التواء

تبدو السماء الليلية هادئة، لكنها في الحقيقة ممطورة بمطر غير مرئي من الجسيمات المشحونة، وهي الأشعة الكونية. يحاول العلماء منذ زمن طويل فهم أين تولد أكثرها طاقة. حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن مجرتنا تزود الجسيمات حتى طاقة تبلغ نحو 4 إلكترون فولت (EeV)، وهي ما يُسمى "الكاحل" في الطيف. لكن البيانات الجديدة تفرض إعادة النظر في هذا الحد.

في عام 1054، اشتعل نجم في كوكبة الثور. كان ضوء موته ساطعًا لدرجة أنهم رأوه نهارًا لمدة شهر تقريبًا، وسجّله علماء الفلك الصينيون في سجلاتهم. اليوم، ينتشر في ذلك المكان سديم السرطان سديم، وكلّيبتاه هما سُحب غازية ما زال النجم الميت في مركزه يسرّعها. يدور النجم ثلاثين دورة في الثانية، ويقذف جسيمات في الفضاء بقوة تجعلها تتوهج مثل سلك محمّى.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة (في الغالب بروتونات وأنوية ذرية) تتحرك في الفضاء بين النجمي بسرعات تقارب سرعة الضوء. يمكن أن تتجاوز طاقتها طاقة الجسيمات التي تصل إليها أقوى المسرعات الأرضية بملايين المرات.

الأشعة الكونية لا تنتقل في خط مستقيم. فالجسيمات المشحونة، التي تسارعت إلى سرعات هائلة، تتعرج في المجال المغناطيسي للمجرة، مثل حبيبات الغبار في تيار الرياح. يُفترض عادةً أنها تتبعثر ببساطة على طول خطوط المجال وعبرها. لكن المجال يحتوي على انحناءات ودوامات تجعل الجسيمات تنزلق أيضًا جانبياً، مثل متزلج ينحدر على منحدر بشكل مائل.

السر وراء الانكسار الرئيسي في طيف الأشعة الكونية المجرية — الركبة عند 3 بيتا إلكترون فولت — ظل مخبأً قرابة قرن.

في الأوركسترا، يعزف كل موسيقي دوره الخاص، لكن في لحظة معينة تتجمد جميع الآلات على نغمة واحدة. هذا تقريبًا ما تفعله الأشعة الكونية — الجسيمات التي تصل إلينا من نجوم بعيدة.

عندما تُجمع العديد من الذرات المثارة معًا، فإنها غالبًا ما تطلق الضوء بشكل منسق — مثل حشد يصفق بإيقاع واحد. هذه ظاهرة معروفة منذ زمن طويل تُسمى انبعاث ديكي الفائق (Dicke superradiance).

في كل ثانية، تخترقنا مقذوفات غير مرئية قادمة من أعماق الكون. هذه هي الأشعة الكونية — نوى ذرية تم تسريعها إلى سرعات لا تكاد تختلف عن سرعة الضوء. طاقتها أكبر بمئات الملايين من المرات من تلك المتاحة في أقوى مسرعاتنا.

تشبه الموجة الصدمية في الهالة الشمسية الدوي الصوتي الناتج عن طائرة، لكن بدل الهواء هناك بلازما شديدة الحرارة، وبدل الصوت هناك قفزة في الكثافة والمجال المغناطيسي. في 10 مارس 2024، مرت هذه الموجة عبر الجزء الغربي من القرص الشمسي. كانت ضعيفة لدرجة أن سرعتها تجاوزت السرعة المحلية للموجات المغناطيسية بنصف بالمائة فقط (عدد ماخ حوالي 1.005).

عندما يصطدم ثقبان أسودان، يصدران موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان — ويرنان كجرس هائل. الصوت المتلاشي لهذا الرنين، أو الرينغداون (من الإنجليزية ringdown — الاهتزازات المتلاشية)، يحمل بصمة خصائص الثقب الأسود النهائي.

الكاون جسيم طويل العمر بمقاييس العالم الصغير: يعيش لأجزاء من مليار من الثانية قبل أن يتفكك إلى جسيمات أخف. في تجربة KOTO في اليابان، يلتقط الباحثون أندر أشكال هذا الاضمحلال. أحدها عندما يتحول الكاون إلى بيونين متعادلين وجسيم X آخر، يضمحل فورًا إلى فوتونين (جسيمات الضوء). النموذج القياسي — أفضل خريطة حتى اليوم لعالم الجسيمات الأولية — لا يتنبأ بجسيم X كهذا.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة تقصف الأرض باستمرار من أعماق الفضاء. عندما يدخل أحد هذه الجسيمات الغلاف الجوي، يصطدم بأنوية الهواء وينتج شلالًا كاملًا من الجسيمات الثانوية: إلكترونات، وميونات، وفوتونات. يُسمى هذا الشلال بالغيث الجوي الواسع، وقد يمتد لعدة كيلومترات.

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.

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.

الأشعة الكونية هي نوى ذرية تم تسريعها إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. تصل إلى الأرض من جميع الاتجاهات، ومن خلال تركيبها يمكننا معرفة ما يحدث في زوايا بعيدة من المجرة. جمع القمر الصناعي نوكلاون (NUCLEON) هذه الجسيمات لعدة سنوات، والآن أظهرت بياناته نمطًا غريبًا: كلما كان النواة نادرًا في الطبيعة، كان طيفه أكثر صلابة.

في الليل فوق التايغا السيبيرية، يظهر أحيانًا وميض ضوء أزرق خافت. ليس هذا هو الشفق القطبي، بل زخة كونية: جسيم واحد من الفضاء البعيد يصطدم بالغلاف الجوي ويتفتت إلى ملايين الجسيمات الثانوية. تتجه هذه الجسيمات إلى الأرض في جبهة عريضة، مثل موجة من حجر أُلقي في الماء، وتجعل الهواء يتوهج. رصدت منشأتا «تونكا-133» وTAIGA-HiSCORE هذه الوميضات لمدة سبع سنوات.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة تصل إلينا من أعماق المجرة. إذا رسمنا رسمًا بيانيًا يوضح عدد الجسيمات التي تصل عند كل طاقة، نجد الخط مستقيماً ثم ينخفض فجأة بشكل حاد. تسمى هذه الانحناءات "الركب" (knees). وهي تشير إلى أن مسرعًا للجسيمات في الفضاء بلغ حده الأقصى ولم يعد قادرًا على تسريعها أكثر.

في المرفأ الهادئ للفقاعة المحلية — وهي تجويف مخلخل من الغاز الساخن حول الشمس — دوى انفجار مؤخرًا. اشتعل مستعر أعظم على بعد عشرات الفراسخ منا، ولا يزال صداه يتردد في الأرجاء، مغيرًا صورة الأشعة الكونية. لطالما اعتُقد أن تدفق الجسيمات من المجرة منتظم، كضوء مصابيح بعيدة متعددة.

عالياً فوق القارة القطبية الجنوبية، رفع بالون جهازًا لالتقاط الإلكترونات القادمة من الفضاء. تصل هذه الجسيمات من انفجارات نجوم بعيدة وأحداث قوية أخرى. قام الجهاز بقياس طاقتها — أي قوة اصطدامها. وفي أحد نطاقات الطاقة، وُجد أن عدد الاصطدامات أكبر مما توقعته الحسابات. أظهر التحليل الأول للبيانات حدبة عريضة على الرسم البياني: كما لو كان هناك تيار إضافي في تدفق الجسيمات. الآن، تمت معالجة نفس البيانات مرة أخرى بطرق مختلفة.