أشعة تحت الحمراء

في كل ثانية، ترسل آلاف الطائرات المدنية إشارات راديوية في السماء، وهكذا يرى مراقبو الحركة الجوية أين تحلق كل طائرة. وهذه الإشارات لا تسير في خط مستقيم: فالهواء ذو الرطوبة المتفاوتة يحنيها مثل العدسة. وإذا التقطنا هذا الانحناء، يمكننا حساب أين يكون الهواء أكثر جفافًا وأين يكون أكثر رطوبة. وقد وضع العلماء جهازًا على الأرض يلتقط الإشارات من عدة طائرات في آن واحد.

المصباح العادي يبعث الضوء في كل الاتجاهات، وبعد بضعة عشرات من الأمتار يضعف شعاعه لدرجة أنه بالكاد يضيء الجدار. الغلاف الجوي يبعثر الفوتونات، والرياح والتيارات الحرارية تشوّه جبهة الموجة إضافيًا. لكن إذا مددنا أنبوبًا غير مرئي للضوء في الهواء مباشرة، فسيسير الشعاع عبره كما يسير الماء في خرطوم. هذا ما تم تحقيقه باستخدام نبضات ليزر قصيرة.

كل صباح، يكنس عامل النظافة أوراق الشجر في كومة واحدة. الشمس، أثناء عبورها المجرة، تفعل شيئًا مشابهًا: جاذبيتها تجمع الغاز بين النجمي المتناثر في مخروط غير مرئي — قمع جاذبية عملاق يركّز المادة.

قبل عشرة مليارات سنة، كان الكون مليئًا بشرارات قرمزية غريبة. رصدها تلسكوب جيمس ويب في صور الأعماق السحيقة عند انزياحات حمراء بعيدة — مصادر مدمجة تتوهج كـمجرات بأكملها، لكن بحجم منطقة صغيرة جدًا في مركزها. أطلق عليها الفلكيون اسم «النقاط الحمراء الصغيرة». وظلت طبيعتها عصية على التفسير طويلًا.

في نظرية الحقل الكمومي لغز قديم: التباعدات تحت الحمراء. عادةً ما تُعتبر عائقاً تقنياً مزعجاً يجب «تغطيته» بحذر في الحسابات. لكن ماذا لو لم تكن خللاً، بل ميزة؟ تقلب نظرة جديدة المنظور: التباعدات تحت الحمراء ليست عائقاً، بل دليل مباشر على أن الفراغ ليس خواءً جامداً. إنه متجوّل، يتحرك باستمرار عبر عائلة من الحالات المتعامدة.

عندما كان عمر الكون أقل من مليار سنة، كانت ثقوب سوداء تتربع في مراكزه بكتلة تعادل مليار شمس. وفقاً للصورة المقبولة، نمت هذه الثقوب من خلال التهام المادة بشراهة، لكن الحسابات تُظهر أن "التغذية" كان يجب أن تكون شبه مستمرة، بينما تستمر توهجات الكوازارات المرئية لبضعة ملايين من السنين فقط.

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.

الكون عبارة عن أوركسترا هائلة تعزف سيمفونية التوسع. تتباعد المجرات على إيقاع موسيقى غير مسموعة لـ الطاقة المظلمة. لكن المشكلة أن عصا القائد التي يحملها إدوين هابل وآدم ريس وفيرا روبين تحدد إيقاعين غير متوافقين.

عندما وجّه تلسكوب جيمس ويب الفضائي نظره إلى أعماق الزمن، توقع الفلكيون رؤية المجرات المعتادة. ولكن بدلاً من ذلك، تزيّنت الصور بمجموعة من النقاط الحمراء الساطعة والمدمجة بشكل لا يُصدق. هذه الأجسام، التي حصلت على لقب «النقاط الحمراء الصغيرة» (LRD)، لم تكن مدنًا نجمية، بل شيئًا أكثر غرابة – أشبه بفوانيس سماوية صغيرة، يحتدم بداخلها لهيب مخفي عن الأنظار.

نار لا يراها أحد، لكن الجميع يشعر بدفئها — هكذا اكتشف علماء الفلك وميضًا في مجرة بعيدة. ليس عبر الضوء، بل عبر الأشعة تحت الحمراء الصادرة عن غبار ساخن. المجرة المسماة SDSS J010320.39+140152.5 لفتت الانتباه عندما توهج وسطها فجأة في نطاق الأشعة تحت الحمراء — وكأن أحدهم ألقى حطبًا على نار خفية. استمر الوميض نحو عام.

جهاز قياس المسافة العادي يرسل نبضة ضوئية واحدة وينتظر عودتها – مثل شخص يصرخ في الفضاء الفارغ ويستمع إلى الصدى. لكن إذا استخدمنا عدة مصادر تضيء بتناغم، وحللنا ليس قوة الإشارة بل إيقاع تتابع الومضات المنعكسة، تصبح الصورة أكثر وضوحاً. تأثير الوميض المتزامن – الإشعاع الفائق – معروف من أعمال روي جلاوبر.

الإشعاع الأثري (Cosmic Microwave Background) هو وهج ما بعد الانفجار العظيم الذي نراه على موجات مليمترية. لكن له ذيل طويل الموجة يمتد إلى نطاق الراديو. على أطوال موجية أطول من 21 سنتيمترًا، يبدأ هذا الضوء في الامتصاص بواسطة الهيدروجين المحايد المنتشر في الفضاء البعيد.

النجوم النيوترونية هي بقايا نجوم فائقة الكثافة، حيث تنضغط المادة إلى أقصى حد وصفتها سوبرامانيان تشاندراسخار. النجوم المغناطيسية هي نوع منها بمجال مغناطيسي أقوى بتريليونات المرات من مجال الأرض.

تشبه المجرة فطيرة مضيئة مرصعة بالنجوم. إذا نظرت إليها بشكل مسطح، ترى كل شيء دفعة واحدة — الأذرع الساطعة والطبقات الداكنة من الغبار. لكن بمجرد إمالة الفطيرة، يتغير المشهد: تتراكب الطبقات ويختلط الضوء. هذا التأثير بالذات، كما اتضح، يخلق وهم الارتباط الوثيق بين إشعاع الراديو وأشعة غاما في الأنظمة النجمية البعيدة.

الغاز شبه غير مرئي، لكن له درجة حرارة يمكن قراءتها من خلال الطريقة التي "يحجب" بها الخلفية الحرارية. في التجربة، تنظر الكاميرا إلى شاشة دافئة عبر نفاثة من غاز ثاني أكسيد الكربون. إذا كان الغاز أبرد من الخلفية، يظهر كبقعة داكنة؛ وإذا كان أدفأ، يظهر كبقعة فاتحة. لكن هناك درجة حرارة خاصة للخلفية تختفي عندها البقعة تمامًا: يصبح الغاز والخلفية غير قابلين للتمييز.

لم تعد السماء ليلًا هادئة كما كانت من قبل. تمر فوقنا آلاف الأقمار الصناعية، وقد يصدر كل منها موجات راديوية عشوائية، مما يعيق علماء الفلك عن الاستماع إلى المجرات البعيدة. لفهم هذه الضوضاء، وجّه العلماء التلسكوب الراديوي 21CMA في الصين نحو مرور أقمار ستارلينك. يتكون التلسكوب 21CMA من العديد من الهوائيات الصغيرة المنتشرة في الحقل.

الكون محمول بهيكل غير مرئي من المادة المظلمة — مادة غامضة لا تظهر إلا من خلال الجاذبية. ربما يكون جزء منها فوتونات مظلمة، نسخ شبحية افتراضية للفوتونات العادية، لا تتفاعل تقريبًا مع المادة وتخترقها كما يخترق الضوء الزجاج.

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.

النجم المتقدم في العمر يطرح طبقاته الخارجية، ويبقى نواة كثيفة ساخنة بحجم الأرض — القزم الأبيض. إذا كانت بقايا كواكب أو كويكبات أو مذنبات تدور بالقرب منه، فإنها تسخن وتبدأ بالتوهج في نطاق الأشعة تحت الحمراء. هذا الضوء الزائد يشبه بقعة دافئة على أرضية باردة. أخذ علماء الفلك بيانات من تلسكوب غايا الفضائي (Gaia) ومسوح أرضية.

عادة ما يعني الجرم الأحمر البعيد شيئاً واحداً: أمامنا ستار من الغبار فوق قرص ملتهب يسقط في ثقب أسود. لكن عندما قام جيمس ويب بتحليل ضوئه إلى أطيافه، ظهر ظل بداخله – تماماً كما يعترض بخار الماء المغلي الأشعة. هذا يكشف عن درجة الحرارة: الغاز المتوهج ليس شديد الحرارة لدرجة البياض، بل دافئ فحسب، حوالي 2000-4000 درجة مئوية.

مرجل يغلي: البخار يتصاعد، والماء يغلي، وتختلف درجة الحرارة من نقطة إلى أخرى. هكذا في الفضاء أيضًا: سحب الغاز حول النجوم الشابة ليست كرات ملساء، بل خليط متلاطم مع دوامات وتفاوت في الكثافة. ظل علماء الفلك يعتبرون هذه السحب متجانسة لفترة طويلة، لكن هذا التبسيط قد يشوّه الاستنتاجات. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لسحابة حول نجم حار منفرد — مع الاضطراب وبدونه.

سماء الليل لا تتوهج بالنجوم فقط. بينها ينتشر توهج ميكروي خافت، لاحظه علماء الفلك منذ ثلاثة عقود لكنهم لم يستطيعوا تفسيره. إحدى الأفكار: أن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات هي المسؤولة — وهي جزيئات تشبه رقائق السناج الصغيرة، تدور في الفضاء وتصدر موجات راديوية مثل هوائيات صغيرة.

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.

أطلق عليها علماء الفلك اسم "النقاط الحمراء الصغيرة" — وهي مجرات بعيدة تختبئ في نوىها ثقوب سوداء فائقة الكتلة محاطة بغلاف كثيف من الهيدروجين . هذا "التغليف" ليس مجرد تمويه كوني، بل آلية تسريع طبيعية. الثقب الأسود، أثناء ابتلاعه المادة من قرص التراكم، يقذف جزءًا منها مرة أخرى على شكل نفاثات نسبية ضيقة.

أي جهاز، من محمصة الخبز إلى الهاتف الذكي، يسخن أثناء عمله. هذه نتيجة حتمية لتحويل الطاقة – يظل هناك دائمًا أثر حراري، مثل الموقد الساخن بعد الطهي. ينطبق قانون الأنتروبيا أيضًا على المجرات: إذا كانت هناك حضارات متقدمة تعيد معالجة ضوء نجوم بأكملها، فيجب أن 'تتوهج' بحرارة تحت حمراء – مثل مطبخ لا يتوقف فيه الطهي على مدار الساعة.

منزلان بواجهتين متشابهتين لكن بتصميم داخلي مختلف: من الخارج الطيف على شكل V متشابه، لكن من الداخل مصادر ضوء مختلفة وكميات غبار مختلفة. هكذا تبدو مجموعتان من المجرات البعيدة التي ظل علماء الفلك يخلطون بينها لفترة طويلة. الأولى: النقاط الحمراء الصغيرة (LRD)، وهي مجرات مدمجة محمرّة في الكون المبكر اكتشفها تلسكوب جيمس ويب.

في مركز بقايا المستعر الأعظم SN 1987A، على بعد 168 000 سنة ضوئية من الأرض، يختبئ جسم يبحث عنه علماء الفلك منذ 37 عامًا. إنه أقرب مستعر أعظم انفجر أمام أعين التلسكوبات الحديثة، والوحيد الذي لم يُرَ بقاياه المدمجة مباشرة حتى الآن. في عام 2022، ميّز تلسكوب جيمس ويب لأول مرة خطوطًا ضيقة للأرجون والكبريت صادرة من قلب المقذوف.

التلسكوب الراديوي RATAN-600 هو حلقة من مئات الألواح الألومنيومية على منحدر جبل في قراتشاي-تشيركيسيا. في ربيع عام 2018، التقطت مرآته موجات راديوية من ستة عشر قزمًا أحمر — نجوم صغيرة وخافتة ولكنها طويلة العمر جدًا. لكل منها كواكب مشابهة للأرض في الحجم وتقع في "منطقة الحياة": ليست حارة جدًا ولا باردة جدًا، حيث يمكن أن تبقى المياه سائلة.