قياس الاستقطاب الفيزيائي الفلكي

تبدو السماء ليلًا هادئة، لكن في الواقع تمر عبرنا باستمرار جسيمات غير مرئية — الأشعة الكونية. من بينها إلكترونات وجسيماتها المضادة — البوزيترونات. عندما تصطدم بالكاشفات على الأقمار الصناعية أو البالونات، تسجل الأجهزة طاقتها. وهنا تبدأ اللغز: على الرسم البياني حيث يمثل المحور الأفقي الطاقة والمحور الرأسي عدد الجسيمات، لا نرى خطوطًا ناعمة بل انكسارات وتحدبات.

على الجدار — شرائط مضيئة وأخرى معتمة. هكذا يبدو الضوء وهو يطفئ نفسه. يعود إلى القرن السابع عشر افتراض Christiaan Huygens أن الضوء موجة. لكن تجارب أراغو وفرينل في بداية القرن التاسع عشر فقط أظهرت أن شعاعين يُنتجان هذه الشرائط فقط إذا كانت اهتزازاتهما في مستوى واحد. ساعد هذا الاكتشاف في فهم الاستقطاب — الاتجاه الذي تهتز فيه الموجة.

الضوء القادم من بداية الكون يصل إلينا بعد رحلة استمرت 13.8 مليار سنة. خلال هذه الرحلة، قد يكون استقطابه — أي اتجاه اهتزاز الموجة الكهرومغناطيسية — قد تعرض لدوران، مثل إبرة بوصلة تم تدويرها بخفة دون أن يلاحظ أحد.

المصباح اليدوي العادي يعطي ضوءًا تتذبذب موجاته في جميع الاتجاهات في آن واحد. لكن إذا مررنا الضوء عبر مرشح خاص، يمكننا الحصول على شعاع يتذبذب في مستوى واحد بدقة — وهذا هو الضوء المستقطب. عندما يمر هذا الشعاع عبر نسيج بيولوجي، فإن بنيته الداخلية تغيّر اتجاه التذبذب قليلًا. سابقًا، كانت هذه التغيرات توصف بكميات بسيطة مثل متوسط الالتواء أو فقدان الاستقطاب.

في مركز العديد من المجرات تدور خذاريف كونية ذات قدرة لا تُصدق: ثقوب سوداء فائقة الكتلة. أول من وصف طبيعتها هو شوارتزشيلد بعد أن قدّم أينشتاين للعالم نظرية النسبية العامة. السبين هو معامل أساسي مثل الكتلة، لكنه أكثر استعصاءً على الرصد.

الكون يعزف الصمت. تبقى حصة الأسد من المادة - حوالي 85% - غير مرئية، ولا تتجلى إلا من خلال الجاذبية. وقد أوضحت فيرا روبين أن المجرات تدور وكأن كتلة غير منظورة تغلفها. من بين المرشحين لدور هذه "السمفونية المظلمة" الحقول القياسية فائقة الخفة، وهي جسيمات بكتل تصل إلى 10⁻²² إلكترون فولت، تتصرف كموجات كمومية تملأ الهالة.

الثقب الأسود ليس مجرد صورة ظلية داكنة أمام النجوم. ظله محاط بحلقة مضيئة رفيعة من الفوتونات التي تلتف حول أفق الحدث قبل أن تنطلق نحو الراصد. عادةً، لا تعتمد هذه الصورة على استقطاب الضوء — أي على الاتجاه الذي تهتز فيه الموجة الكهرومغناطيسية.

في نظام ثنائي متقارب، يضيء النجم الساخن، ككشاف ضوئي، رفيقه الأكثر برودة. يتشتت جزء من الضوء على الإلكترونات الحرة في غلافه الجوي — وهذا هو تشتت تومسون — ويكتسب استقطاباً خطياً. مع تحرك النجمين في مدارهما، يدور هذا الاستقطاب، كعقرب بندول إيقاع كوني عجيب.

قمة دوارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنها تجعل الضوء حولها يلتف في حلزونات — هذه صورة معبرة لما يحدث عند أفق الثقب الأسود. البلازما شديدة الحرارة تسقط فيه وتصدر موجات راديو. استقطاب هذه الموجات (أي المستوى الذي تتأرجح فيه الموجة) يصبح سهمًا يشير إلى اتجاه تدفق الطاقة.

العمالقة الحمراء هي نجوم متقدمة في العمر ومنتفخة، استنفدت الهيدروجين في نواتها. في أعماقها يغلي محيط من البلازما: تندفع الحرارة من النواة إلى السطح، مولدة موجات تشبه المد العاتي. يعمل الحقل المغناطيسي داخل النجم كتضاريس تحت الماء غير مرئية – فهو يوجه هذه الموجات، ويغير ارتفاعها وسرعتها.

الموجات الثقالية هي اهتزازات في نسيج الزمكان نفسه، كما تنبأت النظرية النسبية العامة. حتى وقت قريب، كانت أجهزة الكشف مثل LIGO وVirgo تسجل فقط الشدة الكلية للإشارة، أي "جهارتها"، لكن لكل موجة أيضًا استقطاب، وهو الاتجاه الذي يهتز فيه الزمكان المنحني.

شعاع مصباح يدوي ينزلق على زجاج غير مستوٍ. الزجاج هو تجمعات هائلة من المجرات، والمصباح هو ضوء قديم وُلد بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. عند مروره بالقرب من هذه التجمعات، لا ينحني الضوء حولها فحسب، مثل الماء حول الحجر. بل ينزاح مساره قليلاً إلى الجانب، ويعتمد مقدار الإزاحة على كيفية "التفاف" الضوء — يمينًا أو يسارًا. هذا يشبه كرة القدم التي تنحرف في الهواء بسبب دورانها.

عندما يندمج اثنان من الثقوب السوداء، فإنهما يهزان نسيج الزمكان نفسه. العملاق الوليد لا يهدأ فورًا، بل يرن كجرس كوني، باعثًا نمطًا مميزًا من الموجات الثقالية المتضائلة - ما يُسمى بالرنين. في هذه التذبذبات تتشفّر كتلة الثقب ودورانه وبارامترات أخرى، لكن التقاطها مباشرة صعب للغاية.

ذراع نهر نجمي يلتف حول مركز مجرة بعيدة، مثل شريط مضيء على إطار غير مرئي. هذا الإطار هو الهالة المظلمة: سحابة ضخمة من المادة المظلمة غير المرئية، والتي تمسك النجوم والغاز بجاذبيتها. إذا كانت الهالة مفلطحة مثل القرع، أو مستطيلة مثل الشمام، فإن التيار النجمي سينحني بشكل مختلف. العلماء من فريق Potamides تتبعوا انحناءات 15 تيارًا في مجرات أخرى، ولأول مرة حصلوا على شكل الهالة منها.

النجم النيوتروني 4U 1735-44 يبتلع المادة من نجم مجاور. المادة تدور في قرص مسطح، مثل الماء المنسحب في مصرف الحمام. لكن هذا القرص يضيء بأشعة إكس، ولأول مرة تمكن علماء الفلك من قياس مدى "تمشيط" هذه الأشعة، أي استقطابها. ثلاثة تلسكوبات — IXPE وNICER وNuSTAR — رصدت الجسم في نفس الوقت. وتبين أن الاستقطاب ضعيف: 1.4% فقط بهامش خطأ 0.7%.

تصادم الجسيمات بسرعة هائلة يولد وابلاً من الجسيمات الجديدة. من بينها البروتونات المضادة، وهي توأم البروتونات العادية، لكن بشحنة معاكسة. لكل جسيم من هذه الجسيمات دوران ذاتي، مثل كرة تنس أُرسلت بلفة. لكن هل تكون البروتونات المضادة ملتوية عند ولادتها؟ لم يتحقق أحد من ذلك حتى الآن. البروتون المضاد هو جسيم له نفس كتلة البروتون، لكن بشحنة سالبة.

حول النجوم الفتية تدور أقراص من الغاز والغبار — وهي المادة الخام لكواكب المستقبل. داخل هذه الأقراص، لا تطير حبيبات الغبار عشوائيًا: بل تصطف على طول خطوط غير مرئية يتدفق عبرها الغاز. مؤخرًا، لاحظ علماء الفلك أن الحبيبات في هذه الأقراص تتصرف مثل كرات الريشة في لعبة الريشة الطائرة — فهي دائمًا تدور بحيث يكون جانبها الطويل في اتجاه الريح.

يمكن جعل شعاع الضوء يبدو كزهرةٍ ذات عدة بتلات. إذا مُرِّر هذا الشعاع عبر سحابة من ذرات الروبيديوم الباردة وشُغِّل المجال المغناطيسي، تبدأ البتلات بالدوران. ترتبط زاوية الدوران ارتباطًا مباشرًا بقوة المجال. عادةً، لقياس المجال المغناطيسي بالضوء، نحتاج إلى مستقطبات — ألواح خاصة تسمح بمرور الموجات ذات اتجاه اهتزاز محدد فقط. هنا لم تكن هناك حاجة إليها: فدوران البتلات يُرى حتى بدونها.

شعاع مصباح يدوي في الضباب يتفكك إلى آلاف البقع الضعيفة. كل بقعة منها هي ضوء انعكس عدة مرات عن قطرات الماء ولم يصل إلى العين إلا بعد ذلك. لفهم هذه الفوضى، يقوم الفيزيائيون بتكوين جدول خاص — مصفوفة التشتت. يُسجل فيه كيف يتحول كل شعاع وارد إلى مجموعة من الأشعة الصادرة. لم يأخذ مؤلفو العمل الجديد الضباب، بل كرة زجاجية واحدة — أبسط مشتت.

ضوء الليزر يشبه صفًا مثاليًا من الجنود في عرض عسكري: كل الموجات تهتز في مستوى واحد. هذا النوع من الضوء يُسمى مستقطبًا. في الدراسة الجديدة، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من الحصول على أشعة غاما مستقطبة عن طريق تصادم الإلكترونات مع نبضة ليزرية قوية.

نجم نيوتروني بحجم مدينة يدور أسرع من خلاط المطبخ ويقذف الجسيمات حوله. يتشكل حوله سحابة مضيئة تسمى الهالة النابضة (pulsar halo). يعتمد شكل هذه السحابة على الحقول المغناطيسية غير المرئية التي توجه الجسيمات مثل التيارات في المحيط. اتضح أن اثنتين من هذه الهالات، حول النجمين النابضين جيمينجا ومونوجيم، غير متماثلتين، وكان هذا مفتاح الحل.

الشمس ليست كرة هادئة. ففي داخلها تنتشر موجات باستمرار، كما في الجرس بعد قرعه. تصل هذه الاهتزازات إلى السطح وتكشف ما يحدث على الجانب البعيد غير المرئي. لطالما أتقن علماء الفلك «الاستماع» إلى هذا الرنين وتمكنوا من العثور على مجموعات كبيرة من البقع هناك. لكنهم حتى الآن لم يستطيعوا قول الشيء الأهم: أين يقع القطب المغناطيسي الشمالي للبقعة وأين يقع الجنوبي. يقترح العمل الجديد طريقة لتصحيح هذا الأمر.

وفقًا لـ نظرية أينشتاين، فإن الأجسام الضخمة تُحدث انحناءً في الزمكان، مثل كرة ثقيلة تُحدِث انحناءً في غشاء مطاطي. وعند تسارعها، تُولّد تموجات — موجات جاذبية، تشبه الدوائر التي يحدثها حجر في بركة ماء. عادةً ما تكون هذه التموجات من نوعين فقط: فهي تتمدد وتتقلص الفضاء بالتناوب. لكن بعض النظريات تتنبأ باهتزازات أخرى.

ألقِ حفنة من الحصى في بركة ماء، وستتقاطع الدوائر المتموجة، مكوّنةً مناطق ارتفاع وانخفاض. هذا ما تفعله تقريبًا الموجات الثقالية — تذبذبات في قياس الزمكان، التي تنبأ بها ألبرت أينشتاين في النظرية النسبية العامة. لكن الذي يهتز ليس الماء، بل الزمكان نفسه.

في مسرع جسيمات ضخم، حيث تصطدم البروتونات بسرعة قريبة من سرعة الضوء بهدف من النيون، تولد الباريونات المفتونة — جسيمات تعيش أقل من جزء من مليار من الثانية. تمكن علماء تعاون LHCb لأول مرة من قياس كيفية «دوران» هذه الجسيمات — بتعبير أدق، اتجاه سبينها — واكتشفوا فرقًا غير متوقع بين الجسيمات ونظيراتها المرآتية.

في السحابة المظلمة L43، حيث تولد النجوم، تدور حبيبات الغبار مثل بوصلات صغيرة. ضوء النجم الشاب يدفعها، بينما المجال المغناطيسي يصطفها في اتجاه معين. عندما تكون الحبيبة موجهة نحونا بجانبها، يصلنا دفؤها مستقطبًا — مثل الضوء الذي يمر عبر شق ضيق. من خلال هذا الاستقطاب، يقرأ علماء الفلك خريطة الخطوط المغناطيسية.

يمر ضوء النجم HD 163296 عبر القرص الغباري المحيط به، كما يمر شعاع مصباح يدوي عبر ماء عكر. تعمل جزيئات القرص على تشتيت الضوء، فيكتسب خاصية خاصة وهي الاستقطاب (polarization): تبدأ الموجات بالاهتزاز في مستوى واحد، مثل حبل يُهزّ عموديًا تمامًا.

يقع إشعاع التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر. فهو يخترق الملابس والورق والبلاستيك، لكنه يتوقف عند الماء والمعادن. لذلك تُستخدم هذه الموجات في أجهزة المسح الأمني ومراقبة جودة المواد. لكن لهذا الإشعاع خاصية أخرى وهي الاستقطاب، أي اتجاه اهتزاز الموجة. العديد من المواد تنقل الموجات ذات الاستقطابات المختلفة بطرق مختلفة، ويمكن استخدام ذلك لدراستها.

إشعاع الخلفية الكونية هو توهج خافت بقي بعد الانفجار العظيم، مثل أثرٍ يبرد من جمرة نار. وفيه مشفرة موجات ثقالية ربما نشأت في أجزاء من الثانية الأولى، عندما تمدد الكون أسرع من الضوء. لكن بيننا وبين هذا الضوء القديم يعلق غبار مجرتنا. فهو أيضًا يصدر إشعاعًا مستقطبًا — أي ضوءًا تهتز موجاته في اتجاه معين.

يمر الضوء القادم من المجرات البعيدة عبر عدسات التلسكوب كما يمر عبر كومة من زجاج النوافذ. كل زجاجة مغطاة بغشاء رقيق لتقليل الانعكاس. لكن هذا الغشاء يعمل كمرشح استقطاب: أحد مركبي موجة الضوء يمر بسهولة أكبر قليلًا، والآخر يمر بصعوبة أكبر قليلًا. ونتيجة لذلك، تدور الموجة قليلًا، ويرى التلسكوب صورة مختلفة عما هو موجود في السماء.

ارمِ حصيات على طول صف متراص من الأعمدة: ترتد وتتناثر في رذاذ كثيف. ارمها بزاوية، فتتشتت. تفعل أشعة غاما في البلورة الشيء نفسه — تخلق سلسلة من الجسيمات تنتشر ما لم تصطف الصفوف الذرية للبلورة تمامًا. اصطفها ضمن سُمك شعرة، فتصبح السلسلة شعاعًا مركزًا. عندها تتفوق بلورة صغيرة على أخرى كبيرة. عُرفت هذه الخدعة المحاذاتية منذ سبعينيات القرن الماضي، لكنها استُبعدت لكونها شديدة الحساسية للتلسكوبات.

الشمس ليست مجرد كرة، بل قصرًا مغناطيسيًا. خيوطها غير المرئية من القوى، مثل الأسلاك الكهربائية، تخترق الفضاء وتتحكم في الطقس الفضائي. لكننا حتى الآن كنا نرى هذه الأسلاك من باحة الدرج فقط — أي من مستوى مدار الأرض. أما دور العلية والقبو، المتمثل في القطبين المغناطيسيين، فظل لغزًا. في عام 2025، تسلل المسبار سولار أوربيتر، ككهربائي بمقياس متعدد، إلى الطوابق الخفية.

الثقب الأسود لا يمتص المادة فحسب، بل يعمل كدوامة كونية هائلة تحني نسيج الواقع نفسه وتجبر أشعة الضوء على الالتفاف حولها، مجمّعة إياها في بؤرة. يزداد التأثير قوة لدى الثقوب السوداء التي تدور بسرعة تقارب سرعة الضوء: فدورانها يلف الفضاء في لولب محكم.

الكون مليء بكتلة غير مرئية - المادة المظلمة - والتي لا تظهر إلا من خلال الثقالة. تفترض إحدى الفرضيات أن المادة المظلمة تتكون من ثقوب سوداء بدائية - أجسام تشكلت في ظروف قصوى مباشرة بعد الانفجار العظيم. قد تبلغ كتلة هذه الثقوب السوداء كتلة كويكب، ويكون حجمها أصغر من نواة الذرة.

في المغناطيس العادي، تشير جميع اللفات المغزلية للإلكترونات (وهي «أسهم» مغناطيسية داخلية، اكتشفها العالم باولي) في اتجاه واحد. أما المغناطيسات المتناوبة، مثل MnTe، فهي أكثر تعقيداً: اتجاه هذه الأسهم يتناوب، كما تتماوج المياه عند إلقاء حجر. لكن هذا التموج ليس عادياً، فهو ناتج عن حركة الإلكترونات نفسها.

في الليلة بين 9 و10 مارس 2024، كانت سحابة من البلازما قذفتها الشمس تتطاير بعيدًا عن النجم. لقد تجاوزت بالفعل مسافة خمسة أنصاف أقطار شمسية عندما التقطت شبكة أرضية من 352 هوائيًا في وادي أوينز بكاليفورنيا إشارة راديوية قصيرة منها. لم تكن تلك الإشارة ومضة أو ضجيجًا؛ بل كانت بشكل يتعرف منه الفيزيائيون على بصمة المجال المغناطيسي.

تلسكوب ACT في صحراء أتاكاما التشيلية كان يراقب السماء من عام 2007 إلى عام 2022. هدفه هو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وهو الضوء الذي يصل إلينا بعد رحلة استغرقت 13.8 مليار سنة. هذا الضوء مستقطب، أي أن موجاته تهتز في مستويات محددة، مثل أوتار مشدودة في اتجاهات مختلفة. في كون متناظر تمامًا، كانت هذه المستويات ستبقى ثابتة. لكن بيانات ACT تشير إلى عكس ذلك.

طيف الإلكترونات الكونية يشبه بصمات الأصابع في مسرح الجريمة. الجسيمات القادمة من أعماق المجرة تحمل في طاقاتها آثار من أنتجها. لفترة طويلة، كانت الصورة ضبابية: أجهزة ذات نطاقات طاقة واسعة، مثل صور غير واضحة، لم تسمح برؤية التفاصيل. لكن مؤخرًا، حصل العلماء على صورة واضحة — طيف عالي الدقة قاسه جهاز ATIC بدقة تبلغ حوالي 3%. وظهرت عليه خطوط غير متوقعة.