السبب في تحوُّل اللزوجة بين القيم العالية والمنخفضة؟ هذا الأمر غير مفهوم بشكلٍ كامل، ولكن الآلية ربما تكون مرتبطة بحقيقة أن اللزوجة تُولِّدها الاضطرابات داخل القرص، وأن هذه الاضطرابات نفسها تستمد طاقتها من اللزوجة. لذلك، في حالة اللزوجة المنخفضة، تكون الدوامات المضطربة صغيرة، وتُولِّد لزوجةً منخفضة، بينما تُولِّد الدوامات الكبيرة لزوجةً كبيرة في حالة اللزوجة العالية.

تنتقل العديد من «ثنائيات الأشعة السينية» المنخفضة الكتلة بانتظام بين حالة يكون فيها للنظام طيفُ أشعةٍ سينية منخفض الطاقة، وحالةٍ أخرى يكون فيها الطيف عالي الطاقة مع إضاءة أقل؛ حيث يتأرجح النظام، الذي يحتوي على ثقبٍ أسود أو نجمٍ نيوتروني تراكمي، بين الحالات المنخفضة الطاقة ذات الإضاءة العالية والعالية الطاقة ذات الإضاءة المنخفضة. غالبًا، ولكن ليس دائمًا، تنبعث نفاثاتٌ نسبية عندما ينتقل النظام من حالته المنخفضة الطاقة ذات الإضاءة العالية إلى حالته العالية الطاقة ذات الإضاءة المنخفضة. يُعتقد أن هذا التحول يحدث عندما يُطرد الغاز القريب من مركز القرص التراكمي على طول محور الدوران، مما يترك منطقةً منخفضةَ الكثافة حول الجِرم التراكمي. في الحالة المنخفضة الطاقة ذات الإضاءة العالية، تشعُّ المنطقة المركزية الكثيفة مثل جسمٍ أسود، بينما في الحالة العالية الطاقة ذات الإضاءة المنخفضة يكون الغاز متناثرًا للغاية لدرجة لا يمكنه معها إنتاج عددٍ كبير من الفوتونات. ولكنه على الرغم من ذلك يُسهِم في إضاءة النظام من خلال «تشتُّت كومبتون العكسي»؛ حيث يصطدم إلكترون نسبي بفوتون. وكما أن ركلة لاعب كرة القدم تضيف طاقةً للكرة في الركلات الحرة، يمكن للإلكترون أن يزيد كثيرًا من طاقة الفوتون. بهذه الطريقة، يمكن لفوتون الأشعة تحت الحمراء أن يتحول إلى فوتون أشعة سينية أو حتى فوتون أشعة جاما، مما يُكسب طيف الجِرم طاقةً أعلى. تُعرَف ثنائيات الأشعة السينية التي تطلق أحيانًا نفاثات باسم «النجوم الزائفة المصغرة».

تتسبَّب النفاثات في زيادة إضاءة في التردد الراديوي للنجوم الزائفة المصغرة بمقدار نحو ١٠٠ مرة، وسنناقش فيزياء النفاثات في الفصل السادس. ومن ثَم، في الترددات الراديوية تكون هذه المصادر أكثر تغيُّرًا مقارنةً بالأشعة السينية، وعندما تكون «عالية التردد الراديوي»، تهيمن النفاثات على انبعاثها الراديوي.

عند الطرف الأزرق للطيف الكهرومغناطيسي (الأشعة السينية أو الأشعة فوق البنفسجية، حسب طبيعة الجِرم التراكمي)، يظهر تذبذب في سطوع العديد من الأنظمة التراكمية بترددٍ مميز يُطلق عليه «التغير شبه الدوري». ونظرًا لأن التغير شبه الدوري يتركز عند الطرف الأزرق للطيف، وهو الطيف الذي تهيمن عليه الانبعاثات من الحافة الداخلية للقرص، يُعتقد أن التردد المميز هو تردُّد المدار عند الحافة الداخلية للقرص. ومن ثَم، يزوِّدنا ذلك بمعلومات عن طبيعة الجِرم التراكمي.

في النجوم الزائفة المصغرة، يتميز التغير شبه الدوري بفترة زمنية تبلغ ملِّي ثانية؛ ومن ثَم تكون الفترة الزمنية المكافئة في النجوم الزائفة هي يومًا واحدًا. تكون سعة هذه التقلبات الأسرع صغيرة. على مدى فترةٍ زمنيةٍ أطول ببضع مئات من المرات، يمكن أن تتغير إضاءة الأشعة السينية للنجم الزائف المصغر بنسبةٍ كبيرة من قيمته، وتحدث تقلباتٌ مشابهة في النجوم الزائفة على مدى فترة زمنية تُقدَّر بسنة. لهذه التقلبات أهميةٌ تشخيصية كبيرة.

بالتزامن مع التأثير القوي لعدسة الجاذبية (الفصل السادس)، يمكن استخدام تقلبات إضاءات الأقراص التراكمية للنجوم الزائفة لتحديد مقياس الكون والبحث عن تكتلات المادة المظلمة.