الأشعة الكونية

التوهج الأزرق في الماء حول المفاعل النووي هو ضوء يُولَد عندما يتجاوز جسيم مشحون سرعة الضوء في ذلك الوسط. اكتشف هذا التأثير بافيل شيرينكوف عام 1934، وقدم النظرية إيغور تام وإيليا فرانك. منذ ذلك الحين، أصبح إشعاع شيرينكوف أداة عمل: من كواشف الجسيمات إلى الفيزياء الفلكية.

تبدو السماء الليلية هادئة، لكنها في الحقيقة ممطورة بمطر غير مرئي من الجسيمات المشحونة، وهي الأشعة الكونية. يحاول العلماء منذ زمن طويل فهم أين تولد أكثرها طاقة. حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن مجرتنا تزود الجسيمات حتى طاقة تبلغ نحو 4 إلكترون فولت (EeV)، وهي ما يُسمى "الكاحل" في الطيف. لكن البيانات الجديدة تفرض إعادة النظر في هذا الحد.

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.

تبدو السماء الليلية هادئة، لكنها في الحقيقة ممطورة بمطر غير مرئي من الجسيمات المشحونة، وهي الأشعة الكونية. يحاول العلماء منذ زمن طويل فهم أين تولد أكثرها طاقة. حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن مجرتنا تزود الجسيمات حتى طاقة تبلغ نحو 4 إلكترون فولت (EeV)، وهي ما يُسمى "الكاحل" في الطيف. لكن البيانات الجديدة تفرض إعادة النظر في هذا الحد.

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.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة (في الغالب بروتونات وأنوية ذرية) تتحرك في الفضاء بين النجمي بسرعات تقارب سرعة الضوء. يمكن أن تتجاوز طاقتها طاقة الجسيمات التي تصل إليها أقوى المسرعات الأرضية بملايين المرات.

في يوليو 1969، بينما كانت مركبة «أبولو-11» متجهة إلى القمر، لاحظ رواد الفضاء شيئًا غير معتاد: ومضات ضوئية قصيرة تظهر حتى وأعينهم مغلقة. في البداية، عُزي الأمر إلى الإرهاق، لكن الومضات تكررت مع أطقم مختلفة. تدريجيًا، اتضح أن السبب هو الأشعة الكونية — تيار من الجسيمات المشحونة التي تندفع عبر الفضاء بسرعات هائلة. تمر هذه الجسيمات عبر المركبة، وعبر الجفون، وتصل إلى العين.

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.

النجم النابض PSR J1740+1000 هو نجم نيوتروني بحجم مدينة، يدور أسرع من خلاط المطبخ. بعد انفجار المستعر الأعظم، بقيت منه نواة فائقة الكثافة تعمل على تسريع الجسيمات المشحونة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هذه الجسيمات تنطلق إلى الفضاء، وكان يُعتقد سابقًا أنها تتطاير في كل الاتجاهات مثل رذاذ حجر يُلقى في الماء.

الأشعة الكونية ليست إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، بل هي تيار من الجسيمات المشحونة، معظمها بروتونات ونوى ذرية، تقصف الأرض من كل اتجاه بطاقات تتراوح بين المتواضعة والهائلة بشكل خيالي. عندما يطير مثل هذا الجسيم نحونا، ويعترض طريقه القمر أو الشمس، فإنه يُمتص بواسطة الجرم السماوي. وخلفه ينشأ «ظل» — منطقة لا تصل إليها الجسيمات، وتسجل الكواشف فيها إشارات أقل.

بروتون أو نواة ذرية، مسرّع إلى سرعة هائلة، يصطدم بالغلاف الجوي للأرض — فيتولد شلال من مليارات الجسيمات الثانوية. هذا الزخة الجوية الواسعة تندفع نحو السطح، بينما تلتقط التلسكوبات الحساسة توهجها الخافت — إشعاع فلوري ينشأ عند إثارة جزيئات الهواء. من شكل التوهج، يحدد الفيزيائيون مدى عمق اختراق الزخة للغلاف الجوي ومما تتكون. لكن هناك دقة.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون. وجودها يُستدل عليه من تأثيرها الجاذبي على حركة النجوم والمجرات، لكن تكوين هذا الهيكل يظل لغزًا. إحدى الفرضيات هي جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. وهي بالكاد تتفاعل مع المادة العادية، لكنها في حالات نادرة قد تُظهر نفسها.

في أعماق جليد القطب الجنوبي، على عمق يقارب الكيلومترين ونصف، يعمل تلسكوب غير عادي. إنه لا يتجه نحو السماء، بل عبر الأرض. هدفه هو النيوترينوات، وهي جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، وتخترق الكواكب والنجوم. لكن في بعض الأحيان، يصطدم نيوترينو بجزيء جليد، فيولد وميضًا ضوئيًا قصيرًا تلتقطه آلاف المجسات الحساسة. هذه الإشارات الضوئية تراكمت على مدى اثني عشر عامًا.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء يبرد بشكل غير متساوٍ. في بعض المناطق، ربما نشأت عيوب طوبولوجية (topological defects) — طيّات في الفضاء، خيوط طاقة رفيعة كالشعرة لكنها كثيفة بشكل لا يصدق. يسميها الفيزيائيون الأوتار الكونية. هذه الأجسام أحادية البعد تهتز وتتصادم وتصدر موجات جاذبية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه.

في مركز مجرة بعيدة، حيث يدور ثقب أسود فائق الكتلة بكتلة تعادل مئة مليون شمس، تخترق الفضاء مجالات مغناطيسية. وهي ملتفة في دوامات شديدة — مثل قمع في صدفة، لكن بدلاً من الماء هناك بلازما متسارعة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هنا تحديداً، على الموجات الصادمة، تولد جسيمات بطاقة لا يضاهيها أي مسرّع أرضي.

خمسة عشر عامًا من أرصاد تلسكوب أشعة غاما Fermi كشفت عن صدع في أرضية المجرة. إلى الجنوب من العنقود Westerlund 1 – وهو أضخم تشكل النجوم شاب في درب التبانة – تم اكتشاف توهج ممتد يطابق تجويفًا في الهيدروجين الذري.

خمسة عشر عامًا من أرصاد تلسكوب أشعة غاما Fermi كشفت عن صدع في أرضية المجرة. إلى الجنوب من العنقود Westerlund 1 – وهو أضخم تشكل النجوم شاب في درب التبانة – تم اكتشاف توهج ممتد يطابق تجويفًا في الهيدروجين الذري.

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 المحيط الصامت للمجرة، لربما اختارت الحضارات الناضجة منذ زمن استراتيجية غير متوقعة: فبدلاً من المنارات الصاخبة، تنثر يراعات هادئة — منارات ليزرية بين نجمية ذاتية التشغيل، تنجرف في الفراغ وتُسقط ومضات ميكروثانية. هذه «بذور الاتصال» غير مرتبطة بنجومها الأم ولا تخبو في ضيائها.

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.

اليد الخفية لـ المادة المظلمة تضغط المجرات في أحضان الجاذبية، لكن طبيعتها تظل مراوغة منذ قرابة قرن. كان فريتز زفيكي قد اشتبه بوجود كتلة مخفية في العناقيد، وأظهرت فيرا روبين أن النجوم عند الأطراف تدور بسرعة كبيرة - وكأن قائد أوركسترا خفي يدفعها.

قبل نصف قرن، لاحظ Фриц Цвикки أن المادة المرئية في تجمعات галактик غير كافية بشكل كارثي لتفسير الجاذبية. ونعلم اليوم أن جزءًا كبيرًا من المادة العادية — وهي الباريونات نفسها — يختبئ في بلازما متخلخلة بين النجوم والمجرات، في شبكة عملاقة من водорода وгелия.

الأشعة الكونية لا تنتقل في خط مستقيم. فالجسيمات المشحونة، التي تسارعت إلى سرعات هائلة، تتعرج في المجال المغناطيسي للمجرة، مثل حبيبات الغبار في تيار الرياح. يُفترض عادةً أنها تتبعثر ببساطة على طول خطوط المجال وعبرها. لكن المجال يحتوي على انحناءات ودوامات تجعل الجسيمات تنزلق أيضًا جانبياً، مثل متزلج ينحدر على منحدر بشكل مائل.

الكون عبارة عن أوركسترا هائلة تعزف سيمفونية التوسع. تتباعد المجرات على إيقاع موسيقى غير مسموعة لـ الطاقة المظلمة. لكن المشكلة أن عصا القائد التي يحملها إدوين هابل وآدم ريس وفيرا روبين تحدد إيقاعين غير متوافقين.

خرطوم إطفاء يصيب كومة ثلج. الماء لا يزيح الثلج فحسب، بل عند نقطة الاصطدام تتطاير رذاذ وبخار ويحدث دوي. هذا تقريبًا ما تفعله النفاثات — تيارات ضيقة من المادة تنطلق من محيط الثقب الأسود بسرعة هائلة. عندما يصطدم مثل هذا التيار بسحابة من الغاز بين النجمي، فإنه لا يخترقها، بل يولّد موجة صدمة تضغط الغاز وتجعله يتوهج.

في كل ثانية، تمر عبر جسم الإنسان حوالي مئة جسيم غير مرئي تُعرف بالميونات. تولد هذه الجسيمات عاليًا في السماء عندما تصطدم الأشعة الكونية بذرات الهواء، ثم تهطل كالمطر على الأرض. هذه الجسيمات شديدة الاختراق لدرجة أنها تستطيع عبور مبنى متعدد الطوابق، لكنها تنحرف قليلًا عند مواجهة مادة كثيفة، مثل الرصاص أو اليورانيوم.

منافيخ الحداد تنفخ النار بقذف الهواء بقوة. في الفضاء، تلعب موجة الصدمة من المستعر الأعظم — وهو مفهوم قدمه فريتز زفيكي — دور هذه المنافيخ: فهي تدرك فقاعة عملاقة من الجسيمات المشحونة والمجالات المغناطيسية، المتشكلة حول النجم النيوتروني الدوّار — النباض، فتضغطها ويعزز المجال المغناطيسي.

السر وراء الانكسار الرئيسي في طيف الأشعة الكونية المجرية — الركبة عند 3 بيتا إلكترون فولت — ظل مخبأً قرابة قرن.

السر وراء الانكسار الرئيسي في طيف الأشعة الكونية المجرية — الركبة عند 3 بيتا إلكترون فولت — ظل مخبأً قرابة قرن.

في ظهيرة قائظة، يخيّم الخمول على المدينة، ولا تلوح في الأفق أي غيمة. عادةً في مثل هذا الطقس، لا يبقى سوى الانتظار حتى ترحم الطبيعة وترسل البرودة. ماذا لو أمكن تشغيل الظل والمطر وفق جدول زمني، مثلما نشغّل الضوء في الغرفة؟ تقترح مجموعة من الباحثين أداة غير معتادة لمثل هذا «الزر الجوي» — مسرّع بروتونات محمولًا جوًا.

يسقط حجر في بركة ماء، فتنتشر دوائر على سطحها. هكذا ينتشر الضوء القادم من المجرات البعيدة في كل الاتجاهات — بهدوء وانتظام. لكن في مركز بعض المجرات لا يختبئ حجر، بل مدفع حقيقي: يطلق جسيمات بقوة هائلة. يطلق علماء الفلك على هذه الأجسام اسم HSP BL Lac. وهي نوى مجرّات نشطة، حيث يقوم الثقب الأسود فائق الضخامة بلفّ المادة في قرص ويقذف نفاثات ضيقة من البلازما موجهة نحونا تقريبًا.

داخل البروتون حياة تعج بالحركة. الكواركات ليست مجرد جالسة هناك — بل تلصقها جسيمات ناقلة تسمى الغلوونات (من كلمة glue أي الغراء). عادةً، يكون هذا الغراء موزعًا بالتساوي، مثل الزبدة على المقلاة. لكن عندما تصبح الطاقات هائلة، تبدأ الغلوونات في التكتل. وهذا هو التكاثف الغلووني — حالة فائقة الكثافة للحقل اللاصق.

نجمان نيوترونيان — بقايا نجوم ميتة، مضغوطة إلى حجم مدينة لكن بوزن يعادل الشمس — يدوران حول بعضهما البعض وفي النهاية يصطدمان. في تلك اللحظة يولد شيء بين ثقب أسود ومغناطيس فائق القوة: مجال أقوى بمليارات المرات من أقوى جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي.

نهاية الكون ليست مجرد خفوت للضوء. إذا كانت الطاقة المظلمة — المادة الغامضة التي تسرّع توسع الكون — ستمزّقه إربًا في سيناريو التمزق العظيم، أو إذا تحول التوسع إلى انكماش يعيد كل شيء إلى نقطة شبيهة بـ الانفجار العظيم بالعكس، عندها يحدث التفرد — اللحظة التي تفشل فيها الفيزياء المألوفة.

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

في شرنقة غازية كثيفة حول نجم شاب ضخم، وكأنها في قارورة كيميائية عملاقة، تتصادم تدفقات من المادة. يتحرك أحدها بالنسبة لنا بسرعة حوالي 11 كيلومترًا في الثانية، والآخر حوالي 5. التقط تلسكوب أونسالا (في السويد) أصواتها الراديوية وحللها إلى مئات الخطوط الطيفية — بصمات الجزيئات. اتضح أنه في التدفق السريع، حيث يتركز معظم المواد العضوية، يحدث التأين بنشاط غير عادي.

الكون مليء بمادة غير مرئية — المادة المظلمة — التي تأثيرها الثقالي واضح، لكن تكوينها يظل لغزًا. إحدى الفرضيات تقترح أنها تتكون من جسيمات فائقة الخفة، كتلتها صغيرة جدًا لدرجة أنها تظهر خصائص موجية، مكوّنةً نوعًا من التموجات الكونية. لرصد هذه التموجات، لجأ العلماء إلى أكثر الساعات الطبيعية استقرارًا — النجوم النابضة.

الأشعة الكونية هي جسيمات أولية ونوى ذرية تأتي من أعماق الفضاء، وقد تسارعت إلى طاقات لا يمكن بلوغها في المختبرات الأرضية. عندما يصطدم مثل هذا الجسيم بذرة في الغلاف الجوي للأرض، يتولد زخة هوائية واسعة — سلسلة من الجسيمات الثانوية التي تولّد بدورها موجات راديوية. هذه الإشارات الراديوية هي بمثابة «بصمات أصابع» للجسيم الأولي: فمن خلالها يمكن استعادة طاقته الأصلية واتجاه وصوله.

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).