التدفق الراديوي السريع

عاصفة رعدية في الطبقات العليا من الغلاف الجوي تدوم أجزاء من المليون من الثانية. يصطدم شعاع كوني، وهو بروتون أو نواة هيليوم، بجزيئات الهواء، فتنطلق إلى الأسفل سرب كامل من الجسيمات. معظمها يبقى متماسكًا، لكن أحيانًا يكتسب جسيم واحد طاقة كافية ليتقدم على البقية. عندها ينقسم الوابل إلى قسمين: تظهر حدبتان في المقطع الطولي، مثل صدى مزدوج لضربة واحدة. حتى الآن، شوهدت مثل هذه الزخات المزدوجة فقط في المحاكاة.

في قدر على الموقد، يبدأ الماء بالغليان من الأسفل، قبل وقت طويل من غليان الكل. فقاعات البخار ترتفع من القاع، رغم أن الموقد نفسه لم يسخن بعد. هذا تقريبًا ما يحدث في الغلاف الجوي للشمس قبل التوهج: تندفع تيارات المادة إلى الأعلى من الطبقات العميقة، رغم أن المصدر الرئيسي للتسخين، وفقًا للتصورات السابقة، لم يُشعل بعد.

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.

المجرة Mrk 590 تتصرف مثل مستقبل راديوي تارةً يلتقط الموجة وتارةً يغرق في الضجيج. ثقبها الأسود فائق الضخامة ظلّ لعقود يشتعل حينًا ويخفت حينًا آخر، وكان الفلكيون يترقبون كل "تشغيل" من هذا القبيل. في عام 2017 عاد المستقبل إلى الحياة من جديد، لكن التلسكوب الراديوي VLA لم يسمع الإشارة التي كانوا ينتظرونها.

تمر الموجات الراديوية من نجم نابض بعيد عبر الوسط بين النجمي، وفي طريقها تصادف بنى مغناطيسية غير مرئية بحجم المسافة من الشمس إلى الأرض. إحدى هذه البنى هي طبقة تيار، حيث يغير المجال المغناطيسي اتجاهه فجأة، مثل إبرة بوصلة قفزت من الشمال إلى الجنوب.

هذا مثل رقم قياسي في سباق المسافات القصيرة: لكسره، تحتاج إلى اندفاعة مثالية. لكن النوابض دون الميلي ثانية النجوم النابضة مسافة اندفاعها قصيرة جدًا. أسرع نابض معروف، PSR J1748-2446ad، يدور 716 دورة في الثانية، أسرع من خلاط المطبخ. لو كان بحجم الأرض، لتحركت نقطة على خط استوائه بسرعة تعادل 0.24 من سرعة الضوء.

على الشاطئ ليلًا تقف منارة. مصباحها شبه مُطفأ معظم الوقت، لكنه كل بضعة أيام، لجزء من الثانية، يومض بضوء يُرى من وراء الأفق. هذا بالضبط ما يفعله PSR J2108+5055: نجم نيوتروني في مجرتنا يظل صامتًا لسنوات، ثم يُطلق نبضة راديوية واحدة قادرة على أن تُطغى على أسراب النجوم.

على الشاطئ ليلًا تقف منارة. مصباحها شبه مُطفأ معظم الوقت، لكنه كل بضعة أيام، لجزء من الثانية، يومض بضوء يُرى من وراء الأفق. هذا بالضبط ما يفعله PSR J2108+5055: نجم نيوتروني في مجرتنا يظل صامتًا لسنوات، ثم يُطلق نبضة راديوية واحدة قادرة على أن تُطغى على أسراب النجوم.

التلسكوبات الراديوية هي آذان الفلك الحساسة: فهي تلتقط همس الراديو القادم من انفجارات بعيدة، وهدير المجرات، وطقطقة النجوم النابضة — النجوم النيوترونية التي تصدر نبضات دورية صارمة. لكن في بعض الأحيان يظهر في هذا الكورس صوت غير موجود في الفهارس. في عام 2003، نشأ مثل هذا الصوت في كوكبة العقاب: نقطة في السماء كانت صامتة راديويًا حتى وقت قريب، بدأت فجأة تتكلم. حصل المصدر على التسمية VT J1906+0849.

مترجم في اجتماع: تارةً يلتفت إلى كل حفيف في القاعة، وتارةً يغوص فجأة في مناجاة طويلة مع المتحدث. هذا بالضبط ما يفعله مصدر التدفقات الراديوية السريعة FRB 20240114A: في ساعة واحدة، تنهمر نبضاته بشكل عشوائي، لكن على مدى أشهر تترتب في انجراف يمكن التنبؤ به. خلال 214 يومًا من المراقبة بالتلسكوب الراديوي الصيني FAST، أصدر هذا الجسم 11,553 تدفقًا.

مترجم في اجتماع: تارةً يلتفت إلى كل حفيف في القاعة، وتارةً يغوص فجأة في مناجاة طويلة مع المتحدث. هذا بالضبط ما يفعله مصدر التدفقات الراديوية السريعة FRB 20240114A: في ساعة واحدة، تنهمر نبضاته بشكل عشوائي، لكن على مدى أشهر تترتب في انجراف يمكن التنبؤ به. خلال 214 يومًا من المراقبة بالتلسكوب الراديوي الصيني FAST، أصدر هذا الجسم 11,553 تدفقًا.

في ليلة 4 مارس 2020، رصد التلسكوب الفضائي TESS، الذي عادةً ما يكون مشغولًا بالبحث عن الكواكب الخارجية، ظاهرة غير عادية في مجرة بعيدة. ضوء الجسم AT 2020afjz اشتعل ثم خمد في غضون ساعتين فقط — أسرع من أن يبرد فنجان قهوة. هذه هي المرة الأولى التي يُرصد فيها وميض بهذه المدة في النطاق البصري من بدايته إلى نهايته. جاء الوميض من مجرة تبعد نحو 7 مليارات سنة ضوئية.

عندما تصطدم نبضة ليزر قوية بوسط غازي، فإنها تؤين الذرات — أي تنتزع الإلكترونات — وتسرعها إلى سرعات نسبية قريبة من سرعة الضوء. هذه الإلكترونات عالية الطاقة، أثناء مرورها عبر البلازما، تصدر إشعاعًا سينيًا، أشبه بأثر مضيء لجسيم سريع. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون نبضة ليزر واحدة تُنشئ أثرين من هذا القبيل تباعًا، لا أثرًا واحدًا.

المنارة لا تومض بشكل منتظم، بل بنبضات قصيرة ساطعة. النجم النيوتروني في النظام 4U 1323-62 هو مثل هذه المنارة في نطاق الأشعة السينية. فهو يجذب الغاز من نجم مجاور، وعندما يتراكم ما يكفي من المادة على سطحه، يحدث انفجار نووي حراري — وميض من الأشعة السينية.

المنارة لا تومض بشكل منتظم، بل بنبضات قصيرة ساطعة. النجم النيوتروني في النظام 4U 1323-62 هو مثل هذه المنارة في نطاق الأشعة السينية. فهو يجذب الغاز من نجم مجاور، وعندما يتراكم ما يكفي من المادة على سطحه، يحدث انفجار نووي حراري — وميض من الأشعة السينية.

يعمل الثقب الأسود في زوج وثيق مع نجم مرافق كمضخة جاذبية: يسحب الغاز من جارته، ويلفه في قرص تراكم متوهج، ومن وقت لآخر يقذف جزءًا من المادة بعيدًا في نفاثين نسبيين ضيقين. في عام 2021، أقام النظام الثنائي الأشعّي 4U 1543-475 مثل هذا العرض.

تضيء المنارة لجزء من الثانية ثم تنطفئ. يلتقط تلسكوب ميركات في جنوب أفريقيا مثل هذه الومضات في نطاق الراديو. وخلال فترة الرصد، التقط 27 مصدرًا جديدًا لم يرها أحد من قبل. النجوم النيوترونية هي بقايا نجوم منفجرة، انضغطت حتى صارت بحجم مدينة. وبعضها، مثل كشاف ضوئي تالف، يرسل أشعة راديوية ليس باستمرار، بل على دفعات قصيرة.

تبدو السماء ليلاً موحدة، لكنها في الحقيقة تحتوي على تكتلات — مجتمعات هائلة من المجرات تعمل كعدسات تعمل على انحناء ضوء الأجسام البعيدة. عندما يحدث انفجار راديوي قوي قصير في مكان ما من الكون، قد يمر مساره نحو التلسكوب الأرضي بالقرب من إحدى هذه التكتلات. التقط التلسكوب الراديوي الكندي CHIME على مدى عدة سنوات مئات الانفجارات الراديوية السريعة — ومضات تدوم أجزاء من الثانية.

تبدو السماء ليلاً موحدة، لكنها في الحقيقة تحتوي على تكتلات — مجتمعات هائلة من المجرات تعمل كعدسات تعمل على انحناء ضوء الأجسام البعيدة. عندما يحدث انفجار راديوي قوي قصير في مكان ما من الكون، قد يمر مساره نحو التلسكوب الأرضي بالقرب من إحدى هذه التكتلات. التقط التلسكوب الراديوي الكندي CHIME على مدى عدة سنوات مئات الانفجارات الراديوية السريعة — ومضات تدوم أجزاء من الثانية.

تخيل محاسبًا أحصى جميع المصانع والمستودعات والمتاجر، لكن الميزان لم ينطبق – نصف البضاعة يبدو وكأنه تبخر. هكذا تقريبًا بحث علماء الفلك لعقود عن المادة العادية في الكون الحالي. النجوم، الغاز في المجرات، البلازما في العناقيد – كل هذا معًا لم يعطِ سوى جزء مما يجب أن يكون وفقًا للحقب المبكرة.

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.

النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران، وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة، تصدر نبضات راديوية مثل المنارة. لكن بعضها يظل صامتًا معظم الوقت، ولا يطلق سوى نبضة واحدة من حين لآخر. تُعرف هذه الأجسام بالعابرات الراديوية الدوارة (RRAT). اكتُشفت قبل حوالي عشرين عامًا، لكنها ما تزال لغزًا.

النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران، وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة، تصدر نبضات راديوية مثل المنارة. لكن بعضها يظل صامتًا معظم الوقت، ولا يطلق سوى نبضة واحدة من حين لآخر. تُعرف هذه الأجسام بالعابرات الراديوية الدوارة (RRAT). اكتُشفت قبل حوالي عشرين عامًا، لكنها ما تزال لغزًا.

منارة تومض ليس كل ثانية، بل كل بضع دقائق أو حتى ساعات. هكذا تتصرف المتغيرات الراديوية طويلة الدورة — وهي مصادر كونية اكتُشفت مؤخرًا فقط. إشاراتها أبطأ من أن تصدر عن النجوم النابضة المعتادة (وهي نجوم نيوترونية سريعة الدوران)، لكنها أقوى من أن تُعزى إلى تداخل عشوائي.

في مكان ما في أعماق درب التبانة، تظهر من حين لآخر ومضات راديوية — نادرة ومنتظمة، كأنها دقات بندول بعيد. هذه الومضات الراديوية الطويلة الدورة اكتُشفت مؤخرًا فقط، وقد أربكت علماء الفلك على الفور.

شعاع مصباح يدوي يخترق الضباب. كلما كان الضباب أكثر كثافة، زاد تشتت الضوء وتأخر وصوله إلى العين. مبدأ مشابه يعمل مع ومضات الراديو السريعة، وهي نبضات غامضة فائقة القوة من مجرات بعيدة. تتفاعل موجاتها الراديوية، أثناء مرورها عبر الفضاء الكوني، مع الإلكترونات الحرة، وهي جسيمات منفصلة عن الذرات. هذا التفاعل يؤخر الإشارة: فكلما زاد عدد الإلكترونات في المسار، زاد التأخير.

شعاع مصباح يدوي يخترق الضباب. كلما كان الضباب أكثر كثافة، زاد تشتت الضوء وتأخر وصوله إلى العين. مبدأ مشابه يعمل مع ومضات الراديو السريعة، وهي نبضات غامضة فائقة القوة من مجرات بعيدة. تتفاعل موجاتها الراديوية، أثناء مرورها عبر الفضاء الكوني، مع الإلكترونات الحرة، وهي جسيمات منفصلة عن الذرات. هذا التفاعل يؤخر الإشارة: فكلما زاد عدد الإلكترونات في المسار، زاد التأخير.

حاول أن تميّز إيقاع طبلة بعيدة وسط ضجيج موقع بناء. الطرق التقليدية تبحث عن "توك-توك-توك" منتظم، لكن إذا كان عازف الطبول يعزف بشكل متقطع، بضربات حادة وفواصل، فقد لا تلتقط شيئًا. هكذا تقريبًا بحث الفلكيون عن إشارات دورية في إشعاع النجوم الزائفة (blazars) — النوى النشطة لمجرات بعيدة تقذف نحونا نفاثات قوية من الجسيمات، تُعرف بالنفاثات (jets).

أول لحظة في وجود الكون تشبه وترًا مشدودًا ضُرب فجأة. لقد اهتز، وتجمدت هذه الاهتزازات في شكل مجرات وفراغات. لكن الفيزيائيين يشتبهون في وجود اهتزازات أخرى — سريعة ومحلية، تقريبًا مثل دقات الطبول على خلفية لحن بطيء. يتعلق الأمر بالأوسيلونات (oscillons) — كتل من الطاقة ربما ظهرت في عصر التضخم (التوسع السريع للكون). إنها تشبه الفقاعات في الماء المغلي: تنشأ، وتعيش لبعض الوقت، ثم تنهار.

الومضة الراديوية السريعة هي وميض قصير لكن قوي من موجات الراديو قادم من الفضاء البعيد. أثناء وصوله إلينا، تمر الإشارة عبر سحب من الغاز المخلخل، وكلما زاد الغاز في الطريق، زاد تشتت الإشارة عبر الترددات. يطلق علماء الفلك على هذا التأخير اسم مقياس التشتت — وهو في جوهره «وزن» كل المادة على خط الرؤية. لكن هناك عقبة: بالنسبة لمعظم الومضات، لا نعرف مدى بعدها.

الومضة الراديوية السريعة هي وميض قصير لكن قوي من موجات الراديو قادم من الفضاء البعيد. أثناء وصوله إلينا، تمر الإشارة عبر سحب من الغاز المخلخل، وكلما زاد الغاز في الطريق، زاد تشتت الإشارة عبر الترددات. يطلق علماء الفلك على هذا التأخير اسم مقياس التشتت — وهو في جوهره «وزن» كل المادة على خط الرؤية. لكن هناك عقبة: بالنسبة لمعظم الومضات، لا نعرف مدى بعدها.

بدأ علم الفلك الراديوي (radio astronomy) بضوضاء غامضة التقطها هوائي كارل جانسكي، ونبضات إيقاعية أطلقت عليها جوسلين بيل بورنيل اسم 'الرجال الخضر الصغار' كتعبير أصلي. لكن أول منارة كوكبية حقيقية اشتعلت في عام 1955، عندما صادفت أجهزة الاستقبال عن طريق الصدفة إشعاع المشتري العشري (decametric) الذي ينقطع فجأة عند تردد 40 ميغاهرتز.

على الشمس تتردد الضربات بين الحين والآخر — إعادة الاتصال المغناطيسي في البلازما يطلق طاقة، مما يجعل الإكليل يتوهج. بعد كل ضربة من هذا القبيل، لا تزال الأمواج المغناطيسية الهيدروديناميكية تتردد في الحلقات البلازمية لفترة طويلة — مثل رنين الجرس المتلاشي.

ترسم الشمس باستمرار خربشات من الحقول المغناطيسية على سطحها. هذه الأنماط ليست مجرد تموجات، بل بصمة شفّرت فيها الطبيعة تحذيرات من الانفجارات. الانفجار الشمسي هو انفجار يطلق في دقائق طاقة تعادل مليارات القنابل النووية، مقذفاً تيارات من البلازما والإشعاع إلى الفضاء.

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.

يستمر الوميض جزءًا من ألف من الثانية، لكنه في هذه اللحظة يقذف من الطاقة ما تشعه الشمس في يوم كامل. تُلتقط هذه الإشارات، وهي ومضات راديو سريعة، بواسطة التلسكوبات منذ عام 2007، ولا يزال مصدرها لغزًا. يقدم العمل الجديد إجابة أنيقة: الأمر كله يتعلق بمضخم كوني. النجم المغناطيسي هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بمقدار كوادريليون مرة من مجال الأرض.

في عام 1967، التقطت جوسلين بيل بورنيل أول 'صوت' لنجم نيوتروني — النبضة الدقيقة لـالنباض. اليوم، يستمع علماء الفلك الراديوي إلى إشارات أكثر زوالاً — التدفقات الراديوية السريعة (FRB)، التي تدوم أجزاءً من الثانية وتأتي من مجرات بعيدة.

ظلت الانفجارات الراديوية السريعة - وهي نبضات راديوية تستغرق أجزاء من الثانية وتأتي من مجرات بعيدة - لغزًا لفترة طويلة. كانت طاقتها الهائلة، المحشورة في لحظات، تشير إلى أحداث كارثية على نجوم نيوترونية، ربما نجوم نابضة أو مغنطيسات. لكن فهم أين تولد الانفجارات بالضبط وما هي البيئة المحيطة بها، كان يعيقه غياب وسيلة تشخيص مباشرة.

ظلت الانفجارات الراديوية السريعة - وهي نبضات راديوية تستغرق أجزاء من الثانية وتأتي من مجرات بعيدة - لغزًا لفترة طويلة. كانت طاقتها الهائلة، المحشورة في لحظات، تشير إلى أحداث كارثية على نجوم نيوترونية، ربما نجوم نابضة أو مغنطيسات. لكن فهم أين تولد الانفجارات بالضبط وما هي البيئة المحيطة بها، كان يعيقه غياب وسيلة تشخيص مباشرة.