مطيافية أشعة غاما

سماء أشعة غاما التي صوّرها تلسكوب فيرمي هي سيمفونية مهيبة من آلاف المصادر. فيها النبضات المنتظمة لـالنجوم النابضة، والأوتار القوية لـأنوية المجرات النشطة، لكن الأكثر هي أجرام مجهولة الهوية يبقى لحنها لغزًا.

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.

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.

في أعماق البحر المتوسط، حيث يضغط الماء بقوة مئات الأجواء، كانت شبكة من الكرات الحساسة للضوء تنتظر ضيفًا نادرًا. وقد جاء — نيوترينو حمل عبر سمك الأرض طاقة تعادل ضربة طوبة طائرة. لكن بدلاً من الطوبة، جسيم صغير، شبه غير محسوس، لكنه قادر على إخبارنا عن أكثر زوايا الكون اضطرابًا. سُمي هذا الجسيم KM3-230213A. وهو الأول في التاريخ الذي تتجاوز طاقته 100 إلكترون فولت (PeV).

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).

عندما يصطدم نواة ثقيلة بسرعة هائلة بالغاز بين النجمي، تتحطم إلى قطع. بعد ذلك، تطير هذه القطع — الليثيوم والبريليوم والبورون — إلى الأمام، وتعتمد كميتها في تدفق الأشعة الكونية على كيفية حدوث التحطم بالضبط. كان يُعتقد عادةً أنه مع زيادة الطاقة، يجب أن تتغير النسب تدريجيًا، مثلما يتغير طعم الحساء إذا أضفت الماء.

عندما ينفجر نجم ضخم، يقذف سحبًا غازية هائلة في الفضاء. هذه السحب، التي تُسمى بقايا المستعر الأعظم، قد تمتد لمئات التريليونات من الكيلومترات. سحابتان من هذا القبيل، G107.7-5.1 وG150.3+4.5، قام علماء الفلك بدراستهما مؤخرًا باستخدام تلسكوب في تركيا. قاموا بتحليل ضوء هذه السحب إلى ألوانه، تمامًا كما يحلل المنشور الضوء الأبيض إلى ألوان الطيف.

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.

التوهج الشمسي كالرعد في سماء صافية: انفجار طاقة قصير لكنه عنيف. التقط التلسكوب الراديوي ميركات في جنوب أفريقيا أحد هذه التوهجات من الفئة M1.3 وفحصه بدقة غير مسبوقة. الأدوات المعتادة ترى إما تفاصيل ساطعة أو خافتة، لكن ليس كلاهما معًا. تمكن ميركات من رؤيتهما معًا، مثل أذن تسمع دق الطبلة وحفيف الأوراق في آن واحد. في نطاق الراديو، ظهر التوهج كمصادر منفصلة متعددة.

المادة المظلمة تشبه الغراء غير المرئي الذي يمسك المجرات ببعضها. إنها لا تُصدر ضوءًا، لكن إذا تصادمت جسيماتها فقد يومض إشعاع غاما. بحث العلماء عن مثل هذه الومضات في المجرات القزمة — وهي تجمعات نجمية صغيرة حيث تكون المادة المظلمة وفيرة جدًا والمادة العادية شبه معدومة. الأمر أشبه بالبحث عن همس في غرفة هادئة: كلما قلّ الضجيج، كان الاستماع أسهل.

رجل الإطفاء المزوّد بكاميرا حرارية يرى بؤرة الحريق عبر الدخان. ولكن كيف يمكن رؤية مصدر إشعاعي لا رائحة له ولا ضوء ولا حرارة؟ كاميرات أشعة غاما تحل هذه المشكلة: فهي تلتقط أشعة غاما المنبعثة من المواد المشعة وتضع "أثرها" على صورة فوتوغرافية عادية. والنتيجة صورة تُظهر أن المصدر يقع، مثلاً، خلف الباب البعيد.

في جيب سترة قديمة، قد تجد أحيانًا تذكرة سينما عمرها ثلاث سنوات. لا يمكنك استعادة الزمن منها، لكن يمكنك معرفة أين ذهب صاحبها. هكذا هي الأقزام الساخنة — نجوم صغيرة في مرحلة متأخرة من حياتها، تلمع معظمها في الأشعة فوق البنفسجية. ضوءها مثل تلك التذكرة: يحكي عن الماضي، لكن قراءته صعبة. أخذ علماء الفلك خريطة السماء من تلسكوب Gaia، حيث يترك كل نجم بصمته — طيفه مقسمًا إلى ألوان.

قبل مئة عام، كانت المراصد المغناطيسية تسجل فقط التنفس البطيء لنواة الأرض. اليوم، تتحول بياناتها إلى أرض صيد لفيزياء الجسيمات. في مرصد إسكداليمور شمال إنجلترا، تُسجل تذبذبات المجال المغناطيسي كل جزء من مئة من الثانية. عشر سنوات من هذه التسجيلات، أي 9909 مقطعاً مدة كل منها ثماني ساعات، أصبحت فخاً لشبح: الفوتون المظلم.