أشعة سينية صلبة

في قبو المختبر، يُصدر مغناطيس بقوة 8 تسلا طنيناً. داخله، مثل جرس في برج جرس، يعلق أسطوانة نحاسية مجوفة مضبوطة على نغمة واحدة فريدة. إذا مرّ أكسيون قريباً، وهو جسيم من المادة المظلمة، تستجيب الأسطوانة برنين خافت. المشكلة أن النحاس العادي يخمد هذا الرنين: عند الترددات العالية، يسري التيار فقط في طبقة رقيقة من سطح المعدن، فتزداد الخسائر.

رصد تلسكوب الأشعة السينية الفضائي XMM-Newton المجرة Mrk 1044 بشكل متواصل لمدة ساعتين. في مركزها يوجد ثقب أسود يدور حوله قرص تراكمي من الغاز شديد الحرارة. يصدر هذا الغاز إشعاعًا سينيًا، وسطوعه غير مستقر — فهو يتقلب: تارة يشتد، وتارة يضعف. في أول نصف ساعة من الرصد، كانت التغيرات في الإشعاع السيني الطري (ذي طاقة فوتونات أقل) والصلب (ذي طاقة أعلى) متزامنة.

في أعماق الشمس، تجري تفاعلات اندماج نووي قد تولد جسيمات افتراضية خفيفة تُعرف بالأكسيونات، وهي بالكاد تتفاعل مع المادة. أحد هذه العمليات، إن وُجد، يؤدي إلى ظهور أكسيونات بطاقة 5.49 ميغا إلكترون فولت، وهي طاقة تضاهي طاقة كرة تنس تطير بسرعة 100 كم/ساعة. هذه الجسيمات تخترق الأرض دون عائق، لكنها قد تصطدم أحيانًا بذرة زينون.

يعمل الثقب الأسود في زوج وثيق مع نجم مرافق كمضخة جاذبية: يسحب الغاز من جارته، ويلفه في قرص تراكم متوهج، ومن وقت لآخر يقذف جزءًا من المادة بعيدًا في نفاثين نسبيين ضيقين. في عام 2021، أقام النظام الثنائي الأشعّي 4U 1543-475 مثل هذا العرض.

«فرجار» فضائي سيقيس قريبًا النجم النيوتروني بدقة تصل إلى مئة متر. بالنسبة لجسم يبلغ قطره عشرين كيلومترًا أو نحو ذلك، هذا يعادل قياس سُمك شعرة إنسان من مسافة كيلومتر. النجم النيوتروني هو بقايا مستعر أعظم منفجر. المادة فيه مضغوطة بشدة لدرجة أن ملعقة صغيرة منها تزن مليارات الأطنان.

على بُعد 123 فرسخًا فلكيًا من الأرض، في كوكبة الإكليل الجنوبي، يسبح النجم النيوتروني RX J1856.5-3754. قطره حوالي 12 كيلومترًا، أي أصغر من الطريق الدائري حول موسكو، لكن درجة حرارة سطحه تصل إلى 460,000 كلفن. يقوم النجم بزفير بطيء، يكاد لا يُسمع. هذا الزفير ليس تنفسًا عاديًا، بل تدفق من الجسيمات غير المرئية التي تمر عبرنا كل ثانية دون أن تمس الذرات.

يقترب شعاع كوني من ثقب أسود بشكل شبه مماسي. لا يسقط مباشرة، بل يبقى عالقًا في مدار غير مستقر — مثل بهلوان يوازن على حبل فوق هاوية. بعد أن يدور عدة لفات، يغادر الضوء أخيرًا نحو مراقب بعيد. تولّد هذه الأشعة صورًا متعددة لنفس المصدر — تُعرف بالصور عالية الرتبة. عادةً، الزاوية التي ينحرف بها الثقب الأسود الثقب الأسود الضوء تنمو بسلاسة — مثل لوغاريتم مدى قرب الشعاع من المدار الحرج.

التوهجات الشمسية هي انفجارات قوية على الشمس، يمكنها تعطيل الأقمار الصناعية وقطع الكهرباء عن المدن. تزداد صعوبة التنبؤ بها بسبب تعقيد المجالات المغناطيسية في البقع الشمسية. يراقب العلماء النجم عن طريق تحليل ضوئه إلى ألوانه (التحليل الطيفي) وقياس سطوعه (القياس الضوئي).

كشاف قوي يومض ثم ينطفئ. ينعكس الضوء عن السحب المحيطة، ومن تأخر الإشارة المنعكسة يمكن معرفة بُعد السحب. هكذا تقريبًا يدرس علماء الفلك الهالة الساخنة — سحابة البلازما الملتهبة فوق الثقب الأسود في مركز المجرة النشطة. لكن هناك عقبة.

في المجرة NGC 3583 رصدت التلسكوبات مصدرًا سينيًا غير عادي: يزداد سطوعه بشكل حاد دوريًا ثم يخفت تقريبًا تمامًا. وعند تحليل هذا الإشعاع إلى طيف — توزيع الشدة حسب الطاقة، الذي يشبه قوس قزح لكن في نطاق الأشعة السينية — اكتشف الفلكيون فيه انخفاضًا داكنًا ضيقًا، يُسمى خط امتصاص.

بدأت القصة بحيرة: في ثلاثينيات القرن العشرين، لاحظ فريتز زفيكي أن عناقيد المجرات تتصرف وكأنها تخفي كتلة هائلة غير مرئية. وبعد نصف قرن، أكدت فيرا روبين ذلك — فالنجوم عند أطراف المجرات تدور بسرعة أكبر من أن تمسكها المادة المرئية وحدها. هكذا وُلد لغز المادة المظلمة — الهيكل الخفي للكون.

عندما يمر الضوء بالقرب من ثقب أسود، يقع في مصيدة جاذبية قوية: مسار الفوتونات ينحني بشدة لدرجة أن الجسيمات تبدأ في التخبط في مدارات شبه مغلقة، مثل كرات في لعبة الكرة والدبابيس.

المنارة تارة تتوهج وتارة تكاد تنطفئ، رغم أن المصباح بداخلها يضيء بثبات. هذا بالضبط ما رآه علماء الفلك عندما وجهوا التلسكوبات نحو المجرة I Zwicky 1. في مركزها يجلس ثقب أسود فائق الكتلة يلتهم الغاز والغبار بنهم شديد لدرجة أن قرصًا ملتهبًا يتشكل حوله، يتوهج أشد سطوعًا من مجرة بأكملها.

مرجل هائل يكاد يكون خامدًا في أغلب الأحيان، لكنه أحيانًا يقذف حزمًا من الشرارات. هذا تقريبًا سلوك الثقب الأسود الهائل في مركز مجرتنا — الجسم الرامي القوس A*. تبلغ كتلته أربعة ملايين ضعف كتلة الشمس، ويبعد عنا مسافة 26 ألف سنة ضوئية.

لا تزال المادة المظلمة تفلت من المراقبة المباشرة، رغم أن جاذبيتها تمسك المجرات معًا. إحدى الفرضيات: أنها تتكون من أكسيونات — جسيمات خفيفة جدًا تنبأت بها النظرية. ميزتها: في حقل مغناطيسي قوي، يمكن للأكسيون أن يتحول للحظة إلى فوتون — ومضة ضوء صغيرة.

إذا صُغِّر ثقب أسود عادي إلى حجم حبة رمل، فإنه يتوهج كنجم صغير ويختفي سريعًا في وميض. هذا تنبؤ ستيفن هوكينغ: يعمل أفق الحدث كسطح ساخن يبعث جسيمات. كلما كان الثقب أصغر، ارتفعت حرارته، والعكس صحيح — فالثقوب السوداء العملاقة في مراكز المجرات أبرد من الخلفية الكونية الميكروية.

شعاع الأشعة السينية هو تيار من حزم الطاقة الصغيرة جدًا، وهي الفوتونات. العدادات التقليدية تعدّها لكنها لا تميز بين درجاتها: فالفوتونان المتقاربان في الطاقة يبدوان متطابقين بالنسبة لها. أما الجهاز الجديد فيعمل مثل مقياس حرارة حساس: فهو يلتقط كل فوتون ويقيس مقدار ما أحدثه من حرارة في غشاء رقيق.

عادةً ما يختبئ الثقب الأسود GRS 1915+105 خلف ستار غازي كثيف، إذ تُمتص أشعته السينية بشدة في طريقها إلينا. لكن في أبريل 2023، انفجر فجأة: زاد تدفق الأشعة السينية نحو عشرة أضعاف. تابع تلسكوبا NICER وSwift الوميض وسجلا كيف تغير الطيف، أي توزيع طاقة الأشعة السينية عبر الأطوال الموجية.

ومضة الكاميرا العادية تتجمد في أجزاء من مئة من الثانية، لكنها بالنسبة للذرات أشبه بالخلود. فداخل الجزيئات، تقفز الإلكترونات خلال زمن يُقاس بالأتوثانية: أي أجزاء من مليار من مليار جزء من الثانية. ولتصوير مثل هذه الأحداث، نحتاج إلى نبضة ضوئية أقصر من الحدث نفسه. يأخذ الفيزيائيون حزمة إلكترونات في مسرّع خطي ويضغطونها بحيث تصبح الحزم المفردة أرقّ من الشعرة — من حيث الزمن.

على أطراف المجرة M83، التي تُعرف أيضًا باسم الدولاب الجنوبي، ينساب نهر من النجوم القديمة في الفضاء الخاوي. يمتد هذا النهر لمسافة 81 كيلوبارسك، أي حوالي 264 ألف سنة ضوئية، أي ما يعادل ضعفين ونصف قطر مجرتنا درب التبانة.

تبدو السماء ليلاً ساكنة، لكن أحياناً يبدأ أحد النجوم فجأة بالتوهج. هذا ما حدث مع النظام AT 2019wey: رصده تلسكوب TESS، الذي يُستخدم عادة للبحث عن كواكب حول نجوم أخرى، لكنه صادف أن كان يصور منطقة السماء المطلوبة كل نصف ساعة. وبفضل هذا، تمكن علماء الفلك لأول مرة من رؤية كيف يستيقظ الثقب الأسود في نظام مزدوج — حرفياً، إطاراً بإطار. في النظام AT 2019wey، يسحب الثقب الأسود المادة من نجم عادي مجاور.

الضوء العادي يشبه حشدًا في ساحة: كل فوتون يتحرك بمفرده، يتصادم ويتفرق. لكن في بعض الأوساط، تبدأ الفوتونات، كقطيع من الكلاب، بالركض معًا — تتجمّع. ابتكر العلماء ليزرًا على ألياف عشوائية، حيث تتجمع جسيمات الضوء في أسراب كثيفة بشكل خاص. هذه الظاهرة تسمى التجمّع الفائق للفوتونات.

غشاء رقيق كخيط العنكبوت، مصنوع من خمسة معادن، تلقى ضربة الليزر. ارتفع الضغط داخله إلى 55 جيجاباسكال، وهو ما يعادل وضع مئة فيل على ظفر إصبع. تحملت السبيكة الصدمة وانضغطت لجزء من النانوثانية لكنها لم تنكسر. الجيجاباسكال الواحد يساوي ألف ميجاباسكال.

الأشعة الكونية ليست ضوءًا، بل جسيمات مشحونة تقصف الأرض من كل اتجاه. معظمها بروتونات (نوى الهيدروجين)، ولكن توجد أيضًا نوى أثقل: الهيليوم والنيتروجين والحديد. عندما يصطدم مثل هذا الجسيم بالغلاف الجوي، فإنه يولد وابلًا كاملًا من الجسيمات الثانوية، ومن شكل هذا الوابل يمكن معرفة ما وصل إلينا بالضبط.

استيقظ الثقب الأسود GS 1354-64 في كوكبة الذبابة عام 2025 وبدأ يلتهم المادة من نجمه المجاور بشراهة. التقطه التلسكوب المداري IXPE في لحظة نادرة: كان التوهج قد خمد بالفعل، لكن النظام لم يهدأ بعد. وكأنه شخص توقف على عتبة الباب، ظل يتردد بين حالتين: الهدوء والاضطراب. اتضح أن الضوء القادم من محيط الثقب الأسود مستقطب، أي أن موجاته لم تتأرجح عشوائيًا بل في اتجاه واحد.

عندما تتراكم المادة على سطح نجم نيوتروني — وهو بقايا فائقة الكثافة لنجم ميت — يحدث انفجار يشبه قنبلة نووية حرارية هائلة. في هذا الجحيم، تولد في ثوانٍ نوى عناصر غير موجودة على الأرض. لفهم أي منها بالضبط، نحتاج إلى معرفة كتلها بدقة هائلة. استخدم الفيزيائيون في RIKEN باليابان جهازًا، مثل ميزان دقيق للغاية، يلتقط النوى الفردية التي تمر عبر مجال مغناطيسي ويزنها.

يشبه التوهج الشمسي قصر الدارة في لوحة إعلانية نيون عملاقة. داخل الشمس، تلتف المجالات المغناطيسية في حلقات كأنها أربطة مطاطية، وعندما تعيد الاتصال، تنطلق الطاقة إلى الفضاء. جزء منها يتحول إلى أشعة سينية صلبة تنتجها جسيمات تسارعت إلى سرعة تقارب سرعة الضوء.

في غرفة مظلمة داخل الكاشف، ينتظر الأرجون. عندما يمر عبره جسيم غير مرئي — مثل مرشح محتمل للمادة المظلمة — يدفع نواة الأرجون بدفعة خفيفة. تتحرك النواة من مكانها، وتتولد حولها شحنات. وكمية هذه الشحنات ليست سؤالًا عابرًا: فبعددها يحكم الفيزيائيون على نوع الزائر الذي مرّ. منشأة ReD هي خزان من الأرجون السائل، أُدخلت إليه نيوترونات من مصدر كاليفورنيوم. تصطدم النيوترونات بنوى الأرجون كما تصطدم كرة البلياردو بأخرى.

البلورة الرقيقة من نيتريد البورون السداسي — قريبة من الجرافيت، لكنها شفافة وعازلة. في شبكتها البلورية توجد أحيانًا عيوب مفردة: ذرة بورون أو نيتروجين مفقودة، وفي مكانها تتشكل مصيدة للإلكترونات. هذه المصيدة قادرة على امتصاص الضوء وإعادة إصداره، مثل مصباح يدوي صغير.

يشبه ليزر الإلكترون الحر العادي آلة موسيقية ذات وتر واحد: لا يمكنه العزف إلا على نغمة واحدة ما لم تغير بنيته. للحصول على طول موجي مختلف، يتعين إعادة ضبط المغناطيسات أو تسريع الإلكترونات بقوة أكبر. هذا مكلف وضخم. وجد الفيزيائيون في الفريق الذي نشر العمل طريقة لجعل الآلة تعزف النغمات التوافقية — تلك التوافقيات التي تجعل صوت الكمان أكثر ثراءً.

الهالة الشمسية — الغلاف الجوي الخارجي للشمس — تمتد لملايين الكيلومترات، لكن لا يمكن رؤيتها إلا أثناء الكسوف الكلي أو باستخدام أجهزة خاصة. عادةً ما يُستدل على كثافة الهالة من كيفية تشتيتها للضوء الأبيض، لكن هذه الطريقة تعتمد على تبسيطات قد تشوه النتيجة. التحليل الطيفي عاجز هنا بشكل مباشر، لأن الهالة شديدة التخلخل.

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.

في الأول من أكتوبر 2024، حدث على الشمس توهج من الفئة X7.1 — وهو من أقوى التوهجات. راقبت مركبتان فضائيتان، HXI وSTIX، التوهج من جهتين مختلفتين، كعينين، وبمساعدة نموذج حاسوبي، أعادتا بناء الصورة ثلاثية الأبعاد. في ذروة التوهج، ومض إشعاع الأشعة السينية مرتين، وفي كل مرة ظهرت بقع ساطعة على سطح الشمس في أماكن مختلفة.

مصباح يضيء عبر الضباب، فيتغير لون ضوئه قليلًا. من هذا التغير يمكن معرفة مكونات الضباب. هكذا يدرس الفلكيون الغاز البارد حول مصادر الأشعة السينية: ذرات الحديد في هذا الغاز تمتص وتعاود إصدار الأشعة السينية عند طاقة محددة بدقة — كبصمة الإصبع. لكن للبصمة تفصيل مهم: إذا فقدت الذرة بعض إلكتروناتها، ينزاح الخط.

النجوم النيوترونية هي بقايا فائقة الكثافة للمستعرات العظمى ، مضغوطة إلى حجم مدينة. في ثلاثينيات القرن العشرين، تنبأ فريتز زفيكي نظريًا بوجودها، ثم اكتشفت جوسلين بيل بورنيل تجريبيًا النجوم النابضة — وهي نجوم نيوترونية سريعة الدوران تصدر نبضات راديوية دورية.

في النظام الثنائي Cyg X-2، يسحب النجم النيوتروني المادة من نجم مرافق عادي. يدور الغاز الساقط ويسخن إلى ملايين الدرجات ويصدر ضوءًا ساطعًا في نطاق الأشعة السينية. وجه علماء الفلك تلسكوبين فضائيين نحو هذا الجسم، وهما IXPE وNuSTAR، ولأول مرة قاموا بقياس استقطاب هذا الضوء بالتفصيل.

في غرفة مظلمة، يسلط مصباحان يدويان الضوء على جدار واحد. عادةً، تتراكب أشعتهما ببساطة، وتصبح البقعة أكثر سطوعًا. لكن إذا أصدر المصباحان الضوء في دفعات خاصة — فوتونات — فإنهما قد يتصرفان بشكل مختلف في ظروف معينة. بدلاً من أن يصلا بشكل مستقل إلى أماكن مختلفة، فإن الفوتونين «يتفقان» ويخرجا معًا فقط، كزوج، من مخرج واحد. هذا التأثير بالضبط شوهد لأول مرة للأشعة السينية.

تلسكوب الأشعة السينية ينظر إلى مجرة مجاورة — فيرى نقطة لم تكن موجودة بالأمس. وبعد شهر، تتوهج مئات المرات أكثر سطوعًا من الشمس، وبعد عام تخفت من جديد. تُسمى هذه النقاط مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع (ultraluminous X-ray sources)، وكل منها عبارة عن زوج وثيق: نجم عادي وثقب أسود أو نجم نيوتروني يدوران حول بعضهما البعض.

الأشعة الكونية هي جسيمات أولية تحمل طاقة هائلة، وتخترق الفراغ بين المجرات. عندما يصطدم جسيمان من هذه الجسيمات وجهًا لوجه، قد تكون كثافة الطاقة عند نقطة الاصطدام كافية لتنهار لتشكل ثقبًا أسود بحجم نواة الذرة. لا يشكل أي خطر: فكما تختفي قطرة الماء فورًا على مقلاة محمّاة، فإن الثقب الأسود المجهري يتبخر بسرعة.

في كل ثانية، تمر عبر كل واحد منا عشرات الجسيمات القادمة من الفضاء. معظمها بروتونات خفيفة، لكن توجد أيضًا نوى ذرات أثقل: الكربون والأكسجين والحديد. تولد هذه الجسيمات في انفجارات النجوم وتطير نحو الأرض لملايين السنين. طاقتها قد تكون هائلة: جسيم واحد قد يحمل طاقة تعادل طاقة كرة تنس عند الإرسال. لكن في تدفق هذه الجسيمات يوجد انحناء غريب.