لهاسو

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.

عاصفة رعدية في الطبقات العليا من الغلاف الجوي تدوم أجزاء من المليون من الثانية. يصطدم شعاع كوني، وهو بروتون أو نواة هيليوم، بجزيئات الهواء، فتنطلق إلى الأسفل سرب كامل من الجسيمات. معظمها يبقى متماسكًا، لكن أحيانًا يكتسب جسيم واحد طاقة كافية ليتقدم على البقية. عندها ينقسم الوابل إلى قسمين: تظهر حدبتان في المقطع الطولي، مثل صدى مزدوج لضربة واحدة. حتى الآن، شوهدت مثل هذه الزخات المزدوجة فقط في المحاكاة.

السماء الليلية في ضوء النيوترينو تشبه لوحة يعمل عليها يدان. إحداهما تحمل فرشاة عريضة ناعمة، وهي بقايا المستعرات العظمى، الأغلفة المتبقية بعد انفجارات النجوم. والأخرى تضغط على قلم رفيع صلب، وهي الميكروكويزارات، أنظمة ثنائية حيث يلف الثقب الأسود المادة في نفاثات ضيقة.

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.

مصباح مختبئ خلف حوض سمك كبير مملوء بالماء. أنت لا ترى مصدر ضوء واحدًا، بل عدة انعكاسات وانكسارات له — فالماء يحني مسار الأشعة. وعلى نحو مماثل تقريبًا، تعمل المجرة الضخمة كـ عدسة جاذبية عملاقة: فمجال جاذبيتها يحني أشعة الكوازار البعيد (النواة الساطعة لـمجرة)، فتظهر في السماء عدة نسخ منه دفعة واحدة.

عالياً في الجبال، حيث الهواء نقي وهادئ، يستعد الفيزيائيون لاصطياد ضيوفٍ خفيّين من الفضاء — النيوترينوات. هذه الجسيمات، مثل الأشباح، تخترق الأرض دون أن تترك أثراً يذكر. لكن أحياناً يصطدم نيوترينو بذرة، مولّداً وابلاً من الجسيمات يمكن رؤيته. النيوترينوات ثلاثة أنواع (نكهات): إلكترونية، وميونية، وتاو-نيوترينو.

الكون أشبه بقاعة حفلات موسيقية عملاقة، حيث تحلّق بدلاً من الجدران والشرفات سحب غير مرئية من المادة المظلمة. هذه المجموعة المعمارية ليست ثابتة: فهي تكسر وتشتت «الموسيقى» التي تمر عبرها — أي الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء.

يحمل ضوء النجم البعيد همهمةً صامتة لأغلفة الكواكب التي تدور حوله. كان التقاطه لفترة طويلة أشبه بتمييز الهمس وسط شلال هادر. لكن مع ظهور التلسكوب فائق الكبر (ELT) البالغ قطره 39 مترًا، ومطياف ANDES بدقة 100,000، لم تعد هذه المهمة مستحيلة. أصبح كل كوكب الآن أشبه بوتر في أوركسترا كونية ضخمة.

لطالما بحث علماء الفلك عن 'مصانع' لأكثر الأشعة الكونية طاقة - جسيمات تحمل في طياتها عالما كبيرا مضغوطا إلى حجم نواة الذرة. كانت الشبهات تدور حول مناطق تشكل النجوم الضخمة مثل الدجاجة OB2، حيث تتصادم رياح العمالقة الشباب. لكن الطبيعة، كمحتال، أخفت قلب المسرع في مكان آخر - داخل نظام ثنائي ضيق.

في كوكبة العقاب، على بُعد نحو 40 ألف سنة ضوئية منا، يعمل أحد أقوى المسرّعات الطبيعية في المجرة. إنه الميكروكويزار GRS 1915+105، وهو زوج من نجم عادي وثقب أسود. يجذب الثقب الأسود مادة النجم إليه ويقذفها على شكل نفاثتين ضيقتين، تتسارعان إلى ما يقارب سرعة الضوء.

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.

الاستماع إلى الكون يعني التحلي بالصبر وضبط السمع. اختار الفلكيون لذلك أكثر الأدوات حساسية عند الترددات المنخفضة: مصفوفة الهوائيات OVRO–LWA – وهي 352 هوائياً ثنائي القطب منتشرة على مساحة كيلومترين ونصف في صحراء كاليفورنيا. خلال فترة تعريض قصيرة بشكل لا يصدق تبلغ 30 ثانية، قدم هذا الجهاز أكثر من ثلاثة ملايين لقطة للسماء بأكملها، مجزئاً الضوضاء الراديوية إلى نصف مليون شريحة ترددية بعرض 10 هرتز فقط.

في ثلاثينيات القرن العشرين، كان فريتز زويكي أول من لاحظ أن المجرات في العناقيد تتحرك بسرعة كبيرة جداً – شيء غير مرئي كان يمسك بها. لاحقاً، قاست فيرا روبين دوران المجرات الحلزونية، مؤكدةً أن الكون يعج بـ المادة المظلمة. نعلم اليوم أنها ترسم الشبكة الكونية، لكن طبيعة جسيماتها لا تزال لغزاً.

قبل 12 مليار سنة تقريبًا، عندما كان الكون يعيش "ظهيرة كونية" عاصفة — حقبة تشكل النجوم القياسي — كان الكوازار WISSH13 يشتعل في قلب إحدى المجرات. اليوم، يصل ضوؤه إلى الأرض بعد عبوره نسيج الكون المتمدد (انزياح أحمر 3.294 — نتيجة مباشرة لقانون إدوين هابل)، حاملاً قصة كارثة مذهلة.

الشفق القطبي مثل مسرح بعيد: قد يكون العرض مستمرًا، لكن رؤيته تعتمد على الستار. هنا، الستار هو الغيوم وضوء القمر. سابقًا، حاولت التوقعات تخمين حقيقة الشفق وظروف الرؤية معًا، خالطةً كل شيء في كومة واحدة. هذا مثل التنبؤ بما إذا كان العرض سيعجبك دون الفصل بين أداء الممثلين والرؤية من الصف الأخير. مؤلفو الدراسة فعلوا الأمر بشكل مختلف. بنوا نظامًا من خطوتين.

تعمل العدسة المكبرة على تجميع ضوء الشمس في نقطة مضيئة. إذا كان هناك عيب صغير في الزجاج، فسيتشوه قرص الضوء. هذا هو تقريبًا مبدأ عدسة الجاذبية: مجرة ضخمة تعمل على انحناء أشعة الضوء القادمة من مصدر أبعد، مما يخلق صورة مكبرة ومشوهة أحيانًا.

في ليلة مظلمة فوق سهول أوروغواي، تتوهج فجأة كرة مبهرة بصمت. تطير لثوانٍ معدودة، متناثرةً شرارات، ثم تخفت خلف الأفق. هذا شهاب ناري — قطعة كبيرة من كويكب اقتحمت الغلاف الجوي. إذا نجا من السقوط، فسيستقر نيزك على الأرض. التقاط هذه اللحظة والعثور بسرعة على الحجر هو مهمة شبكة Bocosur: عشرون كاميرا موزعة على مسافة حوالي 120 كم من بعضها البعض تغطي مساحة تعادل نصف مساحة ألمانيا.

التلسكوب الراديوي FAST في الصين هو طبق عملاق يبلغ قطره نصف كيلومتر، مخبأ في قمع طبيعي بين الجبال. يلتقط موجات الراديو من الفضاء، وفي أحدث مسح للسماء عثر على 70 جسمًا غريبًا: تصدر إشارة راديوية مميزة لسحب الهيدروجين، لكن عند النظر إليها بالتلسكوب البصري العادي لا يُرى شيء تقريبًا. تسمى هذه الأجسام مرشحين لمجرات مظلمة.

انفجار أشعة غاما GRB 221009A توهج بسطوع هائل لدرجة أنه وُصف بأنه «الأكثر سطوعًا على الإطلاق». رصد مرصد LHAASO منه كمات غاما بطاقة تصل إلى 13 تيرا إلكترون فولت — أي أكبر بآلاف المرات من طاقة الجسيمات في أجهزة الأشعة السينية.

استغرق ضوء المجرة البعيدة 13.4 مليار سنة ليصل إلينا. التقطه تلسكوب جيمس ويب وحلله إلى ألوان. في الطيف تظهر خط هيدروجين ساطع — مثل بصمة إصبع تقول: المجرة GS-z13-1-LA تولد النجوم بنشاط. النجوم الشابة الساخنة داخل المجرة تعمل مثل الكشافات. تصدر أشعة فوق بنفسجية تقتلع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين المحيطة.

أشعة غاما ذات طاقة تتجاوز مئة تريليون إلكترون فولت — مثل حجارة تُقذف بقوة لا تصدق. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذه «الحجارة» لا يمكن أن تُطلق إلا بواسطة البروتونات — جسيمات ثقيلة معجلة في مسرعات كونية. لكن العمل الجديد يُظهر: في بعض الأحيان تكفي الإلكترونات الخفيفة.

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.

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.

انفجار غاما هو مثل طلقة من مدفع كوني: وميض قصير لكنه مبهر، يخفت لمدة ثوانٍ ضوء مجرة بأكملها. لكن عند النظر إليه في أشد نطاقات غاما طاقةً (فوتونات ذات طاقة أعلى من غيغا إلكترون فولت)، غالبًا ما يضيع الإشارة في الضوضاء، مثل همس خافت في قاعة صاخبة. ابتكر علماء الفلك حيلة: جمع 330 من هذه "الهمسات" معًا لسماع الجوقة الجماعية.

في أكتوبر 2022، أطلق الكون ألعابًا نارية رصدتها جميع الكواشف على الأرض. الانفجار الذي حمل اسم GRB 221009A كان شديد السطوع لدرجة أنه وُصف بأنه «الأكثر سطوعًا في تاريخ الرصد». هذا هو انفجار غاما (gamma-ray burst) — وميض قصير لكنه قوي بشكل هائل، يطلق في ثوانٍ طاقة تفوق ما ستنتجه الشمس طوال حياتها.

موجات الجاذبية هي تموجات في نسيج الزمكان تنتشر من المصادر كالدوائر التي تتكون على سطح الماء عند رمي حجر. عندما تنحني الموجة حول مجرة، يتقوس مسارها، كما تلتقي تموجات الماء بصخرة تحت الماء. تعمل كتل المادة المظلمة غير المرئية داخل المجرات كمجموعة من الحصى الصغيرة — كل منها يحدث اضطرابًا ضئيلاً.

في مطبخ يُطهى فيه الحساء ويُشوى اللحم ويُخبز الخبز في الوقت نفسه، يحدث كل شيء في قدر واحد. هكذا تقريبًا تبدو المنطقة الجزيئية المركزية (CMZ) — وهي تجمع كثيف من الغاز في قلب درب التبانة. هنا، على بُعد بضع مئات من السنين الضوئية فقط من الثقب الأسود الهائل القوس A*، يتصرف الغاز بشكل غير عادي: فهو تارة ينضغط، وتارة يسخن، وتارة يصطدم بنفسه.

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.

في أعماق جبال الأبينيني الإيطالية، تحت طبقات الصخور، توجد بلورة تلتقط كل اضمحلال للأمريسيوم المشع. يصدر الأمريسيوم أشعة غاما بطاقة 59.5 كيلو إلكترون فولت — مثل رنين حاد جدًا يظل صوته ثابتًا دائمًا. لو كانت الأكسيونات — وهي جسيمات افتراضية للمادة المظلمة — تمر عبر البلورة، فقد يتغير هذا الرنين قليلًا في بعض الأحيان.

المجرات، مثل دوامات هائلة، تصطدم أحيانًا وتندمج. في هذه الفوضى، ينضغط الغاز، وتشتعل نجوم جديدة، ويولد في المركز منارة راديوية ساطعة. ضوءها ليس مرئيًا للعين، بل هو موجات راديوية تخترق الغبار والغاز، مثل صفارة إنذار تخترق الضباب.

لمدة ثلاث سنوات متتالية، وفي كل ليلة، تتجه التلسكوبات نحو نقطة واحدة في السماء. هناك تقع المجرة Mrk 421، التي ينبعث من نواتها نفاث من الجسيمات موجه تقريبًا نحو الأرض تمامًا. تُعرف هذه الأجسام باسم النجوم الزائفة المزودة بنفاثات (blazars). الثقب الأسود في مركز المجرة يلف المادة في قرص، ويُقذف جزء منها إلى الخارج في حزمتين ضيقتين.

المادة المظلمة تشبه الغراء غير المرئي الذي يمسك المجرات ببعضها. إنها لا تُصدر ضوءًا، لكن إذا تصادمت جسيماتها فقد يومض إشعاع غاما. بحث العلماء عن مثل هذه الومضات في المجرات القزمة — وهي تجمعات نجمية صغيرة حيث تكون المادة المظلمة وفيرة جدًا والمادة العادية شبه معدومة. الأمر أشبه بالبحث عن همس في غرفة هادئة: كلما قلّ الضجيج، كان الاستماع أسهل.

جسيمات كونية بطاقة تفوق بملايين المرات ما تستطيع مسرعات الأرض توليده، تصطدم بالغلاف الجوي وتُنتج وابلًا من الجسيمات الثانوية. يشع هذا الوابل موجاتٍ راديوية تلتقطها هوائيات على الأرض. لكن الإشارة ضعيفة: يطغى عليها ضجيج الراديو القادم من مجرتنا وضجيج أجهزة الاستقبال نفسها. تمييز مثل هذه الإشارة أشبه بسماع همسٍ في شارعٍ مزدحم. تعمل الشبكة العصبية كمترجمٍ يستمع في الوقت نفسه إلى نبرة الصوت ويفكك الكلمات.

في الليل، لا تكون السماء سوداء تمامًا. حتى بعيدًا عن المدن، تتوهج الطبقات العليا من الغلاف الجوي بشكل خافت: ضوء الشمس يجعل ذرات الهيدروجين تصدر توهجًا محمرًا يسميه الفلكيون الانبعاث الجيوكوروني. بالنسبة للتلسكوب، هذا مثل زجاج مغشى: يضيف ضوءًا زائدًا ويعيق رؤية المجرات البعيدة.

في السحب الباردة بين النجوم، حيث تولد نجوم جديدة، يجري عمل كيميائي غير مرئي. تصطدم الجزيئات البسيطة، وتتبادل الذرات، وتتجمع في سلاسل قد تصبح لاحقًا جزءًا من الكواكب. إحدى هذه السلاسل هي الأيون NCCO+، المكوّن من النيتروجين وذرتي كربون والأكسجين. لطالما اشتبه الكيميائيون في وجوده هناك، لكن لم يكن بالإمكان الإمساك به: فهو نادر جدًا وسريع جدًا.

مجرة تقترب من أخرى، مثل راقصين يتفرقان ثم يتجاذبان مجددًا. في لحظة الاقتراب الوثيق بشكل خاص، ينضغط غازهما، وينبعث ضوء فوق بنفسجي ساطع من الأعماق. هذا بالضبط ما يحدث في نظام خارا 11 — أقرب زوج من المجرات المندمجة إلينا، والذي يسمح بتسرب هذا الضوء إلى الخارج. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لهذه الرقصة لفهم كيفية نشوء هذا التسرب.

كان الكون المبكر حساءً ساخنًا من الجسيمات والضوء. في هذا الحساء، انتشرت الموجات الصوتية — تموجات في الكثافة — من تجمعات المادة، مثل الدوائر على سطح الماء. عندما برد الكون، تجمدت هذه الموجات، تاركة بصمة في توزيع المجرات: فهي أكثر قليلًا على مسافة معينة من بعضها البعض. هذه المسافة هي «مسطرة قياسية» لقياس الكون.

تتحرك المجموعة الشمسية عبر المجرة، وتغوص أحياناً في سحب بينجمية كثيفة – تجمعات من الهيدروجين المخلخل والغبار.

لرصد الحياة على كواكب أخرى، ليس من الضروري البحث عن الأكسجين في الهواء. فالكائنات الحية تلون سطح عوالمها: النباتات على الأرض باللون الأخضر، والبكتيريا باللون البنفسجي. سيلتقط تلسكوب HWO الفضائي المستقبلي هذه "ألوان الحياة" على الكواكب الخارجية.

النيوترينوات جسيمات شبحية: تنبأ بها النموذج القياسي، وهي بالكاد تتفاعل مع المادة. اصطيادها يشبه سماع همسة في هدير شلال. كاشفات ARA وRNO-G المطمورة في جليد أنتاركتيكا وغرينلاند، تعمل كآذان تلتقط الومضات الراديوية التي تنطلق بـ سرعة الضوء في الجليد عند ارتطام الجسيم.