هندسة بلازما المغناطيسار

في نجم مزدوج، يسحب القزم الأبيض الغاز من النجم المجاور مثل المكنسة الكهربائية. إذا كان للقزم مجال مغناطيسي، فإن الغاز لا يسقط في أي مكان، بل يتدفق نحو القطبين مثل برادة الحديد نحو المغناطيس. وهناك يتراكم على شكل كومة. ولكن ما الذي يمنع هذه الكومة من الانتشار؟ خطوط القوة المغناطيسية التي تخترقها مثل حبال غير مرئية.

راقصان على مسرح واحد: أحدهما يجذب شريكه نحو جهة، والآخر نحو الجهة المعاكسة. في بلورة Cu2(OH)3Br، المعروفة باسم بوتالاكيت، تترتب ذرات النحاس في سلاسل حيث تتوازى سبينات (عزوم مغناطيسية) الأيونات المتجاورة أحيانًا كما في الفيرومغناطيسية، وتتضاد أحيانًا أخرى كما في المغناطيسية المضادة.

النحات ينظر إلى كتلة الرخام ويرى فيها شكلًا يجب تحريره من الزوائد. بدلًا من إضافة الطين، يزيل كل ما لا يخص الشكل. على هذا المنوال سار مؤلفو العمل الجديد حول الرنين المغناطيسي: لم يعقدوا نموذج النسيج بإضافة تفاصيل جديدة، بل على العكس، أزالوا الزوائد لكشف الجوهر. داخل مكعب نسيج بحجم مليمتر، يفحصه جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي، تعيش مليارات المغناطيسات الذرية.

صفيحة نحاسية بحجم عملة معدنية تتبخر تحت ضربة الليزر خلال أجزاء من المليار من الثانية. تصطدم سحابة النحاس الساخنة بالهيليوم البارد، مثل نفث بخار في هواء متجمد. تظهر في الصور فقاعة واضحة المعالم بخيوط رفيعة على أطرافها — فالبلازما لا تتمدد بشكل منتظم، بل تتفكك إلى ألياف بسماكة شعرة إنسان. البلازما هي غاز انفصلت فيه الإلكترونات عن الذرات.

القزم الأبيض هو نواة نجمٍ مثل الشمس يبرد ببطء. مصيره تحدده الكتلة: هناك حدٌّ واضح هو حد تشاندراسيخار (نحو 1.4 كتلة شمسية)، وبعده ينضغط النجم أكثر.

المرآة المغناطيسية هي أنبوب مفتوح من كلا الطرفين، حيث يُرتَّب المجال المغناطيسي بحيث يحبس البلازما الساخنة — وهي غاز مؤين يتكون من جسيمات مشحونة. عند الطرفين، يتكاثف المجال مشكلًا «سدادات»: الجسيمات المتجهة نحو المخرج تنعكس عن هذه المناطق وتعود أدراجها.

ينخفض نصف قطر النجم بمقدار ألف كيلومتر. ليس لأن كتلته زادت، بل لأن مجاله المغناطيسي الذاتي ضغط القشرة مثل مشد غير مرئي. في مركز هذا الجسم — القزم الغريب — تختبئ نواة كواركية: كرة من المادة الغريبة تزن مثل الشمس، لكن قطرها ثلاثة أو أربعة كيلومترات فقط. هذه هي البذرة الثقيلة.

10¹⁵ غاوس — هذا المجال المغناطيسي اكتشف لدى بعض الأقزام البيضاء. إنه أقوى بمليارات المرات من ذلك الذي يظهره البوصلة على الأرض. القزم الأبيض ليس نجماً بالمعنى المألوف، بل نواة باردة بحجم كوكب. في داخله، تقاوم الجاذبية ضغط الإلكترونات المنحلة. لكن مع المجال فائق القوة، يتوقف هذا الضغط عن كونه منتظماً — وكأن مشداً غير مرئي يضغط النجم.

مجال مغناطيسي شدته 42 تسلا — أقوى بنحو مليون مرة من مجال الأرض. في مثل هذا المجال، تتصرف بلورة SrCu₂(BO₃)₂ بشكل غير اعتيادي: فمغنطتها لا تزداد بتدرج سلس، بل تقفز قفزاتٍ، متوقفةً عند قيم محددة. كان يُعتقد سابقًا أن هذه الهضاب تنشأ عندما تصطفّ لفات الإلكترونات (إبرها المغناطيسية الصغيرة) وفق نمط هندسي صارم — مثل جنود في طابور.

شلال لا يسخن من السقوط، بل يتجمد — هكذا تقريبًا يتصرف الغاز المتدفق نحو النجم النيوتروني في النجم النابض بالأشعة السينية عندما يكون النجم خافتًا. عادةً، تسخن المادة المتساقطة حتى التوهج الأبيض، لكن العمل الجديد يُظهر العكس.

في بلورة طالما أُطلق عليها «ذهب الحمقى» على مر القرون، اكتشف الفيزيائيون كنزًا حقيقيًا. أصبح مركب MnTe2 ذو البنية البايرايتية مسرحًا لباليه كمومي: تلتوي الموجات السبينية هنا إلى دوامات يسارية ويمينية، ويرتبط اتجاه الالتواء ارتباطًا وثيقًا بالزخم. هذا التأثير، الذي سُجّل لأول مرة في أطياف رامان ذات الاستقطاب الدائري، يحوّل الأنتيفيرومغناطيس إلى منصة مثالية للمغنونيات غير التبادلية.

الفضاء مليء بالمجالات المغناطيسية. توجد في المجرات والنجوم وحتى في الفراغات الكونية الشاسعة (فجوات هائلة بين تجمعات المجرات). يُعتقد عادةً أن هذه المجالات تتقوى من مجالات «بذورية» ضعيفة بفضل الاضطراب (turbulence) — تمامًا مثل مولد كهربائي. لكن طبيعة المجالات البذورية نفسها ظلت لغزًا. يقدم العمل الجديد آلية غير متوقعة.

يصلنا الضوء من النجم الزائف البعيد (نواة مجرة نشطة تقذف نفاثة باتجاهنا) بعد رحلة تستغرق مليارات السنين. وفي الطريق، يولّد وابلًا من الجسيمات المشحونة التي يعمل الحقل المغناطيسي بين المجرات على انحرافها جانبًا. وهكذا يظهر حول النجم الزائف توهج جاما ضبابي في السماء — هالة ثانوية. وكلما كان الحقل أضعف، اتسعت الهالة.

نجم ميت بمجال مغناطيسي أقوى بمليارات المرات من مجال الأرض — هذا هو المغناطيسار (magnetar). تنشق قشرته، وينطلق وميض قوي من الأشعة السينية إلى الفضاء. لكن جزءًا من هذا الضوء لا يصل إلينا بشكله المألوف. ففي المجال فائق القوة، يمكن للفوتونات أن تتحول إلى موجات جاذبية — ارتعاش في الزمكان نفسه.

تبرد البقعة الشمسية، ويعلق فوقها لأسابيع خيط داكن — وهو البُرْز الشمسي. داخله، مثل زنبرك مضغوط، يختبئ المجال المغناطيسي. قد يكون مرتبًا في أقواس منتظمة، أو قد يكون ملتويًا في حبل مشدود. من هذا الاختلاف يتحدد متى وكيف سينفجر: الحبل أقل استقرارًا وجاهز للانطلاق عند أدنى دفعة.

العمالقة الحمراء هي نجوم متقدمة في العمر ومنتفخة، استنفدت الهيدروجين في نواتها. في أعماقها يغلي محيط من البلازما: تندفع الحرارة من النواة إلى السطح، مولدة موجات تشبه المد العاتي. يعمل الحقل المغناطيسي داخل النجم كتضاريس تحت الماء غير مرئية – فهو يوجه هذه الموجات، ويغير ارتفاعها وسرعتها.

النجوم النيوترونية النجم النيوتروني هي بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة مرت بانهيار جاذبي. بعضها يُرصد على شكل النجم النابض، وهي مصادر سريعة الدوران لومضات راديوية دورية تعمل مثل منارات كونية. ظل تركيبها الداخلي لغزاً لفترة طويلة.

داخل النجم النيوتروني، تنضغط المادة بشدة لدرجة أن النوى الذرية تلتصق ببعضها في خيوط طويلة وألواح مسطحة. يطلق الفيزيائيون الفلكيون على هذه البنى اسم "المعكرونة النووية". على سطحها، تنخفض كثافة المادة إلى ما يقارب الصفر — كما لو كنت تغوص من هلام كثيف إلى هواء رقيق. هذا الانحدار الحاد هو ما يخلق التأثير غير العادي.

النجم النيوتروني هو كرة بحجم مدينة، لكن كتلته تعادل كتلة الشمس بأكملها. يمكن لمجاله المغناطيسي أن يمزق الذرات على مسافة آلاف الكيلومترات.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون مرجلًا يغلي. ولكن وفقًا لفرضية جديدة، برد فجأة لفترة قصيرة — أكثر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. في هذا العالم الجليدي، توقفت جسيمات المادة المظلمة، التي تشبه بندولات صغيرة، عن الحركة ولم تبدأ تذبذباتها.

المغناطيس العادي يحمل دائمًا قطبين: شمالي وجنوبي. اكسرها إلى نصفين، وسيكتسب كل جزء زوجًا خاصًا به فورًا. لكن في أعماق نظرية الجسيمات تعيش صورة غريبة: أحادي القطب — جسيم يحمل شحنة مغناطيسية واحدة فقط، قطبًا وحيدًا بلا رفيق.

في قدرٍ فيه حساء يغلي، تظهر بين الحين والآخر قطرات دهن صغيرة — أسخن بمئة مرة من المرق. هكذا تقريبًا ستكون بلازما الاندماج المستقبلية: الكتلة الأساسية من الأيونات تسخن إلى مئات الملايين من الدرجات، بينما شوائب صغيرة من الجسيمات "السريعة" (الناتجة عن اندماج النوى) تتسارع أكثر. هذه القطرات الساخنة لا تطفو فحسب — بل تضغط على الجدران غير المرئية للمجال المغناطيسي الذي يحصر البلازما.

يتصادم تياران سريعان من الجسيمات المشحونة — وتبدأ خطوط المجال المغناطيسي في التمزق وإعادة الاتصال. تغذي هذه العملية التوهجات الشمسية والشفق القطبي. كان يُعتقد عمومًا أن جميع الجسيمات تتصرف بنفس الطريقة، مثل الرصاصات المنطلقة من بندقية واحدة. لكن لكل جسيم قمة دوّارة صغيرة — دورانه الذاتي، أو السبين. في العمل الجديد، أظهر العلماء أنه في الظروف القاسية، يمكن لهذه القمة أن تغيّر الصورة جذريًا.

المجال المغناطيسي في البلازما يشبه غشاء الصابون المشدود: الضغط الداخلي يسعى إلى توسيعه، بينما التوتر السطحي يسعى إلى شده، مما يمنحه شكلاً مستقراً. في البلازما، تلعب القوى المغناطيسية هذا الدور: الضغط المغناطيسي والتوتر المغناطيسي يوازن أحدهما الآخر، مما يخلق توازناً هشاً.

تتحرك قمة شجرة ضخمة مع الريح، لكن الجذور والجذع مخفية تحت الأرض. على الشمس، تلعب الحقول المغناطيسية دور هذه الجذور غير المرئية. تخرج من الأعماق، وتخترق الغلاف الجوي بأكمله، وتتحكم في حركة الغاز الساخن – البلازما. من الصعب جدًا رؤية هذا الارتباط مباشرة، خاصة في الطبقات العليا حيث يجب أن تهيمن القوى المغناطيسية على قوى الغاز.

المجال المغناطيسي للكوكب يشبه درعًا غير مرئي: فهو يلتقط الجسيمات المشحونة من الرياح الشمسية ويمتد خلف الكوكب في ذيل طويل، مثل وشاح يرفرف في الهواء.

على النجم النيوتروني — وهو البقايا فائقة الكثافة لنجم منفجر — يسقط الغاز. يتراكم هذا الغاز عند القطبين المغناطيسيين مكوّناً جبلاً. لكن الجبل على النجم النيوتروني لا يشبه الجبال الأرضية: فهو لا يُثبَّت بالصخر، بل بخطوط المجال المغناطيسي، مثل برادة الحديد على مغناطيس. عندما يزداد الغاز أكثر من اللازم، يبدأ الجبل في الانهيار.

في سحابة غازية كبيرة حيث تولد النجوم، تكون خطوط المجال المغناطيسي مصطفة في اتجاه واحد تقريبًا، مثل الألياف في قطعة من اللباد. ولكن بمجرد أن ننظر إلى الداخل، إلى الكتل الكثيفة التي ستتشكل منها النجوم لاحقًا، يتغير المشهد: هناك، تلتف الخطوط في اتجاهات مختلفة، وكأنها كرة من الخيوط بعد أن لعب بها قط صغير. قاس علماء الفلك اتجاهات المجال في 79 من هذه الكتل في 14 سحابة مختلفة.

في السابق، كان علماء الفلك يحسبون كتلة المجرات كما لو كانت كرات مثالية. لكن المجرة عبارة عن قرص مسطح كالرقاقة. النموذج الجديد «المفقود والمعثور عليه» يأخذ الشكل الحقيقي في الحسبان: فهو يجمع قوى الجاذبية من جميع أجزاء القرص، وليس فقط من الانتفاخ المركزي.

مركز مجرتنا يشبه مطبخًا مزدحمًا تُطهى فيه عدة أطباق في وقت واحد، ويتصاعد بخارها مختلطًا في سحابة واحدة. أشعة إكس الصادرة عن بقايا نجم منفجر، والرياح النجمية حول الثقب الأسود فائق الضخامة، والغاز الساخن بين النجوم، كلها تتراكب فوق بعضها البعض. فصل هذه الإشارات يشبه محاولة تخمين كمية الجزر والبصل في الحساء من خلال تذوقه فقط.

النجم المغناطيسي هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بمئات الملايين من المرات من مجال الأرض. إذا قرّبت مغناطيسًا عاديًا من مثل هذا المجال، فسوف يفقد مغناطيسيته فورًا، وستمتد الذرات إلى خيوط رفيعة. في مثل هذه الظروف، يتفاعل الضوء والإلكترونات بشكل غير مألوف: القواعد المألوفة للديناميكا الكهربائية الكمومية تتوقف عن العمل، ويجب إعادة النظر في الحسابات.

ليزر قوي يضرب هدفًا صغيرًا جدًا، فيتحول فورًا إلى سحابة من الغاز شديد الحرارة، وهي البلازما. داخل هذه السحابة تتولد مجالات مغناطيسية تلقائيًا. إنها، مثل أيادٍ غير مرئية، تمنع الحرارة من الهروب بحرية من المركز الساخن. ولهذا السبب تُعتبر هذه المجالات مهمة للاندماج النووي الحراري — العملية التي تغذي الشمس والتي يحاول البشر ترويضها على الأرض.

في السحابة المظلمة G351، حيث توشك نجوم جديدة على الظهور من الغاز والغبار، انحنى المجال المغناطيسي مثل الساعة الرملية. هذا الشكل هو دليل على أن المجال لا يراقب ولادة النجوم فحسب، بل يشارك فيها بنشاط. استخدم العلماء تلسكوب SOFIA المثبت على طائرة لرؤية الغبار في السحابة. تصطف حبيبات الغبار على طول خطوط المجال المغناطيسي، ومن توهجها يمكن تحديد اتجاه المجال.

يعمل طرف المغناطيس مثل جسر الغيتار: الوتر المضغوط عند الطرف تمامًا يصدر صوتًا مختلفًا، بمجموعة أغنى من النغمات التوافقية. وهكذا تقريبًا تتصرف الموجات المغناطيسية في شريط رفيع من النيكل والحديد. قاس الفيزيائيون كيف تولد موجات المغنطة التي تجري على طول هذا الشريط موجات بتردد مضاعف وثلاثة أضعاف.

القزم الأبيض هو ما يتبقى من نجم مثل الشمس بعد أن يطرح طبقاته الخارجية. يبقى نواة حارة بحجم الأرض، لكن بكتلة قريبة من كتلة الشمس. ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن بقدر شاحنة. بعض هذه النجوم تمتلك مجالات مغناطيسية قوية جدًا — أقوى بمليار مرة من المجال الأرضي. لكن هذه الأجسام قليلة في الفهارس: فهي خافتة، والمسوحات السماوية العادية تفوتها.

في قطعة من أكسيد المنغنيز بسماكة بضع طبقات ذرية، تتصرف الإلكترونات كحشد على سُلَّم متحرك: كلٌّ يتحرك وفق قواعده الخاصة، لكنهم معًا يشكلون تيارًا عامًا. وجّه الفيزيائيون إلى هذا الغشاء أشعةَ إكس لينة (soft X-rays) واقتلعوا الإلكترونات إلى الخارج. ومن زاوية الانطلاق وطاقة تلك الإلكترونات، أعادوا بناء صورة مستويات الطاقة — وهي بمثابة جدول حركة داخل المادة.

النجم النيوتروني هو مدينة بحجم مدينة كبرى، مضغوطة إلى حجم كويكب صغير. حوله تغلي بلازما — غاز من جسيمات مشحونة، تمر عبره موجات مثل تموجات على سطح بركة. هناك ثلاثة أنواع من الموجات: ألففين (A)، وعادية (O)، وغير عادية (X). يمكن أن تتحول إلى بعضها البعض، وهذا التحول يتحكم في كيف نرى الضوء القادم من النجوم النابضة.

نجم نيوتروني بحجم مدينة يدور أسرع من خلاط المطبخ ويقذف الجسيمات حوله. يتشكل حوله سحابة مضيئة تسمى الهالة النابضة (pulsar halo). يعتمد شكل هذه السحابة على الحقول المغناطيسية غير المرئية التي توجه الجسيمات مثل التيارات في المحيط. اتضح أن اثنتين من هذه الهالات، حول النجمين النابضين جيمينجا ومونوجيم، غير متماثلتين، وكان هذا مفتاح الحل.

الشمس ليست كرة هادئة. ففي داخلها تنتشر موجات باستمرار، كما في الجرس بعد قرعه. تصل هذه الاهتزازات إلى السطح وتكشف ما يحدث على الجانب البعيد غير المرئي. لطالما أتقن علماء الفلك «الاستماع» إلى هذا الرنين وتمكنوا من العثور على مجموعات كبيرة من البقع هناك. لكنهم حتى الآن لم يستطيعوا قول الشيء الأهم: أين يقع القطب المغناطيسي الشمالي للبقعة وأين يقع الجنوبي. يقترح العمل الجديد طريقة لتصحيح هذا الأمر.

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.