تسارع فيرمي

في عام 1929، وجّه إدوين هابل تلسكوبه نحو المجرات البعيدة واكتشف أنها تبتعد عنا. وبعد تسعين عامًا، قياسان لسرعة هذا التباعد — أحدهما من الضوء القديم والآخر من النجوم القريبة — يرفضان بعناد التوافق. فارق 9% لا يمكن إرجاعه إلى خطأ في القياس. وكأن الكون في طفولته وفي نضجه يعيش بساعتين مختلفتين. تخيّل أرجوحة خشبية.

مصيدة ضوئية تُمسك بذرة شبه ثابتة — ككرة صغيرة على نابض لين. لكن بمجرد ظهور تسارع، مثل قوة الجاذبية، يتحول التوازن. تنزاح الذرة في موجة ضوئية واقفة، وهذا يغيّر المعدل الذي تتبادل به الطاقة مع المجال. يصبح تردد هذا التبادل مؤشرًا مباشرًا على التسارع. حسب المؤلفون نموذجًا تبدأ فيه الذرة والمجال من الحالة الأكثر هدوءًا، ثم حلّوا معادلات الديناميكا بدقة.

الفرن محمّى حتى التوهج الأبيض، لكن مسحوق السيراميك يبقى هشًا. يُفعَّل المجال الكهربائي — وخلال ثوانٍ قليلة تنضغط المادة وتتصلب وتتحول إلى كتلة متراصة صلبة. تُسمى هذه التقنية بالتلبيد الومضي (flash sintering)، وهي توفر ساعات من الحرق وجيجاوات من الطاقة. لكن ما الذي يحدث بالضبط للذرات لحظة الوميض، ظل لغزًا. جاء الحل من حسابات أجريت على حاسوب فائق.

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.

الطاقة المظلمة — المادة الغامضة المسؤولة عن توسع الكون المتسارع — ربما لا تتصرف كعامل ثابت، بل كقوة متغيرة. أشارت البيانات الحديثة من مسح DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) إلى زيادة غير متوقعة في التسارع في الماضي الكوني القريب نسبيًا، وكأن "ضغط" الطاقة المظلمة زاد فجأة. التفسير الذي اقترحه العلماء لهذه الظاهرة لا يتطلب فيزياء غريبة.

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 السحب الهائلة من الغاز المخلخل التي تملأ الفضاء بين النجوم، يغلي شيء ما باستمرار. انفجارات المستعرات العظمى، والتيارات المتصادمة — كل ذلك يهزّ البلازما. وفي هذه التموّجات، كما تبيّن، يختبئ آلية توليد الحقول المغناطيسية.

الفضاء مليء بالمجالات المغناطيسية. توجد في المجرات والنجوم وحتى في الفراغات الكونية الشاسعة (فجوات هائلة بين تجمعات المجرات). يُعتقد عادةً أن هذه المجالات تتقوى من مجالات «بذورية» ضعيفة بفضل الاضطراب (turbulence) — تمامًا مثل مولد كهربائي. لكن طبيعة المجالات البذورية نفسها ظلت لغزًا. يقدم العمل الجديد آلية غير متوقعة.

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.

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.

النجم الضخم لا ينطفئ ببساطة — إنه ينفجر على هيئة مستعر أعظم، تاركًا وراءه بقايا متوسعة و نجمًا نيوترونيًا يدور بسرعة جنونية — نجمًا نابضًا. في هذه العاصفة الكونية تولد أنماط مذهلة، وكان نظام «نيمبوس» — «الرعد» مثالاً مبهرًا عليها. تتدلى البقايا كسحابة مطر، ويخترقها النجم النابض الفائق الصوت كصاعقة برق.

عندما تتحرك شحنة كهربائية بتسارع، فإنها تبعث إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، أي ضوءًا — وهي ظاهرة مألوفة في الفيزياء. ومع ذلك، اكتشف الباحثون أنه عند الحركة على مسار مُختار خصيصًا، يكتسب الإشعاع خصائص غير عادية. طاقة الفوتونات لا تتوزع بشكل عشوائي، بل تحتل مستويات منفصلة تمامًا، كما لو كان ركاب يمرون عبر بوابة دوارة واحدًا تلو الآخر.

في عشرينيات القرن الماضي، لاحظ إدوين هابل أن المجرات تتباعد — وهكذا اكتُشف توسع الكون. بعد عقود، قاس آدم ريس وزملاؤه السرعة عبر انفجارات المستعرات العظمى، ووجدوا: الكون يتوسع أسرع مما توقعت قياسات «صور الطفولة» — الشفق اللاحق للانفجار العظيم. سُمي هذا التناقض بتوتر هابل.

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.

عندما ينفجر نجم ضخم كمستعر أعظم، تتطاير طبقاته الخارجية في الفضاء بسرعة آلاف الكيلومترات في الثانية. تنشأ موجة صدمة — جدار هائل غير مرئي يكتسح الغاز والغبار بين النجمي مثل جرافة. في هذا الخليط، يمكن للجسيمات أن تتسارع إلى طاقات تعادل طاقة كرة تنس طائرة مضغوطة في بروتون واحد.

الفضاء بين النجوم ليس فارغًا: فهو مليء بغاز مخلخل، دافئ في بعض المناطق وبارد في أخرى. الحدود بين هذه المناطق تشبه الجدران بين فقاعات الصابون. عندما يصطدم جسيم فائق الطاقة — وهو شعاع كوني — بهذا الجدار، يتغير المجال المغناطيسي هناك بشكل حاد، ويرتد الجسيم مثل كرة ترتد عن الحائط. تتبع العلماء ملايين من هذه الجسيمات في نموذج حاسوبي للمجرة.

حزمة الإلكترونات في المسرّع تشبه سربًا من الطيور: تطير في مجموعة متماسكة، لكنها مع الوقت تتفرق. عادةً، لإبقاء الجسيمات معًا، تُستخدم مغناطيسات ثقيلة. هنا استغنوا عنها — الحزمة ضغطت نفسها بنفسها. في تجربة على منشأة FACET-II، تم تمرير حزمة من 10 مليارات إلكترون (شحنة 1 nC) بطاقة 10 GeV عبر كومة من رقائق معدنية رقيقة. عندما تمر الحزمة عبر الرقاقة، ينعكس مجالها المغناطيسي عنها ويعود إليها.

تشبه الموجة الصدمية في الهالة الشمسية الدوي الصوتي الناتج عن طائرة، لكن بدل الهواء هناك بلازما شديدة الحرارة، وبدل الصوت هناك قفزة في الكثافة والمجال المغناطيسي. في 10 مارس 2024، مرت هذه الموجة عبر الجزء الغربي من القرص الشمسي. كانت ضعيفة لدرجة أن سرعتها تجاوزت السرعة المحلية للموجات المغناطيسية بنصف بالمائة فقط (عدد ماخ حوالي 1.005).

ليزر قوي يضرب هدفًا صغيرًا جدًا، فيتحول فورًا إلى سحابة من الغاز شديد الحرارة، وهي البلازما. داخل هذه السحابة تتولد مجالات مغناطيسية تلقائيًا. إنها، مثل أيادٍ غير مرئية، تمنع الحرارة من الهروب بحرية من المركز الساخن. ولهذا السبب تُعتبر هذه المجالات مهمة للاندماج النووي الحراري — العملية التي تغذي الشمس والتي يحاول البشر ترويضها على الأرض.

انفجار غاما هو مثل طلقة من مدفع كوني: وميض قصير لكنه مبهر، يخفت لمدة ثوانٍ ضوء مجرة بأكملها. لكن عند النظر إليه في أشد نطاقات غاما طاقةً (فوتونات ذات طاقة أعلى من غيغا إلكترون فولت)، غالبًا ما يضيع الإشارة في الضوضاء، مثل همس خافت في قاعة صاخبة. ابتكر علماء الفلك حيلة: جمع 330 من هذه "الهمسات" معًا لسماع الجوقة الجماعية.

حاصر الفيزيائيون سحابة من ذرات الليثيوم في مرنان بصري — بين مرآتين. يندفع الضوء داخله كما لو كان في غرفة صدى، منعكسًا مرارًا وتكرارًا، مما يجعل الذرات تصدر إشعاعًا متزامنًا. ينشأ الانبعاث الفائق — وهو انبعاث جماعي للفوتونات، يشبه الجوقة حيث تندمج الأصوات الفردية في صوت مدوٍ واحد. مثل ملعب يهتف في انسجام: همس كل فرد يتحول إلى إيقاع يصم الآذان. السر يكمن في الكثافة.

عندما يموت نجم ضخم وينفجر، فإنه يقذف ليس فقط الضوء، بل أيضًا جسيمات خفيفة غير مرئية. تنتشر هذه الجسيمات في جميع الاتجاهات بسرعة تقارب سرعة الضوء. لا يصل إلى الأرض سوى جزء صغير، ولكن من كل وميض تأتي دفعة خاصة. هذه الدفعات تتمدد على طول الطريق: الجسيمات السريعة تتجاوز البطيئة، وبحلول وقت الوصول قد تتمدد الدفعة على مدى عشرات الآلاف من السنين.

في كور الحداد، ينفخ تيار الهواء في جمر النار، وتشكل الموجات الصدمية فقاعات من الغاز الساخن. في مراكز المجرات، تقوم نفس العملية بواسطة ثقب أسود فائق الكتلة الثقب الأسود. نفاثاته البلازمية الضيقة، مثل منفاخ الحداد، تخترق الفضاء المحيط وتخلق فقاعات تُرى بالأشعة السينية.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده النووي الحراري، ينهار لبّه وتُقذف طبقاته الخارجية إلى الفضاء بسرعات تبلغ آلاف الكيلومترات في الثانية. هكذا يولد بقايا المستعر الأعظم — سحابة متوسعة من الغاز المضغوط بموجات الصدمة، تمتد على مدى سنوات ضوئية.

في عام 1961، اقترح ستانيسلاف أولام نموذجًا بسيطًا: جسيم يتحرك بين جدار ثابت وجدار آخر يتأرجح وفق قانون متعدد الخطوط. قد يبدو الأمر وكأنه مجرد بلياردو عادي. لكن خلف هذه البساطة كان هناك سؤال ظل يؤرق الفيزيائيين لعقود: هل يمكن للجسيم أن يتسارع إلى ما لا نهاية؟ الجواب كان مفارقًا. في النسخة الكلاسيكية، يكاد لا يحدث ذلك أبدًا. المدارات المتسارعة موجودة، لكنها نادرة جدًا لدرجة أنها تشكل مجموعة من القياس صفر.