الكبح المغناطيسي للنجم المزدوج

أخطبوط ينتظر باسطًا أذرعه. لا أحد يتحكم في أذرعه من مركز واحد، لكن بمجرد أن تلمس الفريسة إحداها، تلتف الأذرع الثمانية حولها. وقد أعاد الفيزيائيون إنتاج حيلة مشابهة في المختبر باستخدام جسم لا يملك خلايا عصبية ولا عضلات: بوليمر نجمي بأذرع ذاتية الحركة. صُنع البوليمر من روبوتات اهتزازية أسطوانية صغيرة على لوحة مهتزة.

مفاعل الاندماج النووي من نوع ستيلاراتور يشبه شرنقة مغناطيسية ملتوية ببراعة. مهمته هي احتجاز البلازما شديدة الحرارة لكي تندمج نوى الهيدروجين وتنتج الطاقة. لكن الشكل ثلاثي الأبعاد للشرنقة يخلق فجوات: بعض الجسيمات تهرب إلى الخارج، خاصة الأسرع منها، وهي التي تحمل الحرارة الأساسية.

نجمان يدوران حول بعضهما البعض، ويقتربان تدريجيًا. رقصتهما تفقد طاقة، وهذه الطاقة تذهب إلى الفضاء — على شكل موجات جاذبية، وأحيانًا مجالات أخرى. تساءلت مجموعة من الفيزيائيين بقيادة ستيفن هوكينج (رغم أنه ليس مؤلف هذا العمل، إلا أن اسمه مألوف للكثيرين): ما مقدار الدوران الذي يحمله كل جسيم من هذا الإشعاع بالضبط؟ اتضح أن الحساب دقيق للغاية.

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.

التشابك الكمي — ظاهرة ترتبط فيها حالات جسيمين أو أكثر ببعضها البعض بغض النظر عن المسافة بينهما — عادةً ما يربط الخصائص الداخلية مثل اللف المغزلي أو الاستقطاب. ومع ذلك، في العمل الجديد، تم لأول مرة تحقيق تشابك للمواضع نفسها لذرتين في الفضاء.

داخل النجم النيوتروني، تنضغط المادة بشدة لدرجة أن النوى الذرية تلتصق ببعضها في خيوط طويلة وألواح مسطحة. يطلق الفيزيائيون الفلكيون على هذه البنى اسم "المعكرونة النووية". على سطحها، تنخفض كثافة المادة إلى ما يقارب الصفر — كما لو كنت تغوص من هلام كثيف إلى هواء رقيق. هذا الانحدار الحاد هو ما يخلق التأثير غير العادي.

مصباح شارع يومض عندما يمر به شخص. هذا تقريبًا ما يفعله أقرب نجم إلينا، بروكسيما سنتوري، إذ يشتعل استجابةً لحركة كواكبه. رصد علماء الفلك هذا النجم باستخدام أداة حساسة للغاية تُدعى المطياف ESPRESSO، الذي يلتقط الضوء ويحلله إلى ألوانه مثل المنشور. لاحظ العلماء أن الكوكب الصغير بروكسيما d (بحجم المريخ) يجعل النجم يومض في لحظات محددة بدقة من مداره.

أن تُمسك برقم هاتف في ذهنك بينما تطلبه — هذه هي الذاكرة العاملة. في الدماغ، تتولى مجموعة من الخلايا إرسال الإشارات لبعضها البعض، مثلما يمرر الناس دلوًا على طول سلسلة. لكن لكل تمريرة ثمن: هناك حاجة إلى مواد ناقلة، وهي تُستنفد. إذا لم تُجدَّد، تتوقف السلسلة وتضيع الفكرة. في العمل الجديد، أُضيفت إلى هذه السلسلة خلايا مساعدة — الخلايا النجمية.

نجمان يدوران حول مركز مشترك، يبتلعان الغاز من السحابة المحيطة. حول كل نجم وحول الزوج بأكمله تتشكل أقراص دوارة من الغاز. ومن هذه الأقراص، كما لو كانت خراطيم، تنطلق نفاثات. داخل الأقراص، يختلط الغاز باستمرار — هكذا يعمل عدم الاستقرار المغناطيسي (magnetorotational instability).

عندما يصطدم جسمان ثقيلان، لا يبقيان دائمًا في مكانهما. فالثقوب السوداء عند اندماجها تتلقى ركلة قوية — مثل ارتداد طلقة نارية، لكن بدل البارود يعمل انحناء الزمكان. هذه الركلة قد تقذف الثقب الجديد من مركز المجرة أو حتى إلى خارجها. حلل مؤلفو الدراسة بيانات مرصدي LIGO وVirgo لموجات الجاذبية على مدى عدة سنوات.

النجم 31 أكويلا هو نجم مسن انتفخ وأصبح عملاقًا فرعيًا. كان يشبه الشمس في يوم من الأيام، لكنه الآن برد وكبر حجمه. يدور ببطء شديد — تستغرق الدورة الواحدة أيامًا عديدة. رصد العلماء هذا النجم لمدة 50 عامًا ولاحظوا أن مجاله المغناطيسي لا يتغير مثل الشمس، بل يظل ثابتًا. يعمل المجال المغناطيسي للنجم مثل الكابح: فهو يتشبث بالغاز المحيط ويبطئ الدوران.

تفقد النجوم المزدوجة سرعتها كما يبطئ المتزلج الفني دورانه بمد ذراعيه جانباً. في الزوج المتراص، ينقل أحد النجوم المادة إلى قزم أبيض. المجال المغناطيسي للنجم المانح، المكون أساساً من الهيدروجين، يشبك الغاز المتسرب ويقذفه بعيداً — كما لو أن ذراعي المتزلج تسحبان الدوران نحو الخارج. هذا الكبح المغناطيسي يقلص الفترة المدارية للنظام.

القمة الدوارة تدور أبطأ فأبطأ حتى تتجمد. للنجوم النيوترونية — البقايا فائقة الكثافة للنجوم المنفجرة — "فترة تجمد" خاصة بها. في دراسة جديدة، لاحظ علماء الفلك أن فترات دوران نوعين من هذه النجوم — النجوم المغناطيسية (ذات المجال المغناطيسي القوي جدًا) والنجوم النيوترونية الخافتة في الأشعة السينية — تتجمع حول قيم متقاربة بشكل مدهش: حوالي 12 و14 ثانية.

البلاط العادي يُرتب في نمط دوري — يتكرر الشكل مرارًا وتكرارًا. لكن الذرات، تلك "الطوب" الأساسي للمادة، تُظهر سلوكًا أكثر دهاءً: في ظروف معينة، تترتب تلقائيًا في فسيفساء معقدة لا يتكرر نمطها أبدًا — مثل لوحات القيشاني القديمة بتناغمها غير الدوري الصارم.

ورقتان مكدستان تتصرفان بشكل مختلف عن كل منهما على حدة. وكذلك الحال في عالم البلورات ثنائية الأبعاد: إذا أخذت طبقتين من مادة بسمك ذرة واحدة ووضعتهما فوق بعضهما البعض مع إزاحة طفيفة، فقد تتغير خصائصهما المغناطيسية كليًا. هذا بالضبط ما أظهرته الحسابات لمركبات MA₂Z₄ — وهي قريبات لمركب MoS₂ المعروف على نطاق واسع، والتي اكتُشفت في عام 2020.

النجم الشاب RY Tau يشبه قمة دوّارة متقلبة. حوله يدور قرص مسطح من الغاز والغبار — بقايا السحابة التي وُلد منها النجم. جزء من مادة القرص يجذبه النجم إليه مثل المكنسة الكهربائية، وجزء يطرده على شكل مخروط ضيق من الريح، مثل نافورة. رصد علماء الفلك هذا النجم لمدة 11 عامًا، من 2013 إلى 2024، وفي كل ليلة صافية سجّلوا طيف النجم وسطوعه.

لمدة ثلاثة عشر عامًا متواصلة، سجّل مرصد سويفت الفضائي «تنفّس» النباض GX 301-2 في نطاق الأشعة السينية. كل بضع دقائق، كان جهاز BAT يسجّل كمية الإشعاع الصادر من هذا الثنائي — نجم نيوتروني ورفيقه الضخم. وإذا ما وُضعت كل التسجيلات على رسم بياني واحد، لا نرى خطًا مستقيمًا بل موجات: السطوع يرتفع تارة وينخفض تارة أخرى.

في هذا السيناريو، يعمل الكون كطاولة بلياردو عملاقة. الكواكب الخارجية الضخمة — العمالقة الغازية مثل المشتري — تلعب دور الكرات الثقيلة. عند الاقتراب الشديد، تنقل جزءاً من طاقتها المدارية إلى العوالم الداخلية الخفيفة — كواكب من النوع الأرضي. هذه «الضربة بالعصا» الجاذبية يمكن أن تقذف كوكباً صغيراً خارج نظامه النجمي الأم، فيتحول إلى عابر سبيل حرّ الطيران — كوكب خارجي بلا نجم خاص به.

النجم الصغير يشبه الدوامة متعددة الطبقات: طبقاته الخارجية تدور ببطء، والداخلية أسرع. المجال المغناطيسي هنا يشبه خيوطاً قوية تربط هذه الطبقات. عندما تختلف السرعات، تبدأ الخيوط بالالتواء والتمدد أكثر فأكثر. وفي لحظة ما تنقطع، فيتحطم المجال البسيط ثنائي القطب (مثل المغناطيس المستقيم) ويحل محله مجال ضعيف وفوضوي.

عندما تقترب نجمان في رقصة كونية، يصاحب حركتهما تمايل إضافي — وهو نتيجة انحناء الزمكان (تأثير تنبأ به Albert Einstein في النسبية العامة). الكوكب الذي يدور حول هذا الثنائي يتعرض أيضًا لهذا التمايل.

تهاجر الطيور مستعينةً بالمجال المغناطيسي. يوجد في عيونها بروتين الكريبتوكروم. يلتقط الضوء الشمسي، وخاصة الأزرق، ويبدأ التفاعل. يؤدي امتصاص الضوء إلى تكوين زوج من الجسيمات شديدة الحساسية للمجال المغناطيسي. تحت تأثير المجال، تغير هذه الجسيمات مواقعها النسبية، مما يسبب تيارًا كهربائيًا ضعيفًا في البروتين.