نبضة ليزرية

على الشاطئ ليلًا تقف منارة. مصباحها شبه مُطفأ معظم الوقت، لكنه كل بضعة أيام، لجزء من الثانية، يومض بضوء يُرى من وراء الأفق. هذا بالضبط ما يفعله PSR J2108+5055: نجم نيوتروني في مجرتنا يظل صامتًا لسنوات، ثم يُطلق نبضة راديوية واحدة قادرة على أن تُطغى على أسراب النجوم.

عندما تصطدم نبضة ليزر قوية بوسط غازي، فإنها تؤين الذرات — أي تنتزع الإلكترونات — وتسرعها إلى سرعات نسبية قريبة من سرعة الضوء. هذه الإلكترونات عالية الطاقة، أثناء مرورها عبر البلازما، تصدر إشعاعًا سينيًا، أشبه بأثر مضيء لجسيم سريع. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون نبضة ليزر واحدة تُنشئ أثرين من هذا القبيل تباعًا، لا أثرًا واحدًا.

تنتشر حزمة الليزر العادية في خط مستقيم، تماماً مثل ضوء المصباح اليدوي. ومع ذلك، يمكن لفّ الضوء في شكل حلزوني يشبه خيط المِفكّة. وتحمل هذه الحزمة زخماً زاوياً مداريًا (OAM) – وهي خاصية لا يقتصر فيها الضوء على الإضاءة فحسب، بل يدير أيضاً كل ما يصادفه في طريقه. وقد وجّه الفيزيائيون هذا الضوء الملفوف إلى البلازما لتسريع الإلكترونات.

إلكترونان ينبعثان من طرف إبرة معدنية في نفس الوقت تقريبًا يبدآن بالتنافر، وهذا مظهر من مظاهر التنافر الكولومبي بين الشحنات المتشابهة. تشبيه: شخصان يحاولان الدخول من باب ضيق في نفس الوقت؛ كلما كانا أقرب إلى بعضهما، زاد إعاقة كل منهما للآخر. تمكن العلماء لأول مرة من قياس هذا التنافر بشكل كامل في ثلاثة أبعاد، باستخدام إبرة ذات طرف رفيع جدًا ونبضات ليزر فائقة القصر لإخراج الإلكترونات.

النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران، وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة، تصدر نبضات راديوية مثل المنارة. لكن بعضها يظل صامتًا معظم الوقت، ولا يطلق سوى نبضة واحدة من حين لآخر. تُعرف هذه الأجسام بالعابرات الراديوية الدوارة (RRAT). اكتُشفت قبل حوالي عشرين عامًا، لكنها ما تزال لغزًا.

المجرة ليست بحيرة هادئة، بل بركة تعلوها تموجات. هذه التموجات تُحدثها المادة المظلمة فائقة الخفة (جسيمات أخف بمليارات المليارات من الإلكترون). تذبذبات مجالها تخل بتوقيت النجوم النابضة البعيدة — وهي منارات كونية تلتقط إشاراتها التلسكوبات الراديوية الأرضية.

الوتر يصدر صوتًا نقيًا تمامًا حتى تلمسه نسمة هواء. هكذا تقريبًا يعمل الليزر فائق الإشعاع: حزمة من الذرات، مشحونة مسبقًا بالطاقة، تمر عبر غرفة من مرآتين — المرنان البصري (مصيدة يتردد فيها الضوء ذهابًا وإيابًا). تتخلى الذرات معًا عن الضوء المخزّن، فينشأ شعاع بتردد مستقر للغاية — يمكن وضعه حتى في الساعات الذرية. لكن مؤلفي الدراسة الجديدة اكتشفوا أن هذه المثالية ليست أبدية.

لأول مرة، تم تحويل ليزر مصنعي، يُستخدم في المصانع لقطع ولحام المعادن، إلى مسرّع جسيمات. أخذ الفيزيائيون ليزر إتيربيوم قياسيًا — قلبه بلورة بحجم كف اليد — وحوّلوا ومضاته إلى أداة لتسريع الإلكترونات حتى接近 سرعة الضوء. في السابق، كانت مثل هذه الحيلة تتطلب أنظمة ليزر فريدة بحجم غرفة كاملة، أما هنا فيكفي جهاز صناعي عادي.

تخيل راقصًا بثلاثة وجوه على قمة موجة ضوئية. وجه ماسك يلتقط الفوتونات الساقطة. ووجه مرآة مثالية تعكس الضوء للخلف. ووجه زجاج معتم ينثر الأشعة في كل الاتجاهات. ما دامت السرعة صغيرة، يبقى الرقص متناغمًا. لكن عند سرعات قريبة من سرعة الضوء، تختل تصميم الرقصة. يشبه الأمر راكب الأمواج الذي يطارد الموجة. في البداية، تدفعه المياه بقوة إلى الأمام.

يمكن للضوء أن يكون ليس مجرد شعاع، بل مسطرة فائقة الدقة. إذا أخذنا ومضات قصيرة جدًا — أقصر من رفرفة جناح ذبابة — وأطلقناها تباعًا، نحصل على مشط طيفي: مجموعة ألوان تفصل بينها فترات متساوية تمامًا، مثل أسنان المشط. هذا القوس قزح يسمح بقياس المسافات والزمن وتركيب المواد بدقة لا تُتصور.

المغناطيسات الصغيرة داخل الذرات — اللفائف النووية — يمكن أن "تتجمد" في بلورة باردة لدقائق طويلة. هذا يعيق الضبط السريع لأجهزة الاستشعار الكمومية: فكل شيء يصل إلى الحالة المطلوبة ببطء شديد. وجد الفيزيائيون طريقة لدفعها بالضوء.

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

ومضة الكاميرا العادية تستمر لأجزاء من الألف من الثانية. النبضة الأتوسيكندية أقصر بمقدار تريليون مرة — فخلال زمنها، يقطع الضوء مسافة أصغر من حجم الذرة. تعمل هذه الومضات كغالق فائق السرعة: فهي تجمد حركة الإلكترونات، مما يتيح رؤية كيف تقفز بين المدارات أو تشارك في تفاعل كيميائي. حتى الآن، كانت مشكلة هذه "الغواقل" هي الضوء الضعيف.

البقعة الشمسية — جزيرة مظلمة على السطح الملتهب — تتنفس. كل ثلاث دقائق تنطلق منها موجة، تجري على طول قوس مغناطيسي غير مرئي وتجعل البلازما فوق البقعة المجاورة تومض بإشارة راديوية. التقطت التلسكوبات الراديوية سبعًا من هذه الومضات متتالية في 14 فبراير 2024. تكررت سلسلة الانفجارات بفترة زمنية تبلغ حوالي 160 ثانية.

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.

يمكن للضوء أن يحمل المعلومات أسرع من أي إلكترونيات. لكن عادةً ما يكون بين الحاسوب والليزر محول رقمي-تناظري (digital-to-analog converter) — جهاز يحول الأصفار والواحدات إلى إشارات كهربائية. وهذا الجهاز هو ما يبطئ العملية برمتها. جهاز الإرسال الجديد يستغني عن هذا الوسيط. يمر شعاع الليزر عبر عدسة مسطحة بطور قابل للتحكم — صفيحة رقيقة تلوي موجات الضوء.

ومضة ليزر مدتها 50 فيمتوثانية (femtosecond) تشبه طلقة تدوم جزءًا من مليار من الثانية. خلال هذا الزمن، يقطع الضوء 15 ميكرومترًا فقط — أقل من سمك شعرة الإنسان. لكن إذا مررت هذه الومضة عبر مضخم، فإنها تبدأ بالتمدد مثل شريط مطاطي وتفقد حدتها. وجد الفيزيائيون من مجموعة ياشا سوهل-ديكشتاين (رغم أنه معروف بأعمال أخرى) طريقة لتجاوز ذلك.

تحت الأرض، في منجم ذهب سابق، يوجد خزان مملوء بالزينون السائل. إذا مرّ عبره جسيم من المادة المظلمة، يومض الزينون. لكنه يومض أيضًا من الجسيمات العادية — مثل النيوترينوات أو بقايا النشاط الإشعاعي. المهمة هي معرفة أي وميض ناتج عن المادة المظلمة وأي ناتج عن الضوضاء. وجد العلماء في تجربة المادة المظلمة LZ طريقة: للوميض شكل.

تضرب شعاع الليزر غشاءً من الذهب والفضة لبضع نانوثوانٍ فقط — خلال هذا الوقت يقطع الضوء مسافة أقل من متر. عند نقطة الاصطدام، يغلي المعدن ويتناثر ويتجمد في نمط عشوائي من جسيمات صغيرة. كل نمط من هذه الأنماط فريد مثل الشقوق على الجليد أو أغصان الأشجار. لا يمكن تكراره عمدًا: أدنى اهتزاز في الشعاع أو ذرة غبار تغيّر الصورة.

في أعماق كوكبة العقاب، يختبئ سديم يشبه فقاعة منتفخة. تنفخه نجمة صغيرة بحجم مدينة، وهي نجم نابض يدور عدة مرات في الثانية ويفقد طاقة دورانه. عادةً، تتوهج هذه الفقاعات بقدر قوة نجمها النابض. لكن هذه الفقاعة، التي أطلق عليها اسم «مسرّع العقاب»، أظهرت سطوعًا يفوق المتوقع. التقط تلسكوب LHAASO في جبال الصين أشعة غاما من هذا السديم بطاقة تتجاوز مئة تيرا إلكترون فولت.

مدينتان: واحدة بشوارع مستقيمة ومنظمة، وأخرى بأزقة متشابكة. إذا أطلقنا تيارًا مائيًا قويًا في كلتيهما، ففي الأولى سيغادر الماء بسرعة عبر القنوات، بينما في الثانية سيغرق كل شيء. هذا تقريبًا ما يحدث للأنسجة أثناء العلاج الإشعاعي فائق السرعة المعروف باسم FLASH. في الأنسجة السليمة، تُرتَّب الخلايا بشكل منتظم، مثل المنازل على شوارع مستقيمة.

ومضات إيقاعية لمنارة وسط ضباب كثيف — هكذا يبدو البحث عن النجوم النابضة. المنارة تدور، وشعاعها يصل إلى التلسكوب بشكل دوري. لكن الضباب يشتت الضوء، فتبدو الفترة مختلفة قليلًا. إذا رُصدت نفس المنارة مرتين، يمكن المقارنة: يجب أن تتطابق الفترات تقريبًا، وأن يكون التشتت متشابهًا. هذا بالضبط ما تفعله الخوارزمية الجديدة للبحث عن النجوم النابضة — نجوم نيوترونية سريعة الدوران تُصدر نبضات راديوية.

في كرة كثيفة من مئات الآلاف من النجوم، تُعرف بالعنقود الكروي، التقطت التلسكوبات الراديوية إيقاعًا ضعيفًا لكنه واضح جدًا. كل 2.45 ميلي ثانية — أي ما يعادل 408 نبضة في الثانية — يصل منها نبض راديوي. هكذا يعلن عن نفسه نجم نابض ميلي ثانية جديد النجم النابض — نجم ميت بحجم مدينة، يدور أسرع من شفرات المروحية. هذا النجم النابض، الذي أُطلق عليه اسم PSR J1716-2808A، ليس وحيدًا.

رصد التلسكوب الراديوي VLA سديم بوميرانج — سحابة نفختها الرياح القادمة من نجم نيوتروني سريع الدوران. في الصور الجديدة ظهرت تفاصيل بحجم قرص القمر في السماء: نواة ممدودة حول النجم النابض وقوس طويل يلتف حولها من الشمال. القوس لا يلامس النواة — بينهما فجوة مظلمة، مثل المسافة بين الشاطئ والموجة.

شعاع الليزر عادة يتحرك في خط مستقيم، مثل تيار الماء من خرطوم. لكن ماذا لو قمنا بلف هذا التيار كخيط برغي؟ سنحصل على زنبرك ضوئي — شعاع يدور حول محوره أثناء حركته. في كل نقطة في الفضاء، يصف سطوعه حلزونا، وإذا وضعنا شاشة مسطحة في مسار هذا الشعاع، ستظهر عليها بقعة ضوء دوارة. قاس الفيزيائيون السرعة التي تتحرك بها هذه البقعة في دائرة.

نبض الليزر الذي يجري عبر البلازما يشبه عداءًا يشق طريقه وسط حشد من الناس. فهو يدفع الإلكترونات جانبًا، تاركًا خلفه قناة منخفضة الكثافة — تمامًا كما يفسح الحشد الطريق أمام العداء السريع. داخل هذه القناة، يتحرك قمة موجة الضوء أسرع قليلًا من الضوء في الفراغ، وهذه السرعة هي التي تحدد مدى كفاءة النبض في نقل الطاقة إلى الجسيمات.

النجم النشط (blazar) هو مجرة بعيدة تنبعث من مركزها نفاثة بلازما موجهة نحونا تقريبًا. داخل هذه النفاثة، تتسارع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء وتصدر إشعاعًا قويًا. عندما يتوهج النجم النشط، يتغير سطوعه عشرات المرات خلال ساعات أو أيام، ومن شكل هذا التوهج يمكننا استنتاج ما الذي سرّع الجسيمات.

حلقة بحجم طبق العشاء جعلت حزمة الإلكترونات تدور في مسار دائري. قطرها 22 سنتيمترًا، وتستغرق الدورة الكاملة 4.7 نانوثانية فقط. للمقارنة: في ثانية واحدة، يمكن لهذا الإلكترون أن يكمل أكثر من مئتي مليون دورة. لإدخال الجسيمات إلى الداخل، استُخدم نبضة كهربائية قصيرة مدتها 140 نانوثانية. عملت هذه النبضة كدفعة حادة تقذف كرة صغيرة في مسار منزلق.

النجم النيوتروني PSR J1101-6101 يندفع عبر الفضاء بسرعة تخطف الأنفاس. يترك خلفه أثرًا من الجسيمات المشحونة — مثل زورق سريع يشق الماء ويجر خلفه ذيلًا من الرغوة. نظر تلسكوب ميركات الراديوي في جنوب أفريقيا إلى هذا الذيل لمدة عشر ساعات ونصف ورأى ما لم يُلاحظ من قبل: الذيل ليس أملس، بل مشقوق بخطوط عرضية. هذه الخطوط ليست مجرد نمط.

حتى في شعاع الليزر المتماسك تمامًا توجد لاحتمالية أساسية — ضوضاء كمومية، تنشأ من تموجات الفراغ في المجال الكهرومغناطيسي. تعلم الفيزيائيون «ضغط» هذه الضوضاء، مثل بالون يُعصر في وسطه: تموجات السعة أو الطور تُخمد في اتجاه تربيعي واحد، وتزداد حتمًا في الاتجاه المتعامد.

لمدة اثنتي عشرة سنة، ظل علماء الفلك على التلسكوب الراديوي LPA في بوشينو يستمعون إلى نفس المنطقة من السماء — الاتجاه نحو المجرّة 3C 33. خلال هذه الفترة، التقطوا ست إشارات راديوية قصيرة فقط، استمرت كل منها من دقيقة إلى أربع دقائق. تبيّن أن هذه الدفعات شديدة السطوع — وصل تدفقها إلى مئات اليانسكيات (وحدة سطوع المصدر الراديوي، مثل اللومن للمصباح، لكن لموجات الراديو).

هناك جزء من الضوء ظل لفترة طويلة بقعة عمياء: من 5 إلى 15 تيراهرتز. هذه ليست موجات راديوية ولا حرارة تحت حمراء، بل شيء بينهما، حيث تهتز الجزيئات بشكل مميز. باحثون من ألمانيا بنوا جهازًا يطل أخيرًا على هذه "فجوة التيراهرتز الجديدة" وحتى أبعد من ذلك — إلى ما بعد 25 تيراهرتز. السر يكمن في بلورة اسمها الطويل BNA. عندما تضربها نبضة قصيرة من الضوء تحت الأحمر القريب، تستجيب البلورة بومضة في ذلك النطاق غير المرئي.

مقياس حاسوب كمومي يشبه نسج شبكة من الضوء: كل خيط يرتجف من أنفاس الحرارة، مهددًا بتمزيق النمط الذي بالكاد يتشكل. لقد تنبأ ريتشارد فاينمان وديفيد دويتش بأن الفوتونات هي كيوبتات مثالية، لكنها بحاجة إلى مسرح: دارة قابلة للبرمجة تتلاعب بعشرات الأنماط.