كشف أشعة غاما

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.

تخيّل ملعبًا ضخمًا مكتظًا بأشخاص يرتدون الأسود. أنت تقف في الخارج وتحاول أن تفهم ما يحدث في الداخل، رغم أنك لا ترى أي شخص. لكن إذا تصادم اثنان وتبادلا قمصانًا زاهية الألوان — ستلاحظ وميض اللون. هكذا بالضبط يبحث علماء الفلك عن المادة المظلمة — وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصّه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية.

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.

الاستماع إلى الكون يعني التحلي بالصبر وضبط السمع. اختار الفلكيون لذلك أكثر الأدوات حساسية عند الترددات المنخفضة: مصفوفة الهوائيات OVRO–LWA – وهي 352 هوائياً ثنائي القطب منتشرة على مساحة كيلومترين ونصف في صحراء كاليفورنيا. خلال فترة تعريض قصيرة بشكل لا يصدق تبلغ 30 ثانية، قدم هذا الجهاز أكثر من ثلاثة ملايين لقطة للسماء بأكملها، مجزئاً الضوضاء الراديوية إلى نصف مليون شريحة ترددية بعرض 10 هرتز فقط.

جسيم ألفا هو نواة الهيليوم التي تنطلق عند اضمحلال الذرات الثقيلة. عندما يصطدم ببلورة نيتريد الغاليوم، يمنحها طاقته ويولد نبضة كهربائية. من ارتفاع النبضة يمكن معرفة مقدار الطاقة التي كانت لدى الجسيم. لكن في طريقه إلى المنطقة الحساسة، يفقد الجسيم جزءًا من قوته في ما يسمى الطبقة الميتة — وهي طبقة رقيقة غير فعالة قرب السطح.

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.

ميزان بكفتين متساويتين، لكن إحدى الكفتين ترجح دائمًا. في عالم الجسيمات الأولية، يُسمى هذا الرجحان بانتهاك تناظر الشحنة-التكافؤ (CP): فالجسيمات ونظيراتها المرآتية (الجسيمات المضادة) تتصرف بشكل مختلف قليلًا. هذا الاختلال، كما يعتقد الفيزيائيون، هو ما سمح للمادة بالبقاء بعد الانفجار العظيم، حين كان ينبغي للمادة والمادة المضادة أن تفني كل منهما الأخرى.

قام تلسكوب فيرمي على مدى 17 عاماً بتسجيل أشعة غاما الصادرة من النوى النشطة لـالمجرات التي تحتوي على ثقوب سوداء عملاقة في مركزها. يشبه توهج نفاثاتها نشازاً فوضوياً: فهو يتغير باستمرار.

إن إلقاء حصاة في بركة يُحدث تموجات منحنية، لكنها تبدو من بعيد كخطوط مستقيمة. ومضات أشعة غاما الصادرة عن ثقب أسود متبخر تتصرف بالطريقة نفسها: فالانفجار البعيد يُرسل موجات مستوية، بينما يصل القريب منها منحنياً.

ضوء الليزر يشبه صفًا مثاليًا من الجنود في عرض عسكري: كل الموجات تهتز في مستوى واحد. هذا النوع من الضوء يُسمى مستقطبًا. في الدراسة الجديدة، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من الحصول على أشعة غاما مستقطبة عن طريق تصادم الإلكترونات مع نبضة ليزرية قوية.

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.

في أكتوبر 2022، أطلق الكون ألعابًا نارية رصدتها جميع الكواشف على الأرض. الانفجار الذي حمل اسم GRB 221009A كان شديد السطوع لدرجة أنه وُصف بأنه «الأكثر سطوعًا في تاريخ الرصد». هذا هو انفجار غاما (gamma-ray burst) — وميض قصير لكنه قوي بشكل هائل، يطلق في ثوانٍ طاقة تفوق ما ستنتجه الشمس طوال حياتها.

جهاز استشعار الإشعاع في المدينة يشبه عازفًا في الشارع: يجب أن يعزف النغمات الصحيحة حتى عندما تخدر أصابعه من البرد أو تسخن آلته تحت الشمس. عادةً تُحفظ هذه الأجهزة في ظروف معتدلة — مع تدفئة أو تبريد، وإلا فإن مقياس الطاقة (الذي يميز البوتاسيوم غير الضار في الخرسانة عن السيزيوم الخطير) يبدأ في الكذب.

في المختبرات تحت الأرض، حيث يُبحث عن المادة المظلمة أو اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو، تكون أجهزة الكشف محاطة بالصمت. ولكن حتى في هذا الصمت، يستقر غبار مشع بشكل غير ملحوظ على جدرانها. أحد المصادر هو الرادون، وهو غاز غير مرئي يتسرب من الصخور. تلتصق ذرياته قصيرة العمر بالأسطح وتفسد القياسات.

أشعة غاما هي أكثر ومضات الضوء طاقةً التي تولد في أعماق الذرات. طاقتها تشبه بصمة الإصبع: لكل عنصر مشع نمطه الخاص. لكن قياس هذا النمط بدقة عالية يشبه وزن حبة رمل على ميزان موضوع على شاحنة تهتز. المنشأة الجديدة تعمل كمقياس حرارة فائق الحساسية.

في مسرّع الجسيمات، تندفع الإلكترونات في حلقة بسرعة تقارب سرعة الضوء. عندما يصطدم مثل هذا الإلكترون بفوتون — جسيم ضوء — يرتد الفوتون كما ترتد الكرة عن شاحنة متحركة، وينطلق بطاقة أكبر بكثير. تُسمى هذه الظاهرة تشتت كومبتون وتُستخدم منذ زمن طويل لإنتاج أشعة غاما — وهي أكثر أنواع الضوء طاقة.

في عام 2017، التقط كاشفا الجاذبية LIGO وVirgo تموجات في نسيج الزمكان ناتجة عن اندماج ثقبين أسودين على بُعد 540 ميغابارسك منا. حصل الحدث على اسم GW170814. لكن ماذا بقي بعد هذا التصادم الكوني؟ إلى جانب تشوه الزمكان، ربما وُلدت ثقوب سوداء صغيرة للغاية تُعرف بـ"الفتات". وفقًا لحسابات هوكينج، هذه الأجسام ليست أبدية: فهي تتبخر، باعثةً الطاقة.

في الليلة بين 9 و10 مارس 2024، كانت سحابة من البلازما قذفتها الشمس تتطاير بعيدًا عن النجم. لقد تجاوزت بالفعل مسافة خمسة أنصاف أقطار شمسية عندما التقطت شبكة أرضية من 352 هوائيًا في وادي أوينز بكاليفورنيا إشارة راديوية قصيرة منها. لم تكن تلك الإشارة ومضة أو ضجيجًا؛ بل كانت بشكل يتعرف منه الفيزيائيون على بصمة المجال المغناطيسي.

يشبه كشف باعث كمومي فردي ضبطَ آلة موسيقية في ورشة تعجّ بالآلات الصاخبة: النغمة النقية تختنق في الضجيج. لكنّ الضابط لا يحاول أن يصرخ أعلى من الضوضاء – بل يأخذ شوكة رنانة ويصغي إلى النبضات. وهكذا يصبح الصدى الخافت جليًّا. تعمل هذه الحيلة أيضًا مع الفوتونات: الشعاع المرجعي المترابط، بتداخله مع إشارة الباعث، يحوّل الخفّة الكمومية إلى استجابة قياسية موثوقة.