نيوترينو عالي الطاقة

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.

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.

النجم النابض PSR J1740+1000 هو نجم نيوتروني بحجم مدينة، يدور أسرع من خلاط المطبخ. بعد انفجار المستعر الأعظم، بقيت منه نواة فائقة الكثافة تعمل على تسريع الجسيمات المشحونة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هذه الجسيمات تنطلق إلى الفضاء، وكان يُعتقد سابقًا أنها تتطاير في كل الاتجاهات مثل رذاذ حجر يُلقى في الماء.

في مجرة السيجار البعيدة، هناك منارة غير عادية. إنها لا تضيء بالمعنى المألوف — بل تولد أشعتها في سحابة ملتهبة حول ثقب أسود يبتلع مادة نجم مجاور. تُسمى هذه الأجسام مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع. لمعانها في الأشعة السينية قوي لدرجة أنه يطغى على مجرات بأكملها. هذه السحابة — الهالة — تشبه مرجلًا يغلي. فيه تتخبط جسيمات البلازما بسرعات هائلة، وتتصادم وتتسارع.

في أعماق جليد القطب الجنوبي، على عمق يقارب الكيلومترين ونصف، يعمل تلسكوب غير عادي. إنه لا يتجه نحو السماء، بل عبر الأرض. هدفه هو النيوترينوات، وهي جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، وتخترق الكواكب والنجوم. لكن في بعض الأحيان، يصطدم نيوترينو بجزيء جليد، فيولد وميضًا ضوئيًا قصيرًا تلتقطه آلاف المجسات الحساسة. هذه الإشارات الضوئية تراكمت على مدى اثني عشر عامًا.

كرة البلياردو تصطدم بأخرى في ظلام دامس. صوت الاصطدام وقعقعة الكرات الساقطة في الجيوب — هذا كل ما يُسمع. هكذا تقريبًا يدرس الفيزيائيون تفاعلات الجسيمات الأولية عند طاقات لا يستطيع أي مسرع أرضي إنتاجها. في العمل الجديد، حوّل الفيزيائيون الفلكيون مجرات بأكملها إلى مختبرات عملاقة، وأصبحت الكيلومترات المكعبة من الجليد في القارة القطبية الجنوبية ومياه البحر الأبيض المتوسط كواشف.

في أعماق النجم النيوتروني، تكون المادة مضغوطة بشدة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات المألوفة تفسح المجال للاعبين جدد. هناك تولد الهايبرونات (hyperons) — وهي جسيمات يعيش داخلها كوارك غريب. السؤال عن مقدار الطاقة اللازمة لإخراج مثل هذا الهايبرون من الوسط النووي ليس سؤالاً عابراً: فالإجابة عليه تحدد ما إذا كان النجم سيصمد أم ينهار ليتحول إلى ثقب أسود.

عندما يصطدم نجمان نيوترونيان — النوى فائقة الكثافة لنجوم ميتة — يولد كيلونوفا: انفجار أكثر سطوعًا بألف مرة من المستعر العادي. إنه مسبك كوني حقيقي. داخل سحابة ملتهبة تندفع بسرعات تقارب سرعة الضوء، يقوم سيل هائل من النيوترونات بتحويل أنوية الذرات إلى ذهب وبلاتين وأوزميوم. لكن المرحلة المتأخرة من هذه الأحداث ظلت لغزًا طويلًا.

في عام 2017، سجل تلسكوب آيس كيوب النيوترينوي في القارة القطبية الجنوبية جسيمًا بطاقة تقارب 290 تيرا إلكترون فولت قادمًا من أعماق الكون.

في قلب المجرة، على بُعد نحو 7 آلاف فرسخ فلكي، يختبئ مسارع طبيعي حقيقي. إنه نجم نيوتروني يدور بسرعة جنونية — نجم نابض يُدعى PSR J1849-0001، تخلّف عن انفجار مستعر أعظم. اكتُشفت هذه النجوم قبل نصف قرن على يد جوسلين بيل بورنيل، وتنبأ بها من قبل فريتز زفيكي.

يسقط حجر في بركة ماء، فتنتشر دوائر على سطحها. هكذا ينتشر الضوء القادم من المجرات البعيدة في كل الاتجاهات — بهدوء وانتظام. لكن في مركز بعض المجرات لا يختبئ حجر، بل مدفع حقيقي: يطلق جسيمات بقوة هائلة. يطلق علماء الفلك على هذه الأجسام اسم HSP BL Lac. وهي نوى مجرّات نشطة، حيث يقوم الثقب الأسود فائق الضخامة بلفّ المادة في قرص ويقذف نفاثات ضيقة من البلازما موجهة نحونا تقريبًا.

نجمان نيوترونيان — بقايا نجوم ميتة، مضغوطة إلى حجم مدينة لكن بوزن يعادل الشمس — يدوران حول بعضهما البعض وفي النهاية يصطدمان. في تلك اللحظة يولد شيء بين ثقب أسود ومغناطيس فائق القوة: مجال أقوى بمليارات المرات من أقوى جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي.

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).

النيوترينوات جسيمات خفية تقريبًا: تعبر الكواكب دون أن تلاحظها الذرات. لذلك كل رصدٍ هو حظ موفق. مؤخرًا، رصد كاشف تحت الماء KM3NeT نيوترينو بطاقة تفوق ملايين المرات ما تنتجه أقوى مسرعات الجسيمات على الأرض. وتقول دراسة جديدة: إنه ليس ضيفًا من مجرة بعيدة، بل رسالة من الكون المبكر.

كشاف قوي يسلط ضوءه عبر ضباب كثيف. لا يُرى الشعاع نفسه، لكن الضباب يبدأ في التوهج بضعف – مما يكشف عن وجود الكشاف. مبدأ مشابه يعمل مع النيوترينوات: جسيمات شبه خفية تولد عندما تصطدم بروتونات سريعة من مجرات بعيدة بإشعاع الخلفية الكونية المنتشر (وهو خلفية ميكروية ضعيفة متبقية من الانفجار العظيم).

تنهي النجوم الضخمة دورة حياتها بانفجار هائل، أطلق عليه فريتز زفيكي اسم المستعر الأعظم. في مركز الانفجار، ينهار النواة إلى بقايا فائقة الكثافة — ثقب أسود أو نجم نيوتروني.

تصادم بسرعة هائلة أدى إلى قذف نيوترون من نواة الهيليوم-8، ولفظت النواة أنفاسها الأخيرة لتكوين نواة الهيليوم-7، مثل رف مكتظ تسقط منه ثلاثة كتب دفعة واحدة. هذا «الصوت» العابر للاضمحلال تم تسجيله لأول مرة: تفرقت النيوترونات الثلاثة، تاركة وراءها نواة هيليوم-4 عادية.

تضرب وميض ليزري بلورة أكسيد النحاس، فتنتشر فيها موجات من الإثارة المغناطيسية — الماغنونات — مثل الدوائر في الماء. ولأول مرة، تتبع العلماء مسارها من الولادة إلى الاختفاء بدقة تصل إلى الفيمتوثانية (أجزاء من مليون من مليار الثانية). في البداية، يزيح الضوء الإلكترونات، وتفقد العزوم المغزلية للذرات (مغناطيساتها الداخلية) انتظامها فورًا.

السماء الليلية مليئة بالمنارات، لكن بعضها يضيء بطريقة تجعلها شبه خفية. اكتشف علماء الفلك فئة جديدة من الأجسام — مصادر الأشعة السينية فائقة الليونة. إنها «باردة» جدًا بمعايير الأشعة السينية لدرجة أن إشعاعها يقع على الحدود بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية اللينة، حيث تكون التلسكوبات العادية شبه عمياء.

النيوترون هو الجسيم الذي تتكون منه النجوم النيوترونية بشكل أساسي. وهو غير مستقر بذاته: يعيش النيوترون الحر حوالي خمس عشرة دقيقة، ثم يتحلل إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو. لكن في نوعين مختلفين من التجارب، يختلف زمن الحياة: في حزمة الجسيمات، يعيش النيوترونات أطول قليلاً مما في المصيدة. هذا الاختلاف يقلق الفيزيائيين منذ سنوات عديدة.

في مركز المجرة NGC 4278 يوجد ثقب أسود يقذف نفاثتين من البلازما، وكأنه مدفع عملاق يطلق جسيمات في الفضاء. تعمل هذه النفاثات على تسريع الجسيمات إلى طاقات لم تحلم بها أي معجلات أرضية. مؤخرًا، رصد مرصد LHAASO إشعاعًا شديد الصلابة من هذه المجرة، وهو إشعاع ينشأ عندما تصطدم الجسيمات في النفاثة بشيء ما وتنقل طاقتها إلى الضوء.

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.

النيوترينوات الكونية هي جسيمات شبحية تعبر الأرض بحرية. التقط تلسكوب "آيس كيوب" في جليد القارة القطبية الجنوبية أحد هذه النيوترينوات، وتزامن مع وميض تحت أحمر. تبين أن هذا الوميض هو اللحظة التي كان فيها ثقب أسود يمزق نجمًا في مجرة بعيدة.

أكد بحث جديد أن موجات الصدمة في البلازما المحيطة بـ الثقوب السوداء فائقة الضخامة في مراكز المجرات تعمل مثل أمواج المحيط العاتية، فتعمل على تسريع البروتونات إلى سرعات تقارب سرعة الضوء.

في أعماق النجوم، تندمج النوى الخفيفة منتجة الهيليوم وتيارات من النيوترونات. على الأرض، تُعاد هذه العملية عبر دمج الديوتيريوم والتريتيوم — وهما نظيران خاصان من الهيدروجين، يحتويان على نيوترون واحد ونيوترونين على التوالي.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده النووي الحراري، ينهار لبّه وتُقذف طبقاته الخارجية إلى الفضاء بسرعات تبلغ آلاف الكيلومترات في الثانية. هكذا يولد بقايا المستعر الأعظم — سحابة متوسعة من الغاز المضغوط بموجات الصدمة، تمتد على مدى سنوات ضوئية.

في عام 1181، سجل علماء الفلك الصينيون واليابانيون ظهور "نجم زائر"، وهو نجم ساطع أضاء لمدة ستة أشهر في كوكبة ذات الكرسي ثم اختفى. اليوم، يوجد في هذا الموقع Pa 30: سديم يحتوي على مصدر مركزي حار يقذف المادة بسرعة 16,000 كم/ثانية.