لاتكس
على الرغم من وجود أدلة رصدية وفيرة ومتنوعة تدعم وجود كواكب أو أقراص حطام حول نجوم الأقزام البيضاء، والتي تنشأ نتيجة الدمار الكارثي لأجسام كوكبية مختلفة، فإن العمليات الأساسية التي تفسر هذه الملاحظات لا تزال قيد البحث المكثف. يقدم هذا الفصل التقنيات الرصدية المختلفة المستخدمة لاكتشاف الكواكب الخارجية وتوصيف أقراص الحطام حول الأقزام البيضاء. ثم يناقش كيفية تفسير هذه الملاحظات نظرياً من خلال استعراض مجموعة متنوعة من أدوات البحث والنماذج المستخدمة حالياً في هذا المجال.
على الرغم من أن نسبة كبيرة من الأقزام البيضاء ملوثة، إلا أن عدداً قليلاً منها يحتوي على أدلة أخرى تدل على وجود أنظمة كوكبية.
تم اكتشاف خمسة كواكب خارجية تدور حول الأقزام البيضاء، وُجدت عند فواصل مدارية متباينة تمامًا.
يعتمد تطوّر مدارات الكواكب الخارجية والكويكبات الصغيرة على البنية المعمارية لكل نظام نجمي وكوكبي.
عندما تسقط الكويكبات داخل نطاق القزم الأبيض، تتفكك تحت تأثير قوى المد والجزر، مكونة أقراصاً مدارية.
تكون أقراص الحطام المتكوِّنة بفعل المد والجزر في البداية شديدة الاستطالة.
تتضمن التقنيات الرصدية المستخدمة لتوصيف هذه الأقراص قياسات الأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية، فضلاً عن كشف الغازات وتقنيات العبور.
تشير الملاحظات إلى تنوُّعٍ كبير في تكوينات أقراص الحطام، من شديدة الاستطالة إلى مضغوطة، مع تغيُّرات زمنية ملحوظة.
حتى الآن، اقترحت ثلاث فئات من النماذج لتفسير الثروة والتعقيد الواسع في البيانات المرصودة.
بعد عدة مليارات من السنين، سينفد الوقود في شمسنا. ستتوسع لتصبح نجمًا عملاقًا، وفي نهاية المطاف ستفقد طبقاتها الخارجية لتتحول إلى قزم أبيض (WD) – بقايا باهتة من مجدها السابق.
لن نكون هنا لنشهد ذلك – فمن المحتمل أن تُبتلع الأرض أثناء توسع النجم. ستتعرض الكواكب الأخرى والأقمار والكويكبات والمذنبات في النظام الشمسي الخارجي لإشعاع شديد. ستتوسع مداراتها، ما يؤدي إلى فوضى ديناميكية غنية. بعد هذه الكارثة، سينجو بعض هذه الأجسام، لكن كثيرًا منها سيدفع إلى مدارات تمر ضمن نطاق المد والجزر للقزم الأبيض الكثيف، حيث يتم تمزيقه بعنف وبشكل متكرر، ثم ينشأ تدريجيًا قرصٌ من الحطام.
بينما لا يمكننا مراقبة مستقبل نظامنا الشمسي، منحتنا الطبيعة فرصة فريدة للاطلاع على نهاية مأساوية لأنظمة كوكبية أخرى. لذا تشكل الأقزام البيضاء لاعبًا رئيسيًا في مشهد كوني مدهش، إذ تمتلك القدرة الفريدة على كشف التركيب الخارجي للأنظمة الكوكبية الأخرى، في ما يشبه وظيفة "المطياف الكتلي الفلكي".
الأقزام البيضاء نجوم مضغوطة بحجم كوكب أرضي، لكنها تحمل كتلة تعادل كتلة الشمس تقريباً. وبالتالي، جاذبيتها السطحية تفوق عدة مرات جاذبية الشمس، فتحتجز بسرعة أي عناصر أثقل من الهيدروجين أو الهيليوم في غلافها الجوي. ومع ذلك، فإن نسبة تتراوح بين 25–50% من أجواء الأقزام البيضاء ملوثة بعناصر أثقل (KoesterEtAl-2014)، ولا يمكن أن تأتي إلا من بقايا كوكبية. عبر قياس الوفرة النسبية لهذه العناصر، يمكن استنتاج التركيب الكيميائي للملوثات (HarrisonEtAl-2021). هذه القدرة الفريدة لا تمتلكها أي تقنية أخرى لاستكشاف التركيب الكلي للأنظمة الكوكبية.
حتى الآن، لم يُلاحظ أي قزم أبيض تغييرٌ في وفرة العناصر الجوية رغم عقود من الرصد، مما يشير إلى أن الاستحواذ يتوسطه قرص. ومع ذلك، لا تزال بنية هذه الأقراص وتسلسل الأحداث المؤدية إلى هذا الاستحواذ غير مفهومة حالياً. تتركز الأبحاث الحالية على طبيعة الملوثات، وظروف دفعها إلى مدارات عبور المد، وكيفية تشكل الأقراص وتطورها، وأسباب تفادي بعضها الكشف، وآليات انتقال المواد من القرص إلى الغلاف الجوي للقزم الأبيض.
يتناول هذا الفصل بعض هذه الأسئلة ويستعرض الحالة الراهنة للمعرفة: يبدأ بالكواكب الخارجية الناجية حول الأقزام البيضاء، ثم الأدلة الرصدية على أقراص الحطام، وأخيرًا النماذج النظرية المتنوعة المطروحة لمطابقة الثروة والتنوّع الهائل في الملاحظات.
أحدثت التقنيات والتلسكوبات الفضائية الحديثة خلال العقود القليلة الماضية ثورة في علم الفلك، إذ مكّنتنا من تأكيد وجود آلاف الكواكب الخارجية. إلى جانب أهميتها في البحث عن الحياة خارج الأرض، تفيدنا هذه الكواكب بتنوُّعها الكبير في فهم آليات تكوينها وتطورها. غير أنه من بين آلاف هذه الكواكب، لم يؤكد رصدياً سوى خمسة تدور حول الأقزام البيضاء، ويرجع ذلك جزئيًا إلى صغر حجم هذه النجوم وضعف لمعانها مقارنة بالنجوم الرئيسية.
الكواكب الخمسة المعروفة مدرجة في الجدول [Tab:Exo-planets]، مرتبة تنازلياً حسب المسافة المدارية من القزم الأبيض. يبرز في هذا الصدد وجود الكوكب حول القزم الأبيض J0914+1914 باعتباره مستنتجاً، إذ يُستدل على وجوده من خصائص قرص غازي بارز حول القزم بعد استبعاد تفسيرات بديلة (GansickeEtAl-2019). يعود الاستدلال إلى أن الأقزام البيضاء حديثة التكوين قد تصل درجة حرارتها الفعالة إلى أكثر من 100000 كلفن، ولاحقاً تبرد تدريجيًا. أما J0914+1914، فحرارته حوالي 30000 كلفن، كافية لتبخير غلاف الكوكب القريب منه.
تُبيّن الملاحظات نطاقاً واسعاً من المسافات المدارية بين النجوم وكواكبها، يمتدُّ بعامل يصل إلى خمسة. يمثّل كوكب MOA-2010-BLG-477L b مرحلة فاصلة بين سيناريوهين ديناميكيين متباينين: عند مسافة تقارب 2.8 وحدة فلكية، لا يمكن للكواكب الأقرب أن تكون قد نجت من توسع النجم المضيف قبل أن يتحول إلى قزم أبيض. لذا، يُرجح أنها كانت تدور أصلاً في مدارات أبعد ثم هاجرت للداخل بفعل التفاعلات مع الغاز أو قوى تشتيت لاحقة واستقرت تحت تأثير المد والجزر. عند المسافات المدارية الكبيرة جداً، مثل 0806-661 b، تبدو الحاجة إلى آليات تشتيت إضافية كالالتقاط الجاذبي أو التشويش بواسطة كواكب خارجية. في الختام، تكشف هذه الأنظمة عن عالم غني بالاحتمالات لتعديل وتعطيل التكوينات الكوكبية.
نظرياً قد تتلوث الأقزام البيضاء مباشرة عند سقوط الكويكبات في غلافها الجوي، لكن صغر نصف قطرها يجعل ذلك غير مرجح. البديل الأرجح هو دخول الكويكب ضمن نصف قطر روش للقزم الأبيض، حيث تهيمن قوى المد والجزر على قوى الجذب الذاتي التي تحافظ على تماسكه. يقع هذا النطاق عند نحو 1 R⊙، أي نحو 100 ضعف نصف قطر القزم الأبيض (~0.005 au)، ويُسمى مدار عبور المد. وبما أن المقطع العرضي لعمليات التفكك المدّي أكبر بكثير من التأثيرات المباشرة، تُظهر الدراسات أن مصير معظم الكويكبات هو التفكك المدّي عند الاقتراب.
كما نوقش بالتفصيل في فصول أخرى، تُستنتج الملوثات النموذجية على أنها أجسام "جافة" شبيهة بالكويكبات. وكتلة المواد المتراكمة لا تتجاوز عادةً كتلة حزام الكويكبات في نظامنا الشمسي (Veras-2016). لذا تُعتبر الكويكبات الشمسية المماثلة الأصل الأرجح لأقراص الحطام حول الأقزام البيضاء. وقد وُجد أن التفاعلات الجاذبية مع الكواكب العملاقة والأرضية والأقمار الكبيرة يمكن أن تدفعها إلى مدارات عالية الانحراف (e≈1)، حيث يبلغ حضيضها داخل نصف قطر روش (<0.005 au) (VerasRosengren-2023).
رغم أن فقدان الكتلة النجمية أثناء تطور النجم إلى قزم أبيض يوسع مدارات الكواكب ويساعد على استقرار النظام، فقد تبيّن أن القنوات الديناميكية الناقلة للكويكبات إلى نصف قطر روش تستمر لمليارات السنين. تناولت الدراسات العددية تأثيرات كوكب واحد أولاً ثم متعددة، وأظهرت جميعها أن الكويكبات يمكن أن تلوث الأقزام البيضاء عبر هندسات معمارية متنوعة.
كما وُجدت حالات نادرة لملوثات غنية بالثلوج والمواد العضوية شبيهة بالمذنبات، التي تنشأ عادةً من مسافات تصل لمئات أو آلاف الوحدات الفلكية إذا احتفظت بثلوجها خلال مرحلة العملاق الأحمر للنجم المضيف (MalamudPerets-2017). وتشمل هذه القنوات التشويش النجمي العابر أو المد والجزر المجرّي.
أما الأجسام الأكبر كالنجوم المصاحبة أو الكواكب القزمة أو الكواكب العملاقة، فقلَّت فرص سقوطها مقارنةً بالكويكبات والمذنبات. إلا أن تداخلاتها الجاذبية قد تؤدي نظرياً إلى سقوط نادر لبعضها (Veras-2016).
عند وصول الكويكب إلى نصف قطر روش، تؤدي قوى المد والجزر التفاضلية إلى تمزيقه تدريجياً. تتحول هذه العملية سريعاً إلى تفكك كامل، حيث توزع طاقات المدارات وفقاً لخسارة الجذب الجماعي، ويُعرف ذلك بالتفكك المدّي. تتكرر عمليات التفكك عند كل اقتراب، مكونة قرصاً أولياً من شظايا مدارية تتحدد سماته بحجم وموقع الكويكب الأصلي (MalamudPerets-2020). فالأجسام الصغيرة والمحاور شبه الرئيسية الضيقة تملأ حلقة رفيعة، أما الكبيرة أو ذات الشظايا المتباعدة فتشكّل أقراصاً ثنائية الوضع.
هناك عدة طرق لمراقبة وتوصيف أقراص الحطام حول الأقزام البيضاء؛ سنناقشها تباعاً.
رغم أن نحو نصف الأقزام البيضاء ملوثة بعناصر ثقيلة، فإن نسبة صغيرة فقط (~1–3%) تمتلك فائضاً تحت أحمر قابلاً للكشف (RebassaMansergasEtAl-2019). يؤكد الطيف ظهور غبار السيليكات في الغلاف المجاور للقزم الملوث من خلال خطوط طيفية مميزة. يسجل الفائض تحت الأحمر بسبب تسخين الغبار بضوء النجم ثم إعادة إشعاعه عند أطوال موجية أطول، بدرجة حرارة تقترب من 1000 كلفن (Farihi-2016). يوجد حالياً نحو 60 نظاماً مغبراً معروفاً (Veras-2021)، ويتوقع أن يزيد هذا العدد في المستقبل القريب.
بما أن الأقراص المغبرة تتكوَّن عادةً داخل نصف قطر روش، فإن نموذج الفائض الكلاسيكي (Jura-2003) يفترض قرصاً مسطحاً مظلماً وغير شفاف يشبه حلقات زحل. ينتج عن ذلك توزيع حراري يتناقص شعاعياً، ويمكن من خلاله استخراج الأقطار الداخلية والخارجية للقرص. تستنتج الدراسات أن أقراص الغبار تمتد بين ~0.2–1.2 R⊙.
إلا أن ثلاثة أنظمة ساطعة – GD 56، GD 362 وWD J0846+5703 – لا تتوافق مع النموذج الكلاسيكي، فاقتُرحت نماذج موسّعة تشمل مكوناً غبارياً خارجياً رقيقاً بصرياً (JuraEtAl-2007).
اكتشاف الغاز في أقراص الأقزام البيضاء الملوثة أندر من اكتشاف الغبار. عدا WD J0914+1914 الفريد الخالي من الغبار، يُعثر دائماً على الغاز كمكوّن إضافي في الأقراص المغبرة.
يبلغ عدد الأقراص التي تحتوي على غاز نحو 26 قرصاً، في 21 منها عبر انبعاث الخطوط، وفي 5 عبر الامتصاص. بالتالي، يقارب ثلث الأقراص المغبرة تلك التي تحمل غازاً قابلاً للرصد. يبدو ارتباط الغبار بالغاز قويّاً، وقد يعود انخفاض نسبة اكتشاف الغاز إلى حد الكشف أو إلى ظروف فيزيائية أساسية.
يمكن تقييد التوزيع الشعاعي للغاز عبر نمذجة الانبعاثات غير المتماثلة التي تشير إلى شذوذ مداري بين ~0.2–0.4 R⊙ (MelisEtAl-2010)، ما يضع الغاز بين ~0.15–1.2 R⊙. ويوفر امتصاص خطي واحد في WD 1145+017 قيوداً مماثلة (~0.2–0.5 R⊙) (FortinArchambaultEtAl-2020).
في عدة أنظمة، تُظهر مورفولوجيا الخطوط حركات أفقية نسبية دورية بفعل تقدم الأوجه المدارية للقزم الأبيض القوي (ManserEtAl-2016, FortinArchambaultEtAl-2020). تتراوح فترات هذه الحركات بين 4.6 و27 عاماً، وقد وُجدت فترات مدارية مطابقة في عدة أنظمة.
أخيراً، اكتُشف قرص غازي عابر في SDSS J1617+1620، انخفض فيه الانبعاث على مدى ثماني سنوات حتى تجاوز حد الكشف.
أظهرت ملاحظات عام 2010 انخفاضاً بنسبة 35% في تدفق الأشعة تحت الحمراء لـ WD J0959−0200 خلال أقل من 300 يوم. وعلى نحو مشابه، تراجع تدفق SDSS J1228+1040 بنسبة 20% بين 2007 و2014. مع ذلك، لم يُسجل أي تقلب حاد في مسوحات قريبة الأرض لـ 34 نجماً أبيض قزم خلال ثلاث سنوات. غير أن ملاحظات فضائية أكثر حساسية كشفت تغيرات تتراوح من عدة نسب مئوية إلى عشرات عليها خلال أشهر، خاصة في الأنظمة الحاملة للغاز (SwanEtAl-2020).
شهد نظام WD 0145+234 زيادة ثلاثية في تدفق الأشعة تحت الحمراء في 2018 خلال ~1.5 سنة، تلاها انفجار ثم انخفاض خطّي مستمر في أواخر 2019، مع زيادات عرضية صغيرة (SwanEtAl-2021). عاد النظام لاحقاً إلى حالته الأساسية. أما GD 56 فشهد انخفاضاً استمر سنوات، ربما سبقه انفجار لم تُرصد.
بصغر حجم الأقزام البيضاء، يمكن للمواد العابرة أن تحجب جزءاً كبيراً من ضوءها، فتؤدي إلى أعماق عميقة في منحنيات العبور. يُعرف الآن ثمانية أنظمة عبور: بدأها VanderburgEtAl-2015 بدورة 4.5 ساعات وعمق تجاوز 50%، مع تفسير لكويكب متفكك. تبعها ZTF J0139+5245 بدورية ~107 أيام وعبور امتدّ لأسابيع، ما يشير إلى تيار حطام ممتد.
ثم اكتشفت خمسة أخرى بفترات وجيزة وعمق متفاوت (5–25%)، كما كشف WD 1054−226 عبوراً منتظماً كل 25.02 ساعة، مع أحداث تعتيم متقاربة بفترة 23.1 دقيقة وبعمق ثابت ليلةً بعد ليلة. يختصر الجدول [Tab:Transits] المعايير المختلفة لهذه الأنظمة، مع تنوّع مذهل قد يعكس مراحل تطورية متعددة لنفس العملية.
النظام G29−38 هو الوحيد حتى الآن المُلوث بأشعة إكس المكتشفة (CunninghamEtAl-2022). من السطوع المقاس يمكن استنتاج معدل استقطاب المواد على الغلاف الجوي، مستقلاً عن نماذج الغلاف النجمي.
نستعرض فيما يلي النماذج النظرية المقترحة لتفسير أقراص الحطام والملاحظات المتنوعة المحيطة بها.
قدم النموذج المرجعي (Jura-2003) قرصاً مسطحاً وكثيفاً بصرياً على نحو مشابه لحلقات زحل، ثابتاً نسبياً على المدى القصير. نجح في تفسير الفائض تحت الأحمر لمعظم الأقزام البيضاء، لكنه يواجه صعوبة مع الأنظمة الساطعة والتقلبات؛ كما أن توازن الطور بين الغبار والغاز في القرص لا يمكن أن يستمر في نموذج كهذا (MetzgerEtAl-2012).
كذلك، يتعارض هذا النموذج مع ملاحظات العبور التي تشير إلى وجود مواد تدور خارج نصف قطر روش أو مكونات مائلة وتيارات غبارية إضافية تسبب التعتيم.
نظرًا لأن شظايا التفكك المدّي تبدأ في مدارات شديدة الانحراف (§S:Disruption)، فُرض نموذج قرص منحرف دقيق (DennihyEtAl-2016). يوضح (NixonEtAl-2020) كيف يمكن للحلقة المنحرفة أن تفسر التغير في تدفق الأشعة تحت الحمراء والعبور عبر تباعد زمني لمكونات محلية من الغبار. وقد اقترح (BrouwersEtAl-2022) قرصاً مكوَّناً من شظايا صلبة تنتشر مداراتها وفقاً لحجم الكويكب الأصلي، فتتشابك حلقات بيضاوية ثم تصطدم مكونة غباراً، ويدفع سحب بوينتينغ-روبرتسون الغبار نحو الاستيعاب على القزم الأبيض بمعدلات مقاربة للملاحظة.
غير أن هذا النموذج يتنبأ بفائض تحت أحمر أكبر من الواقع؛ ويُقترح تجاوز ذلك عبر سحب الغاز أو تأثيرات مغناطيسية تُفقد الغبار الزخم الزاوي، لكن نسبة الأقراص الغازية (~1/3) والمغناطيسية (~10%) تبدو محدودة. تشمل القنوات الأخرى وجود كوكب ضخم يحقن الكويكب الأصلي ثم يشتيت شظاياه، ما يحفز طحنًا سريعًا وقرصًا أكثر دائرية (§VerasEtAl-2021,LiEtAl-2021).
يوسع نموذج القرص المدمج الموجود مسبقاً (MalamudEtAl-2021) النموذج الأساسي بإضافة قرص دائري مدمج داخل نصف قطر روش، يفسر فائضاً أساسيًا تحت الأحمر. تنشأ تداخلات بين التيار المدّي المنحرف والقرص المدمج عبر تصادمات تولد غبارًا جديدًا وتخلق الغاز، فتفسر التقلبات والعبور غير المعتاد. يعتمد معدل دوران الشظايا الصغيرة على توزيع حجمها، فتبدأ إنتاجية الغاز من الشظايا الدقيقة ثم تنتقل للأكبر حتى يتوقف الإنتاج حين يندمج القرص أو يختفي.
يقدّم هذا النموذج حلاً موسّعاً للتباينات المرصودة في الأقزام البيضاء الملوثة، ويعزّز فهمنا للعلاقة بين الغبار والغاز والتقلبات، ما يجعله محوراً من أكثر المجالات نموّاً في علم الفلك الحديث.
تتضمن دراسة أقراص الحطام الملوثة للأقزام البيضاء تحليل المواد المتراكمة من الأجسام الكوكبية المحيطة. خلال العقدين الماضيين، أدت التطورات في تقنيات الرصد والتلسكوبات إلى اكتشاف مستمر لأقزام بيضاء ملوثة وأقراصها، رغم ندرتها النسبية.
طُورت نماذج نظرية لتفسير نشأة الأقراص وعمليات التلوث، معتمدة على التفاعلات الجاذبية والتفكك والاصطدامات المدية. ورغم النجاحات، لا يزال فهم الآليات الدقيقة وتنوّع التركيبات وتغيرات العبور والأشعة تحت الحمراء تحدياً مستمراً.
يبشر المستقبل بمزيد من الاكتشافات عبر المسوحات كبيرة النطاق والتلسكوبات المتقدمة مثل جيمس ويب، فضلاً عن تطورات نظرية تعزز فهمنا لتشكل وتطور أقراص الحطام حول الأقزام البيضاء الملوثة.