مصدر نيوترينو من الثقب الأسود

القمة الدوّارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن الهواء حولها يبدأ بالدوران بتناغم معها. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف الثقب الأسود: إذا كان دوّارًا، فيمكنه نقل طاقته إلى الجسيمات القريبة منه. تُسمى هذه العملية بالإشعاع الفائق (superradiance) — وهي تشبه صدى الصوت في الجبال، لكن بدلًا من الصوت تولد جسيمات جديدة.

بدأت القصة البوليسية الكونية بوميض هادئ في النطاق البصري. كان الجسم AT2019wzc يتوهج ويخفت ببطء مثل جمرة متوهجة. لكن بداخله كان يختبئ شيء أكثر طاقة — نبضات متكررة من الأشعة السينية اللينة، يسميها علماء الفلك ثورانات شبه دورية — انبعاثات قصيرة ولكن منتظمة من الإشعاع عالي الطاقة. تستمر هذه الثورانات لدقائق أو ساعات وتتكرر كل بضع ساعات أو أيام.

في مجرة السيجار البعيدة، هناك منارة غير عادية. إنها لا تضيء بالمعنى المألوف — بل تولد أشعتها في سحابة ملتهبة حول ثقب أسود يبتلع مادة نجم مجاور. تُسمى هذه الأجسام مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع. لمعانها في الأشعة السينية قوي لدرجة أنه يطغى على مجرات بأكملها. هذه السحابة — الهالة — تشبه مرجلًا يغلي. فيه تتخبط جسيمات البلازما بسرعات هائلة، وتتصادم وتتسارع.

في مراكز العديد من المجرات تختفي ثقوب سوداء عملاقة. يحيط بها سحابة كثيفة من البلازما الحارقة، التي تطلق توهجًا قويًا للأشعة السينية. في منطقة ضيقة، على بعد بضعة أنصاف أقطار جذبية فقط (وتُعرف بأنصاف أقطار Karl Schwarzschild — الحد الذي يختفي عنده حتى الضوء)، تتسارع البروتونات إلى طاقات هائلة. هنا مدخل المصنع الطبيعي.

في مايو 2020، سجل كاشفا LIGO وVirgo دفقة ثقالية GW200105. من بين العديد من الموجات الثقالية المشابهة، تميزت هذه الغرابة: مدار النجم النيوتروني والثقب الأسود المتصادمين لم يكن دائرة مثالية، بل قطعًا ناقصًا ممدودًا. الانحراف المركزي القابل للقياس نادر جدًا في مثل هذه الأنظمة.

تظل المادة المظلمة كخلفية جهيرة صامتة في السيمفونية الكونية - فهي لا تشع ضوءاً، لكن جاذبيتها تشكّل المجرات. كانت فيرا روبن أول من التقط هذا الإيقاع في سبعينيات القرن الماضي، بمراقبتها دوران النجوم.

إرفين شرودنغر تأمل كيف تحافظ الحياة على النظام رغم القانون الثاني للديناميكا الحرارية. لم يخطر بباله أن جزءًا من الإجابة يكمن في عدم استقرار النجوم العملاقة. أثبتت تجارب شين-شيونغ وو أن التفاعل الضعيف ينتهك التناظر المرآوي.

الثقب الأسود هو مكان تنكسر فيه القواعد المألوفة. في المركز، وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، تختبئ التفردية: نقطة ذات كثافة لا نهائية، يُسحب إليها كل ما يقع داخلها. كان من المفترض أن تعمل النظرية الكمومية على تلطيف هذه الصورة. كان كثيرون يأملون أن تعمل التأثيرات الكمومية على إذابة التفردية، كما تذيب الأمواج الرسم على الرمال.

في عام 1933، كان فريتز زفيكي أول من تحدث عن كتلة غير مرئية تمسك بعناقيد المجرات. وبعد عقود، رسمت فيرا روبين خريطة الدوران المجري، كاشفة عن الوجود الشبحـي لـالمادة المظلمة. واليوم نعرف أنها تتخلل الكون، لكن طبيعتها الجسيمية تظل عصية. أجهزة الكشف الأرضية تتنصت على همس تصادمات المادة المظلمة.

عندما يستنفد نجم هائل وقوده، ينهار قلبه مولّدًا مستعرًا أعظم ومرسلاً وابلاً نافذًا من النيوترينوات. في ثلاثينيات القرن العشرين، تنبأ فريتز زفيكي وفالتر بادي بولادة نجوم نيوترونية في مثل هذه الكوارث، بينما كشف هانز بيته عن عمليات الاندماج النووي…

في عام 2017، سجل تلسكوب آيس كيوب النيوترينوي في القارة القطبية الجنوبية جسيمًا بطاقة تقارب 290 تيرا إلكترون فولت قادمًا من أعماق الكون.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كانت المادة والمادة المضادة متساويتين تقريبًا. لكن شيئًا ما كسر التوازن — وإلا لكان كل شيء قد أفني إلى إشعاع، وبقي العالم فارغًا. أحد المرشحين لدور "المخرب" هو النيوترينوات اليمنى فائقة الثقل. وهي جسيمات توأم للنيوترينوات العادية، لكنها أثقل بمليارات المرات.

قبل حوالي عقد ونصف من الزمان، سجل مقراب فيرمي لأشعة غاما «فقاعات» غامضة – تجمعات بلازمية عملاقة، كما لو نُفخت بمنافيخ خفية، ترتفع لعشرات آلاف السنين الضوئية من مركز المجرة. أثارت طبيعتها جدلاً محتدماً فوراً: رأى فيها البعض أثراً لنفاثات الثقب الأسود الهائل الرامي A*، ورأى آخرون صداها لعصر عنيف من تشكل النجوم.

كرة من الوبر، شبكة عنكبوت غير مرئية، تلفّ الثقب الأسود. هذه الشبكة هي المادة المظلمة، التي لا تُصدر ضوءًا، لكنها بثقلها تتحكم في حركة النجوم في أطراف المجرات. لطالما رصد علماء الفيزياء الفلكية مثل هذه السحب «الوبرية» حول الأجرام الكونية ورَسموا ملامحها — كيف تنخفض الكثافة من المركز نحو الحافة.

في أعماق البحر المتوسط، حيث يضغط الماء بقوة مئات الأجواء، كانت شبكة من الكرات الحساسة للضوء تنتظر ضيفًا نادرًا. وقد جاء — نيوترينو حمل عبر سمك الأرض طاقة تعادل ضربة طوبة طائرة. لكن بدلاً من الطوبة، جسيم صغير، شبه غير محسوس، لكنه قادر على إخبارنا عن أكثر زوايا الكون اضطرابًا. سُمي هذا الجسيم KM3-230213A. وهو الأول في التاريخ الذي تتجاوز طاقته 100 إلكترون فولت (PeV).

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

النيوترينوات جسيمات خفية تقريبًا: تعبر الكواكب دون أن تلاحظها الذرات. لذلك كل رصدٍ هو حظ موفق. مؤخرًا، رصد كاشف تحت الماء KM3NeT نيوترينو بطاقة تفوق ملايين المرات ما تنتجه أقوى مسرعات الجسيمات على الأرض. وتقول دراسة جديدة: إنه ليس ضيفًا من مجرة بعيدة، بل رسالة من الكون المبكر.

عندما تنشطر نواة ذرية ثقيلة، لا تتطاير إلى نصفين متساويين. ينشأ أولًا جزءان يشبهان الكمثرى، متلاصقان بطرفيهما الرفيعين. ثم يبدأ مكان التلامس بالانسياب، كما لو أن قطرتين تندمجان ويصبح السطح مستويًا بسرعة. في هذه اللحظة القصيرة، يتحرك السطح نحو الداخل، وقد ترتد الجسيمات داخل النواة عنه، مثل كرة ترتد عن جدار يتحرك نحوها. هذا الارتداد يزيد من سرعتها.

يتصرف الثقب الأسود MAXI J1810-222 مثل مكنسة كهربائية عملاقة، لكن مع صمام عكسي: فهو يسحب المادة إلى داخله، ويقذف جزءًا منها مرة أخرى إلى الفضاء. هذا «التدفق العكسي» — الرياح النجمية — لاحظه علماء الفلك في وقت سابق، لكنهم رأوه فقط كبقعة ضبابية في الأشعة السينية. الآن جاءت المساعدة من مطياف RGS على متن القمر الصناعي XMM-Newton.

كاشف المادة المظلمة يشبه ميكروفونًا شديد الحساسية يستمع إلى الصمت. يلتقط دفعات حرارية متناهية الصغر — فونونات (phonons) — تنشأ عندما تصطدم جسيم ببلورة الكاشف. لكن بدلًا من الصمت، تسمع الأجهزة ضجيجًا لسنوات: عدد كبير من الإشارات الضعيفة التي تقل عن بضع مئات من الإلكترون فولت.

عندما ينفد الهيدروجين من نجمة مثل الشمس، تتمدد لتصبح عملاقًا أحمر، بينما يتراكم الهيليوم في نواتها. وفي لحظة ما، يشتعل الهيليوم — خلال ثوانٍ قليلة، تُطلق طاقة تعادل ما كانت النجمة تشعه على مدى آلاف السنين. وهذه هي ومضة الهيليوم. أثناء الومضة، ينشأ تدفق من النيوترينوات — وهي جسيمات لا تكاد المادة تعيقها.

يُعرف النظام الثنائي الثقب الأسود SS433 بأن ثقبًا أسود فيه يسلخ المادة عن نجم مجاور. جزء من الغاز يسقط في الثقب، وجزء يُقذف في نفاثين ضيقين يدوران مثل قمة الغزل. تُرى هذه النفاثات في نطاق الراديو والأشعة السينية. مؤخرًا، رصدت تلسكوبات H.E.S.S. وHAWC وLHAASO إشعاع غاما في مكان غير متوقع: ليس عند المصدر نفسه، بل على بعد مائة سنة ضوئية منه.

في قلب جبال الألب، على عمق نحو مئة متر، يقع مصادم الهادرونات الكبير (LHC) — أكبر مسرّع للجسيمات المشحونة في العالم. من وقت لآخر، تسجل كاشفاته ارتفاعات مفاجئة وغير مفسرة في الإشارات، أطلق عليها الباحثون اسم UFO (أجسام متساقطة غير محددة).

أطلق عليها علماء الفلك اسم "النقاط الحمراء الصغيرة" — وهي مجرات بعيدة تختبئ في نوىها ثقوب سوداء فائقة الكتلة محاطة بغلاف كثيف من الهيدروجين . هذا "التغليف" ليس مجرد تمويه كوني، بل آلية تسريع طبيعية. الثقب الأسود، أثناء ابتلاعه المادة من قرص التراكم، يقذف جزءًا منها مرة أخرى على شكل نفاثات نسبية ضيقة.

في الليل، تندفع رصاصات غير مرئية عبر السماء — إنها الأشعة الكونية. وهي نوى ذرية تسارعت إلى سرعات تقترب من سرعة الضوء. المجالات المغناطيسية للمجرة تخلط مساراتها، لذا من الصعب تحديد مكان ولادتها بدقة. لطالما كانت بقايا النجوم المنفجرة هي المشتبه به الرئيسي، لكن بالنسبة لأسرع الجسيمات لم تكن الأدلة كافية.

الضوء القادم من مصدر بعيد، عند مروره بجوار نجمة نيوترونية، ينحني مثل شعاع مصباح يدوي في مرآة ملتوية. أجرى الفيزيائيون الفلكيون تجربة عددية: أطلقوا أشعةً بالاتجاه المعاكس من الراصد نحو النجمة، وراقبوا الصورة التي سيراها التلسكوب. داخل النجمة، المادة مضغوطة لدرجة أن سلوكها يوصف بمعادلة بسيطة — كلما زاد الضغط، زادت الصلابة في المقاومة. النجمة النيوترونية هي بقايا انفجار نجمة ضخمة.

أكد بحث جديد أن موجات الصدمة في البلازما المحيطة بـ الثقوب السوداء فائقة الضخامة في مراكز المجرات تعمل مثل أمواج المحيط العاتية، فتعمل على تسريع البروتونات إلى سرعات تقارب سرعة الضوء.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، فاء الفضاء. المادة فائقة الحرارة التي اخترقت العالم أنتجت فقاعات عملاقة من طور جديد — تمامًا كما يُنتج السائل بخارًا. اصطدامات هذه الفقاعات سرّعت الجسيمات إلى طاقات لا يمكن تصورها في المسرّعات الأرضية. في هذا المرجل الفائر، وُلدت نيوترينوات فائقة الثقل — أقارب ثقيلة للجسيمات التي تنبأ بها فولفغانغ باولي.

في مركز العديد من المجرات يختبئ ثقب أسود — جسم تنبأت به حلول معادلات كارل شفارتسشيلد. حوله تمتد هالة محمّاة — منطقة من البلازما المتخلخلة المسخّنة إلى مليارات الدرجات. قياسًا على الهالة الشمسية، لكنها أكثر حرارة وكثافة بشكل لا يُقاس، وهي بمثابة مسرّع طبيعي للجسيمات.

الأشعة الكونية هي جسيمات أولية تحمل طاقة هائلة، وتخترق الفراغ بين المجرات. عندما يصطدم جسيمان من هذه الجسيمات وجهًا لوجه، قد تكون كثافة الطاقة عند نقطة الاصطدام كافية لتنهار لتشكل ثقبًا أسود بحجم نواة الذرة. لا يشكل أي خطر: فكما تختفي قطرة الماء فورًا على مقلاة محمّاة، فإن الثقب الأسود المجهري يتبخر بسرعة.

موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج نجم نيوتروني مع ثقب أسود تحمل بصمة الديناميكا المعقدة للزمكان. لفكّ هذه البصمة، يحسب الفيزيائيون سعات التشتت، أي الاحتمالات الكمومية لابتعاد الجسمين بزاوية معينة. لكن عندما يدور الثقب الأسود ويتشوه النجم النيوتروني تحت تأثير القوى المدّية، يتحول الحساب إلى متاهة من آلاف التكاملات.

في عام 2017، التقط كاشفا LIGO وVirgo موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين. وقد تلا ذلك وميض كيلونوفا (kilonova)، وهو انفجار كوني ساطع يُعتقد أنه مهد ولادة أثقل العناصر في الجدول الدوري. الذهب في المجوهرات، والبلاتين في المحفزات، واليوروبيوم في شاشات الهواتف الذكية، كل ذلك، وفق الأسطورة الجميلة، جاء إلينا من مثل هذه الكوارث. لكن عندما أعاد علماء الفلك حساب المخزون، تصدعت الأسطورة.