محرك مركزي

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.

في مركز درب التبانة، حيث يحرك الثقب الأسود الهائل "القوس A*" سحب الغاز كما تحرك الطاحونة أحجارها، رصد علماء الفلك نبضًا غير منتظم. أشعة غاما، وهي أكثر أشكال الضوء طاقةً في الكون، تصل إلينا من هناك ليس كموجة منتظمة، بل مع انكسار، وكأن قلب المجرة ينبض بعدم انتظام.

أشعة غاما هي أكثر أشكال الضوء طاقة في الكون، وهي إشعاع كهرومغناطيسي بأطوال موجية قصيرة للغاية. لكن جزءًا منها، متوسط القوة، ظل غير مرئي لفترة طويلة: لم تستطع الأجهزة التقاطه، فبقيت فجوة في السماء. يسميها العلماء "فجوة الميغا إلكترون فولت"، نسبة إلى وحدة الطاقة التي تحملها هذه الأشعة، وهي الميغا إلكترون فولت.

يبدأ الانهيار الثلجي في كومة رملية بحبة رمل واحدة. لا أحد يعرف أين ستتحرك بالضبط أو مدى كبر الانهيار. لكن إذا سكبت الرمل لفترة طويلة، ستصل الكومة نفسها إلى حالة تحدث فيها الانهيارات بجميع الأحجام - من الانهيارات الصغيرة إلى الانهيارات العملاقة - وفقًا لنفس القانون. يسمي الفيزيائيون هذا بالتنظيم الذاتي الحرج: نظام بدون تحكم خارجي يحافظ على نفسه عند الحد الذي قد يكون فيه كل حدث هو القشة الأخيرة.

عندما يموت نجم يفوق كتلة الشمس بعدة مرات، ينكمش ثم ينفجر كمستعر أعظم. ليس هذا مجرد وميض ضوئي؛ فالعملية برمتها، من انهيار النواة إلى تطاير الغلاف، تُحدث ارتعاشًا في نسيج الفضاء نفسه. تُعرف هذه الموجات باسم الموجات الثقالية (gravitational waves).

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.

يشبه الكون هيكلًا خفيًا ضخمًا. لا نراه مباشرة، لكننا نعلم بوجوده: فالمجرات وعناقيدها تتماسك بفضله. هذا الهيكل هو المادة المظلمة، وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية. النسخة الأكثر شيوعًا تقول إنها «باردة» وتتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة.

295 000 متر في الثانية. حتى الجسيمات في الانبعاثات الإكليلية للشمس لا تندفع بهذه السرعة. لكن في مركز العنقود المجري H1821+643، يتحرك الغاز الساخن بهذه الطريقة تمامًا. الكوازار في قلبه يزفر - وأنفاسه تحرك كل شيء حوله على مسافة 60 ألف سنة ضوئية.

استنفد النجم وقوده وهو ينكمش بسرعة تحت ثقله. وفقاً للمفاهيم الكلاسيكية، ينهار إلى نقطة ذات كثافة لا نهائية — التفرد. ولكن ماذا لو كانت الطبيعة لا تحتمل اللانهايات؟ في نماذج الثقوب السوداء المنتظمة، لا ينشأ تفرد في المركز، بل نواة كثيفة من مادة غير معروفة. هذه المادة لم تكن موجودة في النجم أصلاً — بل تولد مباشرة أثناء الانهيار.

في قلب مجرة هيدرا-أ العملاقة، يغلي العمل. يطلق الثقب الأسود فائق الكتلة نفاثتين قويتين من البلازما تُعرفان بالجيتات (jets). تخترقان سحابة الغاز الحارق المحيطة وتنفخان فيها فقاعات هائلة. ولأول مرة، أتاح التلسكوب الياباني الجديد XRISM قياس السرعة التي يرتجف بها هذا الغاز ويتحرك. XRISM مرصد للأشعة السينية أُطلق عام 2023.

لطالما حير لغز المادة المضادة في الكون علماء الفيزياء الفلكية: من أين تأتي البوزيترونات التي تترسب كرقائق الثلج في الكواشف؟ قد يكمن الجواب في أكثر أشكال خلفية غاما انتشارًا. فالكون مشبع بضوء متبعثر — خلفية الفوتونات الكونية (CPB).

في أعماق الكون، عندما ينهار نجم ضخم إلى ثقب أسود أو يولد نجم مغناطيسي، يشتعل انفجار أشعة غاما — للحظةٍ يطغى على جميع نجوم الكون المرصود.

لطالما بحث علماء الفلك عن 'مصانع' لأكثر الأشعة الكونية طاقة - جسيمات تحمل في طياتها عالما كبيرا مضغوطا إلى حجم نواة الذرة. كانت الشبهات تدور حول مناطق تشكل النجوم الضخمة مثل الدجاجة OB2، حيث تتصادم رياح العمالقة الشباب. لكن الطبيعة، كمحتال، أخفت قلب المسرع في مكان آخر - داخل نظام ثنائي ضيق.

قد يكون الهمهمة المنخفضة القادمة من تحت الأرض ضجيج موقع بناء بعيد، وقد تكون صدى لزلزال قديم. لغز مماثل واجه علماء الفلك عندما التقطوا في عام 2023 موجات ثقالية فائقة الانخفاض في التردد الموجات الثقالية — ارتعاش الزمكان نفسه المندفع عبر الكون.

في دراسة حديثة، أظهر علماء الفيزياء الفلكية كيف تؤثر فيزياء ما قبل إعادة الاتحاد، وخاصة الطاقة المظلمة المبكرة، على الانحدار الطيفي $$α_s$$ وبالتالي على جدوى سيناريوهات تشكل الثقوب السوداء البدائية من طور الانحدار فائق البطء (USR) أثناء التضخم. بدمج بيانات Planck وACT وSPT وDESI، وجد العلماء أن إدخال الطاقة المظلمة المبكرة يزيح $$α_s$$ بشكل منهجي نحو القيم الموجبة، مما يعزز التناقض مع القيم السالبة المميزة لنماذج USR.

عندما أمعن JWST النظر في الكون الفتي عند انزياحات حمراء تتراوح بين 6 و10، اكتشف تناثراً من 'النقاط الحمراء الصغيرة' (LRD) الغامضة. جمعت هذه الأجرام بين سمات المجرات والنوى النشطة، لكن أطيافها رفضت الانصياع للأنماط المألوفة. كانت مدمجة، قرمزية، تشع بقوة هائلة - وبدا وكأنها تنتهك قوانين نمو الثقوب السوداء.

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

في مكان ما في أعماق الفضاء، يومض منارة راديوية لجزء من الثانية ثم ينطفئ. تُعرف هذه الإشارات بالومضات الراديوية السريعة. تأتي من مجرات أخرى وتستمر من ميكرو ثانية إلى ميلي ثانية. في هذه اللحظة الوجيزة، يطلق الوميض طاقة تعادل أقوى الانفجارات على النجوم النيوترونية في مجرتنا درب التبانة.

لغز الانفجارات الراديوية السريعة (FRB) ليس مجرد سؤال "ما الذي انفجر هناك؟". إنها دراما نقل الطاقة في ظروف قصوى، حيث يؤدي أدنى توقف إلى الانهيار. عندما اكتشفت جوسلين بيل بورنيل النجوم النابضة، سمع علم الفلك الراديوي لأول مرة الصرخة المتماسكة للنجوم النيوترونية.

في كوكبة العقاب، على بُعد نحو 40 ألف سنة ضوئية منا، يعمل أحد أقوى المسرّعات الطبيعية في المجرة. إنه الميكروكويزار GRS 1915+105، وهو زوج من نجم عادي وثقب أسود. يجذب الثقب الأسود مادة النجم إليه ويقذفها على شكل نفاثتين ضيقتين، تتسارعان إلى ما يقارب سرعة الضوء.

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.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يعيش ثقب أسود فائق الضخامة — عملاق صامت تدور حوله النجوم والغاز وثقوب سوداء أخرى أصغر حجمًا. بين الحين والآخر، ينحرف أحد هذه الأجسام عن مداره ويبدأ بالسقوط نحو الوحش المركزي في حلزون يتقلص باستمرار. يستمر هذا السقوط لسنوات، وطوال هذه المدة يصدر النظام موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تنتشر عبر الكون.

كرتان ثقيلتان من الفراغ المظلم تتجهان نحو بعضهما البعض وتصطدمان وجهاً لوجه تماماً. هذه ليست لعبة بلياردو — بل تصادم ثقبين أسودين متساويين الثقب الأسود. الصدمة تولّد ارتجاجاً في الفضاء نفسه — الموجات الثقالية. الجزء الأكبر من هذا الارتجاج هو هدير منخفض يسميه الفيزيائيون إشعاع الكبح. طيفه شبه مسطح: عند جميع الترددات تكون الطاقة متساوية تقريباً.

الموجات الثقالية — وهي تموجات في نسيج الزمكان تنشأ عن كوارث بعيدة مثل اندماج الثقوب السوداء — ضعيفة جدًا لدرجة أن رصدها مباشرة يشبه تمييز همسة وسط إعصار. غير أن الثقب الأسود قادر على تضخيم هذه الإشارة عدة مرات.

إذا ضغطت حفنة من الرمل، فستصبح أكثر كثافة، ولكن في مرحلة ما ستصطدم حبيبات الرمل ببعضها البعض — ولن يكون هناك مجال لمزيد من الضغط. بطريقة مماثلة، وفقًا لبعض المنظرين، يتصرف الفضاء على مسافات صغيرة جدًا: له حد للقسمة، نوع من "الحبيبات". في هذه الدراسة الجديدة، طُبق هذا المبدأ على نشأة الثقوب السوداء في الكون المبكر — تلك التي قد تفسر مما تتكون المادة المظلمة.

العديد من الثقوب السوداء محاطة بمجالات مغناطيسية. تدور الثقب فتسحب معها الزمكان المنحني، تمامًا كحدافة الآلة، وتشغّل المصنع الكوني. وعندما يميل المجال المغناطيسي بالنسبة لمحور الدوران، يصبح حزام إنتاج المصنع فعالاً بشكل خاص – وينشأ مجال كهربائي بقوة هائلة.

المصباح اليدوي لا يضيء دائرة متساوية، بل بقعة ساطعة في المنتصف وهالة ضبابية على الأطراف. إذا أطفأته بسرعة، فإن الأطراف هي آخر ما يخفت، ومن طريقة تلاشي الضوء يمكن تخمين شكل العاكس. هكذا تقريبًا يعمل انفجار غاما: عندما يطلق نجم منهار نفاثة ضيقة من البلازما، نرى فقط قلبها، وكل شيء آخر مخفي.

ينهار نجم ضخم، ويُولد ثقب أسود، محاط بقرص من البلازما الحارة. لكي تندفع من هذا القرص نفاثات ضيقة، تحتاج إلى مجال مغناطيسي منظم. لكن داخل النجم يكون المجال متشابكًا.

في عام 2017، التقطت الكاشفات ارتجاجًا في الفضاء — الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين. وفي اللحظة نفسها، رأت التلسكوبات وميضًا. هكذا، ولأول مرة، تحدّث حدث واحد بلغتين في آنٍ واحد: لغة الضوء ولغة الجاذبية. لكن كلما طال أمد مراقبة الفلكيين للتوهج الخافت، بدا سلوكه أغرب.

ظل مركز درب التبانة يحير علماء الفلك لفترة طويلة: حول الثقب الأسود فائق الكتلة القوس A* يُسجل فائض من أشعة غاما وهي أكثر أنواع الموجات الكهرومغناطيسية طاقة.

في قلب درب التبانة، هناك شيء يتوهج — لكن ليس بضوء النجوم، بل بأشعة غاما غير المرئية للعين.

ثقب أسود صغير — بحجم ذرة، لكنه ضخم كجبل. لم يولد من نجم، بل في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، وظل طوال هذا الوقت يفقد كتلته بهدوء، مُصدرًا حرارة. في نهاية حياته، يسخن لدرجة أنه يطلق في ثوانٍ تدفقًا من الجسيمات يعادل طاقة انفجار نجمي كامل. هذا «العرض الوداعي» هو ما اشتبهوا به في حدث النيترينو الذي سجله كاشف KM3NeT.

ينشغل المترجم بكل حفيف في القاعة، فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. هذا تقريبًا ما تفعله الغلوونات (gluons) — الجسيمات الناقلة للقوة النووية الشديدة داخل البروتونات. عادةً ما تندفع ذهابًا وإيابًا ممسكة بالكواركات معًا. لكن عند التصادمات بسرعات هائلة، كما يحدث في المسرعات الكونية، يمكن للغلوونات أن تلتصق في كتلة كثيفة — تكاثف غلووني (gluon condensate).

في كل ثانية، تخترقنا مقذوفات غير مرئية قادمة من أعماق الكون. هذه هي الأشعة الكونية — نوى ذرية تم تسريعها إلى سرعات لا تكاد تختلف عن سرعة الضوء. طاقتها أكبر بمئات الملايين من المرات من تلك المتاحة في أقوى مسرعاتنا.

نارٌ أُشعلت من كحول نقي تشتعل بحرارة عالية ولا يكاد يتصاعد منها دخان. هكذا تقريبًا كانت تُضيء النجوم الأولى، إذ لم تكن تحتوي على عناصر ثقيلة، بل فقط الهيدروجين والهيليوم المتبقيين بعد الانفجار العظيم. ربما تمكن تلسكوب «جيمس ويب» من رصد إحدى هذه «النيران» في المجرة GN-z11.

يجري النهر نحو الدوامة، لكن في طريقه سدٌّ به فتحة. معظم الماء يتجمع أمام السد، لكن جزءًا منه، بعد أن يرتفع، يعبر فوقه ويسقط مباشرة في القمع. هكذا هو الحال مع الغاز في المجرة: إنه يتدفق نحو المركز، لكنه يصطدم بحلقة من النجوم والغاز — إنها مثل السد. عادةً ما يتوقف كل شيء هناك، ملتفًا في دوامة كثيفة.

رصد التلسكوب الراديوي ASKAP في أستراليا حلقة ضوئية باهتة جدًا في سماء نصف الكرة الجنوبي — مثل فقاعة صابون بحجم عدة أقمار. داخل الحلقة، في المركز تمامًا، تلمع نقطة صغيرة. عادةً ما تعني هذه الصورة شيئًا واحدًا: انفجر نجم هنا في الماضي، تاركًا غلافًا يتمدد، وفي المنتصف نواة منهارة. لكن لهذا الثنائي خصوصية. بجوار النقطة المركزية نجم عادي — قزم أحمر، خفيف وبارد.

في مجرة بعيدة، على مسافة يقطعها الضوء في 11 مليار سنة، انفجر شيء ما. رصد تلسكوب الأشعة السينية Einstein Probe وميضًا قصيرًا كوخزة إبرة، استمر بضع عشرات من الثواني فقط. لكن الأمر الأكثر إثارة بدأ بعد ذلك: بعد أيام، في الضوء المرئي العادي، زاد سطوع الجسم تدريجيًا مرة أخرى. هذا يشبه سيارتي سباق انطلقتا من خط واحد لكن بسرعتين مختلفتين.

انفجار أشعة غاما GRB 221009A توهج بسطوع هائل لدرجة أنه وُصف بأنه «الأكثر سطوعًا على الإطلاق». رصد مرصد LHAASO منه كمات غاما بطاقة تصل إلى 13 تيرا إلكترون فولت — أي أكبر بآلاف المرات من طاقة الجسيمات في أجهزة الأشعة السينية.