مراقبة البلازار

في أول مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، كان الكون محيطًا مظلمًا تتوهج فيه النجوم الأولى والثقوب السوداء. بعض هذه الثقوب السوداء كانت تقذف نفاثات ضيقة من البلازما بسرعة تقارب سرعة الضوء. إذا كانت هذه النفاثة موجهة نحو الأرض مباشرة، نراها كنقطة مضيئة: نجم زائف مضيء (blazar).

منارة على حافة المجرة تومض دون جدول زمني: تارة تصمت لسنوات، وتارة تطلق مئات التوهجات في يوم واحد. مثل هذه المنارة تحتاج إلى مراقب لا ينام ولا يشتت انتباهه. منذ عام 2008، يتولى هذه المهمة مرصد أشعة غاما Fermi GBM في مدار حول الأرض، وقد امتلأ سجله للتو بأكمل تسجيل في تاريخ المراقبة.

جسيم بطاقة $$10^{18}$$ إلكترون فولت يخترق الغلاف الجوي للأرض، وكأن كرة تنس تطير بسرعة 200 كيلومتر في الساعة وتصطدم بجدار. من أين تأتي هذه القذائف؟ يتناقش علماء الفيزياء الفلكية في ذلك منذ عقود. انفجارات أشعة غاما، وهي انفجارات قوية قصيرة الأمد لأشعة غاما، كانت منذ زمن طويلة مرشحة لدور المسرعات.

يقول المثل: المصباح الساطع في الضباب الكثيف يبدو خافتًا، بينما يُرى ضوء صغير في الهواء الشفاف من مسافة كيلومتر. شذوذ مماثل حيّر علماء الفيزياء الفلكية قبل نصف قرن تقريبًا.

في أبريل 2021، صوّبت هوائيات تلسكوب أفق الحدث (EHT) — الشبكة العالمية من المقاريب الراديوية المليمترية — نحو نقطة صغيرة في كوكبة العذراء. إنها النواة النشطة للمجرة 3C 279، الواقعة على بُعد 16,5 ميغا فرسخ، وهي واحدة من ألمع البلازارات وأكثرها تغيرًا.

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

البلازارات هي أشعة طويلة الأمد من الثقوب السوداء في مراكز المجرات. انفجارات أشعة غاما هي أقصر الومضات عند انفجار المستعرات العظمى أو اندماج النجوم النيوترونية. الأولى تعمل ككشاف دائم، والثانية كفلاش تصوير. لكن تلاشي ضوئهما يخضع للقانون نفسه - قانون التبريد السريع.

الكشاف يضيء أكثر فأكثر، لكن عند حد معين تحترق المصباح فجأة ولا يعود الضوء يتدفق. شيئًا مشابهًا رصده علماء الفيزياء الفلكية في النواة المجرية النشطة البعيدة ماركاريان 421. هذه مجرة نشطة ينطلق نفاثها البلازمي الساخن (jet) نحو الأرض تقريبًا تمامًا، مثل شعاع منارة كونية.

يرعى الحمار الوحشي في السافانا الأفريقية، وحوله تحوم سحابة من الذباب — الحُمير، وذباب التسي تسي، والبعوض. لكن بدلًا من أن تهبط بهدوء، تنتفض الحشرات وتخطئ الهدف وتصطدم بالجلد. السبب ليس في التمويه، بل في تركيب عين الذبابة. عين الحُمير فسيفساء من آلاف الأنابيب الصغيرة (الأوماتيذيا)، كل منها تنظر إلى نقطة معينة. عندما تقترب الذبابة من الجلد المخطط، تبدأ أوماتيذياها في «الجدال» مع الخطوط.

لطالما انتظر البحث عن ذكاء خارج الأرض إشارات هادئة ومتماسكة من الفضاء — نوعًا من «الصفير» في صمت الراديو. ومع ذلك، فقد خلقت تقنيتنا الأرضية خلفية راديوية متواصلة — أزيز مدينة ضخمة، ينبعث من جميع الاتصالات والرادارات ومحطات البث. إذا كانت النجوم المجاورة تمتلك هوائيات حساسة هوائيات، فهي تسمع هذا الضجيج بالفعل.

النفاثة البلازمية المنبعثة من مركز مجرة بعيدة تشبه نهرًا يتدفق من منبعه ويصبح تدريجيًا شفافًا. بالقرب من الثقب الأسود، يكون التدفق كثيفًا ومعتمًا للموجات الراديوية، مثل الماء العكر. فقط على مسافة معينة تصبح النفاثة "شفافة"، وهناك ترى التلسكوبات الراديوية النواة المضيئة. لكن هذه النواة ليست الثقب الأسود نفسه، بل هي النقطة التي تصبح فيها النفاثة مرئية لأول مرة.

قام تلسكوب فيرمي على مدى 17 عاماً بتسجيل أشعة غاما الصادرة من النوى النشطة لـالمجرات التي تحتوي على ثقوب سوداء عملاقة في مركزها. يشبه توهج نفاثاتها نشازاً فوضوياً: فهو يتغير باستمرار.

السماء الليلية مليئة بالمنارات التي تومض وفق جدول زمني. النجوم النابضة (pulsars) هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران، وتصل نبضاتها الراديوية بدقة الساعة. لكن هناك منارات أخرى: تظل صامتة لدقائق أو ساعات، ثم تُطلق فجأة نبضة واحدة، ثم تعود إلى الصمت. تُعرف هذه الأجسام بالراديوهات العابرة الدوارة (rotating radio transients)، وكانت تُعتبر حتى وقت قريب ظاهرة نادرة وغريبة.

في مركز مجرتنا يختبئ ثقب أسود هائل يُدعى الرامي A* — عملاق يمسك بالنجوم من حوله. يحلم علماء الفلك بالعثور على نجوم نابضة بالقرب منه: هذه المنارات الكونية تُرسل نبضات راديوية بدقة الساعات الذرية. إذا التقطنا نجمًا نابضًا في مدار حول الثقب الأسود، يمكننا قياس كيفية انحناء المكان والزمان في جواره. العمل الجديد يقدم نموذجًا واقعيًا لمثل هذه الملاحظات.

لمدة ثلاث سنوات متتالية، وفي كل ليلة، تتجه التلسكوبات نحو نقطة واحدة في السماء. هناك تقع المجرة Mrk 421، التي ينبعث من نواتها نفاث من الجسيمات موجه تقريبًا نحو الأرض تمامًا. تُعرف هذه الأجسام باسم النجوم الزائفة المزودة بنفاثات (blazars). الثقب الأسود في مركز المجرة يلف المادة في قرص، ويُقذف جزء منها إلى الخارج في حزمتين ضيقتين.

النجم النشط (blazar) هو مجرة بعيدة تنبعث من مركزها نفاثة بلازما موجهة نحونا تقريبًا. داخل هذه النفاثة، تتسارع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء وتصدر إشعاعًا قويًا. عندما يتوهج النجم النشط، يتغير سطوعه عشرات المرات خلال ساعات أو أيام، ومن شكل هذا التوهج يمكننا استنتاج ما الذي سرّع الجسيمات.

لمدة اثنتي عشرة سنة، ظل علماء الفلك على التلسكوب الراديوي LPA في بوشينو يستمعون إلى نفس المنطقة من السماء — الاتجاه نحو المجرّة 3C 33. خلال هذه الفترة، التقطوا ست إشارات راديوية قصيرة فقط، استمرت كل منها من دقيقة إلى أربع دقائق. تبيّن أن هذه الدفعات شديدة السطوع — وصل تدفقها إلى مئات اليانسكيات (وحدة سطوع المصدر الراديوي، مثل اللومن للمصباح، لكن لموجات الراديو).

أربع ذرات سيزيوم معلقة في الفراغ، تحجزها ملاقط ليزرية كأنها خرزات على خيط غير مرئي. حولها مرنان حلقي، مسار مغلق من المرايا، يجري فيه الضوء في دائرة دون عوائق. عندما يسقط شعاع اختبار على هذه السلسلة الصغيرة، يحدث أمر غريب: تبدأ الذرات بتبعثر الضوء ليس بالتساوي في كل الاتجاهات، بل في اتجاه واحد بشكل أساسي.