أشعة غاما

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.

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.

في السماء الجنوبية، خلف حجاب كثيف من الغبار الكوني، يختبئ مصدر لأشعة غاما — وهي أكثر أشكال الضوء طاقةً في الكون. إنه يضيء بسطوع شديد لدرجة أن إشعاعه يخترق هذا الحجاب، لكن الجسم نفسه يظل غير مرئي للتلسكوبات البصرية. وجّه علماء الفلك تلسكوب ALMA الراديوي نحو السحب الغازية المجاورة ورصدوا نمطًا كشف النقاب عن هذا الجسم الخفي.

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.

الإلكترون ليس مجرد جسيم نقطي. إنه سحابة احتمالية موزعة في الفضاء. عندما تصطدم هذه السحابة بنبضة ليزر قوية، يمكن أن تبعث فوتونًا عالي الطاقة – كم غاما. وهذا الفوتون قد لا يكون عاديًا، بل ملتفًا مثل البرغي، حاملًا زخمًا زاويًا مداريًا. كان يُعتقد سابقًا أن التفاف الفوتون يعتمد فقط على خصائص الليزر والجسيمات القادمة.

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.

ثماني نقاط مضيئة في السماء الراديوية. إنها نفس الكوازار HS 0810+2554، الذي مر ضوءه عبر عدسة جاذبية — مجرة ضخمة في المقدمة. لكن التفسير المعتاد بتوزيع أملس لـالمادة المظلمة في العدسة يترك فجوة: المواقع المتوقعة للنقاط تختلف عن المشاهدات بعدة ملي ثانية قوسية.

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 عام 2021، رصد مرصد LHAASO كمات جاما بطاقة تزيد عن بيتا إلكترون فولت من مصادر مثل سديم السرطان — بقايا انفجار مستعر أعظم، في مركزه ينبض نجم نيوتروني. سافرت هذه الجسيمات آلاف السنين، ومجرد وصولها يشكك في ثبات ثبات لورنتز — المبدأ الذي ينص على أن سرعة الضوء في الفراغ مطلقة ومتساوية لجميع المراقبين.

تحقيق كوني استمر عقدًا ونصف العقد أسفر عن دليل غير متوقع. تلسكوب فيرمي، الذي يمسح السماء في أشعة جاما، رصد توهجًا خافتًا ومنتظمًا يحيط بمجرة درب التبانة بأكملها. إنه لا يشبه ضوء النجوم أو الغاز الساخن — بل يشبه ضبابًا باهتًا لكنه شامل.

اصطدام نجمين نيوترونيين هو بمثابة معمل كوني تُصاغ فيه أثقل عناصر الجدول الدوري خلال ثوانٍ. في عام 2017، التقطت الكواشف موجات ثقالية من هذا الاندماج، ورصدت التلسكوبات وميضًا — كيلونوفا (kilonova). يتغذى توهجها على اضمحلال الأنوية غير المستقرة التي وُلدت في عملية الالتقاط السريع للنيوترونات (r-process). لكن لهذا المعمل الكوني مساعدين صامتين لم يُنتبه إليهم من قبل.

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.

منارة ترسل إشارة عبر عاصفة من المرايا الخاصة بها — هذا تقريباً ما تفعله الدفقات الراديوية السريعة عندما تحاول مغادرة محيط المغناطيس النابض. المغناطيس النابض هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بكوادريليون مرة من مجال الأرض. داخل غلافه المغناطيسي الداخلي، تتحول موجات الراديو بتردد الغيغاهرتز إلى موجات مغناطيسية صوتية خاصة وتدخل فوراً في رنين ثلاثي.

تولد النجوم في سحب باردة من الغبار الكوني والهيدروجين. داخل هذه الشرانق، طالما اعتُبرت النجوم الأولية — نوى النجوم المستقبلية — مجرد كتل ساخنة. لكن اتضح أن العديد منها عبارة عن مسرعات قوية: تقذف نفاثات ضيقة من الغاز، والتي عند اصطدامها بالمادة المحيطة، تولد ضوء غاما غير المرئي.

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.

الضوء يخترق غشاءً مجعداً — فيخرج مختلفاً قليلاً. وبالمثل تقريباً، تشعر الموجات الثقالية المولودة في الكون المبكر بالتوزيع غير المنتظم للمجرات والمادة المظلمة. تأثير ساكس-وولف (Sachs–Wolfe effect) هو إزاحة طفيفة في طاقة الإشعاع عندما يتسلق جاذبيةً أو ينزلق إليها.

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.

سرب من الكرات الجليدية الصغيرة متناثر في غرفة دافئة. بعضها يذوب أسرع، والبعض الآخر أبطأ، لكن عندما لا يتبقى منها سوى بقع رطبة، تختفي جميعها بنفس الطريقة: آخر قطرة تتبخر وفقًا لنفس القانون. هذا تقريبًا ما تفعله الثقوب السوداء البدائية — أجسام افتراضية وُلدت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم. أخفها تعيش منذ زمن طويل ثوانيها الأخيرة، ويخضع تبخرها النهائي لسيناريو عالمي.

نجم ميت بمجال مغناطيسي أقوى بمليارات المرات من مجال الأرض — هذا هو المغناطيسار (magnetar). تنشق قشرته، وينطلق وميض قوي من الأشعة السينية إلى الفضاء. لكن جزءًا من هذا الضوء لا يصل إلينا بشكله المألوف. ففي المجال فائق القوة، يمكن للفوتونات أن تتحول إلى موجات جاذبية — ارتعاش في الزمكان نفسه.

الموجات الثقالية هي تموجات في نسيج الزمكان نفسه، تشبه اهتزازات وتر كوني عملاق. أجهزة الكشف التقليدية، مثل LIGO وVirgo، تلتقط "النغمات" منخفضة التردد — وهي اضطرابات ناتجة عن اندماج ثقوب سوداء ضخمة بكتل نجمية. ومع ذلك، توجد أيضًا موجات ثقالية عالية التردد — وهي ارتجافات فائقة السرعة بترددات في نطاق الميغاهرتز والغيغاهرتز.

موجة صادمة تنطلق من سطح نجم — وفي لحظة وجيزة يولد وميض مبهر من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. هذا الحدث، الذي أطلق عليه اسم EP260321a، رصده تلسكوب الفضاء «أينشتاين» في مارس 2026. استغرق الضوء حوالي 450 مليون سنة للوصول إلى الأرض. بعد الوميض، شاهد علماء الفلك مستعرًا أعظم SN 2026gzf — انفجار نجم ضخم فقد طبقاته الخارجية.

لأول مرة، تم تحويل ليزر مصنعي، يُستخدم في المصانع لقطع ولحام المعادن، إلى مسرّع جسيمات. أخذ الفيزيائيون ليزر إتيربيوم قياسيًا — قلبه بلورة بحجم كف اليد — وحوّلوا ومضاته إلى أداة لتسريع الإلكترونات حتى接近 سرعة الضوء. في السابق، كانت مثل هذه الحيلة تتطلب أنظمة ليزر فريدة بحجم غرفة كاملة، أما هنا فيكفي جهاز صناعي عادي.

أجرى علماء الكونيات مواجهة بين نوعين من الانفجارات الكونية. المستعرات العظمى من النوع Ia هي نجوم تتوهج بسطوع شبه متطابق، لذا فهي بمثابة منارات موثوقة لقياس المسافات في الكون. أما أشعة غاما فهي أقوى بكثير ولكنها أكثر تقلبًا: فهي تُرى من مسافات شاسعة، لكن قوة التوهج تختلف في كل مرة.

الثقب الأسود هو جيب كوني يسقط فيه كل شيء، حتى الضوء. لكن الأعمال الرائدة لكل من جون ويلر، وستيفن هوكينغ، وروجر بنروز أظهرت: أنه في بعض الأحيان، بسبب انحناء الزمكان الهائل، ينقلب هذا الجيب من الداخل إلى الخارج.

طبلٌ هائل تلقّى للتو ضربةً عنيفة. غشاؤه ما يزال يرتجف، لكن فوق الدمدمة الأساسية تنتشر تموّجات دقيقة — كأن أحدهم مرّر أصبعه على جلد مشدود. على نحو مماثل، في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، لم يكن الزمكان يهتز فقط من «هدير» التمدد، بل أيضًا من توتر الحقول المغناطيسية التي نشأت فجأة.

مدينة ليلية من الأعلى: أضواء ساطعة، نوافذ مضيئة، مصابيح سيارات. يرى علماء الفلك مركز مجرتنا بنفس الطريقة تقريبًا — لكن ليس في الضوء العادي، بل في أشعة غاما. وهناك، بين الأضواء المألوفة، يظهر توهج غريب وثابت. لا يمكن نسبته إلى أي مصدر معروف. يُسمى هذا الفائض بـ Galactic-center excess (GCE).

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.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون مرجلًا يغلي. ولكن وفقًا لفرضية جديدة، برد فجأة لفترة قصيرة — أكثر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. في هذا العالم الجليدي، توقفت جسيمات المادة المظلمة، التي تشبه بندولات صغيرة، عن الحركة ولم تبدأ تذبذباتها.

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.

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.

تصل موجات الراديو من المستعر الأعظم — الموت الكارثي لنجم ضخم، الذي يخفت توهجه للحظات مجرة بأكملها — إلى الأرض مستقطبة. وهذا يعني أن مجالها الكهربائي يهتز بشكل أساسي في مستوى واحد، مثل إبرة بوصلة ثابتة في مجال مغناطيسي.

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.

ومضة أشعة غاما هي بمثابة طلقة من مدفع كوني. أولاً ومضة ضوء قصيرة، ثم تخميد. لكن داخل هذه الومضة الأمور ليست بهذه البساطة: لونها وسطوعها لا يتغيران في الوقت نفسه. أخذ العلماء 20 ومضة مفردة التقطها القمر الصناعي «فيرمي» وحللوها زمنياً. ركزوا على أمرين: متى تبلغ الومضة أقصى سطوع لها، ومتى يصبح إشعاعها في أقصى صلابة (أي بأعلى طاقة).

في قلب درب التبانة، هناك شيء يتوهج باستمرار بأشعة غاما. هذا الضوء مميز — طاقته تساوي بالضبط 511 ألف إلكترون فولت. تظهر هذه الطاقة عندما يلتقي إلكترون بجسيمه المضاد، البوزيترون، فيفنيان بعضهما معًا مخلفين وميضًا من الضوء.

عندما تدخل حزمة أيونات الكربون إلى الجسم، فإنها لا تطلق طاقتها فورًا، بل في نهاية مسارها، مثل عداء يبذل قصارى جهده في الأمتار الأخيرة. يحتاج الأطباء إلى معرفة نقطة النهاية هذه لتجنب إتلاف الأنسجة السليمة. ولكن كيف ننظر داخل الجسم دون إجراء شق جراحي؟ الفيزياء نفسها تقدم الإجابة: عند اصطدام الأيونات بأنوية الذرات، تنشأ ومضات قصيرة من أشعة غاما.

الذرة في مصيدة ضوئية تشبه كرة في حفرة ضحلة: تهتز لكنها لا تقفز خارجها. الضوء الذي يمسك الذرة يدفعها أيضًا قليلاً، وكلما كانت الدفعات أقوى، كانت رؤية الذرة نفسها أسوأ. بالنسبة لذرات البوتاسيوم-40، التي يُراد استخدامها في بناء الحواسيب الكمومية، طالما أعاقت هذه الدفعات عملية التبريد والقياسات الدقيقة.

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.