النوى الهالة

في خزان يحوي ثلاثة أطنان من الزينون السائل، مدفونًا في أعماق الأرض، تحرك شيء ما ذات مرة. ليس الزينون نفسه، بل إحدى نواته الذرية: تلقت دفعة بطاقة 248 ألف إلكترون فولت وارتدت، مثل كرة بلياردو أصابتها كرة غير مرئية.

نواة الذرة ليست كيسًا عشوائيًا من البروتونات والنيوترونات، بل نظام كمومي منتظم. وكما هو الحال مع الإلكترونات في الذرة، تملأ النيوكليونات أغمادًا من الطاقة. عندما يكون الغلاف ممتلئًا تمامًا، تكتسب النواة استقرارًا متزايدًا، ويُطلق على العدد المقابل من الجسيمات اسم «الرقم السحري». بالنسبة للكالسيوم الذي يحتوي على 20 بروتونًا، فإن الأرقام السحرية الكلاسيكية للنيوترونات هي 20 و28.

ليست النواة الذرية دائمًا متناظرة كرويًا تمامًا، مثل كرة البلياردو. بعض النوى تستطيل وتتخذ شكل كرة الرجبي — وهذا هو التشوه الرباعي القطب (quadrupole deformation)، الذي يعكس عدم كروية من الدرجة الثانية. أما البعض الآخر فيصبح مشابهًا للكمثرى: أحد طرفي النواة أسمك بشكل ملحوظ من الطرف الآخر. هذا التشوه الثماني القطب (octupole deformation) أو الكمثرى — ظاهرة نادرة وذات أهمية أساسية.

عادةً ما يُتصوَّر النواة الذرية على أنها كرة كثيفة تختلط فيها البروتونات والنيوترونات. لكن في بعض النظائر، يمكن للنيوترونات أن تمتد بعيدًا خارج حدود هذه الكرة، مشكّلة غلافًا منخفض الكثافة يُعرف بالهالة النيوترونية. هذه الظاهرة شائعة بشكل خاص في النوى التي تعاني فائضًا كبيرًا من النيوترونات مقارنة بالبروتونات.

إرفين شرودنغر تأمل كيف تحافظ الحياة على النظام رغم القانون الثاني للديناميكا الحرارية. لم يخطر بباله أن جزءًا من الإجابة يكمن في عدم استقرار النجوم العملاقة. أثبتت تجارب شين-شيونغ وو أن التفاعل الضعيف ينتهك التناظر المرآوي.

في مركز كل ذرة توجد نواة — كرة كثيفة من البروتونات والنيوترونات. هذه الجسيمات لا تتزاحم عشوائيًا، بل تملأ مستويات طاقة صارمة تشبه طوابق ناطحة سحاب. عندما يمتلئ طابق معين بالكامل، تصبح النواة مستقرة بشكل خاص — يسمي الفيزيائيون هذا العدد السحري. أثقل هذه الأعداد في النوى المستقرة هو 126 نيوترونًا.

لطالما بحث علماء الفلك عن 'مصانع' لأكثر الأشعة الكونية طاقة - جسيمات تحمل في طياتها عالما كبيرا مضغوطا إلى حجم نواة الذرة. كانت الشبهات تدور حول مناطق تشكل النجوم الضخمة مثل الدجاجة OB2، حيث تتصادم رياح العمالقة الشباب. لكن الطبيعة، كمحتال، أخفت قلب المسرع في مكان آخر - داخل نظام ثنائي ضيق.

في الفيزياء النووية، ساد إعتقاد طويل بأن نيوترونين لا يمكن أن يشكلا حالة مرتبطة - فجاذبيتهما أضعف من أن تبقيهما معاً، فينفرطان فوراً. لكن على أسطح الأنوية الغنية بالنيوترونات، حيث تنخفض كثافة المادة إلى أجزاء من الألف من الكثافة النووية العادية، يتغير المشهد جذرياً. هنا يؤدي النيوترونان رقصة كوانتية لم تُرَ من قبل، ليشكلا ثنائياً متراصاً هو الداي نيوترون.

المستعر الأعظم هو الانفجار النهائي لنجم ضخم، يقذف المادة عبر سنوات ضوئية حوله. داخل الغلاف المتوسع يبقى نجم نيوتروني، ويستمر الغلاف نفسه في الاندفاع عبر الغاز بين النجمي لآلاف السنين. وفي مثل هذا الغلاف، الذي خلّفه انفجار، تمكن تلسكوب ALMA لأول مرة من رصد نوى جزيئية ساخنة — وهي كتل غازية متراصة تولد فيها نجوم جديدة.

لمعرفة الحجم الحقيقي للبروتون، استبدل الفيزيائيون الإلكترون في ذرة الهيدروجين بنسخته الثقيلة — الميون. الميون، مثل عدسة مكبرة بتكبير ألف مرة، يقترب من النواة عن كثب و'يتحسس' البروتون بدقة لم تكن متاحة من قبل. أظهر التحليل الطيفي أن البروتون أصغر بنحو 4% مما أعطته التجارب القديمة مع الإلكترون العادي.

عندما تنشطر نواة ذرية ثقيلة، لا تتطاير إلى نصفين متساويين. ينشأ أولًا جزءان يشبهان الكمثرى، متلاصقان بطرفيهما الرفيعين. ثم يبدأ مكان التلامس بالانسياب، كما لو أن قطرتين تندمجان ويصبح السطح مستويًا بسرعة. في هذه اللحظة القصيرة، يتحرك السطح نحو الداخل، وقد ترتد الجسيمات داخل النواة عنه، مثل كرة ترتد عن جدار يتحرك نحوها. هذا الارتداد يزيد من سرعتها.

إذا كانت نواة الذرة بمثابة عائلة، فإن منزل الهيليوم العادي يضم بروتونين ونيوترونين يتكاتفون بقوة. تخيل الآن أن أحد أفراد العائلة غريب الأطوار يحب التجول بعيدًا عن المنزل. هذا هو شكل هايبرتريتون بالضبط: في المركز زوج عادي (بروتون ونيوترون)، وحوله على مسافة كبيرة يتجول هايبرون — جسيم يحوي كواركًا غريبًا في داخله.

النواة الذرية العادية تشبه كرة مشدودة: البروتونات والنيوترونات متراصة معًا بإحكام. لكن في بعض النوى الخفيفة، مثل الهيليوم-6، الأمر مختلف. يبدو أن نيوترونين يبتعدان جانبًا ويشكلان حول النواة سحابة مخلخلة تُسمى الهالة. هذه السحابة فضفاضة لدرجة أن النواة تصبح أكبر بعدة مرات مما ينبغي وفقًا لعدد الجسيمات. لوصف هذه النوى، ابتكر العلماء نهجًا حسابيًا جديدًا.

المفاعل النووي التقليدي يشبه المرجل حيث يحترق الوقود بالتساوي في كامل حجمه. هنا الصورة مختلفة: على طول قضيب أسطواني من كربيد اليورانيوم تزحف ببطء موجة انشطار — منطقة ضيقة تنشطر فيها الذرات وتطلق حرارة. أمام الموجة، الوقود لم يمس بعد؛ خلفها، استُنفد بالفعل. هكذا ينتقل النار على فتيل الشمعة، تاركًا الشمع خلفه. الحيلة الأساسية تكمن في طيف النيوترونات.

نواة الذرة ليست دائمًا كروية. قد تستطيل مثل ثمرة البطيخ، أو تتسطح مثل قرع اليقطين. ويعتمد حجمها على شكلها — كما يعتمد حجم الفطيرة على شكل العجين. حسب العلماء شكل وحجم نوى نظائر البيركيليوم — وهو عنصر ثقيل يُنتج في المفاعلات النووية. اتضح أن النوى المسطّحة أكبر من النوى المستطيلة عند نفس درجة التشوه.

حفنة من الصلصال مع كرة واحدة ملتصقة بعيدًا على الجانب تصبح رخوة ومستطيلة. تقريبًا هكذا تُبنى نواة البريليوم-11: نيوترون واحد نيوترون يتأرجح على الهامش، مكوّنًا "هالة" حول نواة كثيفة. استخدم الفيزيائيون طريقة جديدة لتجاوز الصعوبات الرياضية وحساب شكل هذه النواة بدقة.

يسقط شعاع ضوء مستقطب دائريًا على بلورة بيروفسكايت MAPbI3. تبدأ الإلكترونات داخل البلورة في التصرف مثل قمم دوارة صغيرة، تستوي محاورها على طول الشعاع. تُعرف هذه الظاهرة بالتوجيه البصري للسبينات. عند درجة حرارة حوالي 4 كلفن (أي 269 درجة مئوية تحت الصفر)، طبق العلماء مجالًا مغناطيسيًا ورأوا كيف تفقد السبينات اتجاهها.

عادةً ما يكون لنواة الذرة شكل محدد — إما استطالة مثل البطيخة أو تفلطح مثل اليقطين. لكن السيليكون-30 يتصرف بشكل مختلف: يبدو وكأنه لا يستطيع أن يقرر كيف يكون. في التجربة، تم توجيه حزمة من نوى السيليكون-28 والسيليكون-30 نحو هدف من الزركونيوم-90 عند طاقات قريبة من حاجز كولوم (Coulomb barrier) — تلك الحدود التي تكاد فيها النوى تتلامس لكنها لا تندمج بعد.

مجرة تقترب من أخرى، مثل راقصين يتفرقان ثم يتجاذبان مجددًا. في لحظة الاقتراب الوثيق بشكل خاص، ينضغط غازهما، وينبعث ضوء فوق بنفسجي ساطع من الأعماق. هذا بالضبط ما يحدث في نظام خارا 11 — أقرب زوج من المجرات المندمجة إلينا، والذي يسمح بتسرب هذا الضوء إلى الخارج. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لهذه الرقصة لفهم كيفية نشوء هذا التسرب.

في سحابة الغاز الكثيفة W44، حيث تولد النجوم، رصد تلسكوب ALMA ثماني كتل صغيرة تندفع بسرعات هائلة. تظهر كل منها في خرائط "الموضع-السرعة" على شكل حرف V اللاتيني، تمامًا مثل "الرصاصة" المعروفة التي اكتُشفت سابقًا. هذا التشابه يوحي بأصل مشترك.

في منطقة تشكل النجوم HOPS-288، حيث تولد ثلاث شموس مستقبلية في مهد غباري مشترك، رصد تلسكوب ALMA منطقتين ساخنتين حول زوج من النجوم في طور التكوين. عند درجة حرارة -170 درجة مئوية، تتبخر الأغلفة الجليدية على جزيئات الغبار الكوني، محررة جزيئات بسيطة في الطور الغازي.

عالياً فوق الغطاء الجليدي لأنتاركتيكا، ظل بالون يحمل كاشفًا معلقًا لمدة عشرين يومًا. كان يلتقط جسيمات صغيرة جدًا، ظلت تحلق نحونا لملايين السنين قادمة من انفجارات نجمية بعيدة. الآن، فك العلماء حمولته وأخبرونا عن الطاقة التي حملتها البروتونات ونوى العناصر المختلفة. اتضح أن الجسيمات ليست كلها متشابهة.