نبضات المغناطيسار في انفجارات أشعة غاما

منارة على حافة المجرة تومض دون جدول زمني: تارة تصمت لسنوات، وتارة تطلق مئات التوهجات في يوم واحد. مثل هذه المنارة تحتاج إلى مراقب لا ينام ولا يشتت انتباهه. منذ عام 2008، يتولى هذه المهمة مرصد أشعة غاما Fermi GBM في مدار حول الأرض، وقد امتلأ سجله للتو بأكمل تسجيل في تاريخ المراقبة.

جسيم بطاقة $$10^{18}$$ إلكترون فولت يخترق الغلاف الجوي للأرض، وكأن كرة تنس تطير بسرعة 200 كيلومتر في الساعة وتصطدم بجدار. من أين تأتي هذه القذائف؟ يتناقش علماء الفيزياء الفلكية في ذلك منذ عقود. انفجارات أشعة غاما، وهي انفجارات قوية قصيرة الأمد لأشعة غاما، كانت منذ زمن طويلة مرشحة لدور المسرعات.

تمر الموجات الراديوية من نجم نابض بعيد عبر الوسط بين النجمي، وفي طريقها تصادف بنى مغناطيسية غير مرئية بحجم المسافة من الشمس إلى الأرض. إحدى هذه البنى هي طبقة تيار، حيث يغير المجال المغناطيسي اتجاهه فجأة، مثل إبرة بوصلة قفزت من الشمال إلى الجنوب.

هذا مثل رقم قياسي في سباق المسافات القصيرة: لكسره، تحتاج إلى اندفاعة مثالية. لكن النوابض دون الميلي ثانية النجوم النابضة مسافة اندفاعها قصيرة جدًا. أسرع نابض معروف، PSR J1748-2446ad، يدور 716 دورة في الثانية، أسرع من خلاط المطبخ. لو كان بحجم الأرض، لتحركت نقطة على خط استوائه بسرعة تعادل 0.24 من سرعة الضوء.

في البلورة الطبقية CrSBr، تصطف العزوم المغناطيسية للذرات مثل النوتات في المقطوعة الموسيقية: داخل كل طبقة تشير في اتجاه واحد، وبين الطبقات تشير في اتجاهين متعاكسين. هذا اللحن المضاد للمغناطيسية (antiferromagnetic) يستمر حتى 132 كلفن، وبعد ذلك تدمر الحركة الحرارية النظام. تعلم الفيزيائيون إعادة كتابة هذه المقطوعة عن طريق قصف البلورة بأيونات الهيليوم.

نحات يشكل الجبال من المجالات المغناطيسية والحرارة، لكن الحجر يقاوم. النجم النيوتروني — بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم — في نظام ثنائي يسحب المادة من النجم المجاور. هذه المادة الساقطة تسخن قشرة النجم بشكل غير متساوٍ، بينما يسحبها المجال المغناطيسي من الداخل.

يبدأ الانهيار الثلجي في كومة رملية بحبة رمل واحدة. لا أحد يعرف أين ستتحرك بالضبط أو مدى كبر الانهيار. لكن إذا سكبت الرمل لفترة طويلة، ستصل الكومة نفسها إلى حالة تحدث فيها الانهيارات بجميع الأحجام - من الانهيارات الصغيرة إلى الانهيارات العملاقة - وفقًا لنفس القانون. يسمي الفيزيائيون هذا بالتنظيم الذاتي الحرج: نظام بدون تحكم خارجي يحافظ على نفسه عند الحد الذي قد يكون فيه كل حدث هو القشة الأخيرة.

المنارة لا تومض بشكل منتظم، بل بنبضات قصيرة ساطعة. النجم النيوتروني في النظام 4U 1323-62 هو مثل هذه المنارة في نطاق الأشعة السينية. فهو يجذب الغاز من نجم مجاور، وعندما يتراكم ما يكفي من المادة على سطحه، يحدث انفجار نووي حراري — وميض من الأشعة السينية.

تضيء المنارة لجزء من الثانية ثم تنطفئ. يلتقط تلسكوب ميركات في جنوب أفريقيا مثل هذه الومضات في نطاق الراديو. وخلال فترة الرصد، التقط 27 مصدرًا جديدًا لم يرها أحد من قبل. النجوم النيوترونية هي بقايا نجوم منفجرة، انضغطت حتى صارت بحجم مدينة. وبعضها، مثل كشاف ضوئي تالف، يرسل أشعة راديوية ليس باستمرار، بل على دفعات قصيرة.

تبدو السماء ليلاً موحدة، لكنها في الحقيقة تحتوي على تكتلات — مجتمعات هائلة من المجرات تعمل كعدسات تعمل على انحناء ضوء الأجسام البعيدة. عندما يحدث انفجار راديوي قوي قصير في مكان ما من الكون، قد يمر مساره نحو التلسكوب الأرضي بالقرب من إحدى هذه التكتلات. التقط التلسكوب الراديوي الكندي CHIME على مدى عدة سنوات مئات الانفجارات الراديوية السريعة — ومضات تدوم أجزاء من الثانية.

تخيل يانصيبًا تُوزع فيه الثقوب السوداء بدلًا من المال. كل تذكرة هي نقطة عشوائية في السماء، والجائزة هي موجة ثقالية ناتجة عن اندماج عملاقين. فرصة الفوز بالجائزة الكبرى ضئيلة، لكن إذا حالفك الحظ، ستُسمع الموجة في جميع أنحاء الكون. هكذا تعمل الخلفية الثقالية: همهمة تراكمية من اندماجات عديدة للثقوب السوداء فائقة الكتلة في أماكن بعيدة، تلتقطها شبكات التلسكوبات الراديوية التي تراقب النباضات.

بعد انفجار المستعر الأعظم، يبقى في المركز جسم مضغوط بحجم مدينة — نجم نيوتروني وليد. هذه حالة قصوى من المادة: النجم حار، مضغوط إلى الكثافة النووية، ويهتز مثل الجرس بعد ضربة. هذه الاهتزازات — تذبذبات النجم — تبعث موجات ثقالية، تموجات في الزمكان، يمكن للكاشفات الحساسة على الأرض التقاطها.

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.

في مكان ما في أعماق الفضاء، يدور ثقبان أسودان فائقا الكتلة ثقب أسود حول بعضهما البعض. رقصتهما ليست سلسة — فالمدار بيضاوي الشكل، كحبل مطاطي يتمدد تارة وينكمش تارة أخرى. كل دورة من هذا القبيل تولد تموجات في نسيج الزمكان — موجات ثقالية. تنتشر هذه الموجات في كل الاتجاهات، وبعد ملايين السنين تصل إلى الأرض، فتمدّدها وتضغطها بمقدار أصغر من نواة الذرة.

بدأ علم الفلك الراديوي (radio astronomy) بضوضاء غامضة التقطها هوائي كارل جانسكي، ونبضات إيقاعية أطلقت عليها جوسلين بيل بورنيل اسم 'الرجال الخضر الصغار' كتعبير أصلي. لكن أول منارة كوكبية حقيقية اشتعلت في عام 1955، عندما صادفت أجهزة الاستقبال عن طريق الصدفة إشعاع المشتري العشري (decametric) الذي ينقطع فجأة عند تردد 40 ميغاهرتز.

89 ميلي ثانية. هذه هي المدة التي يستغرقها انهيار جليدي دوامي يعمل على تسريع دوران النجم النابض Vela فجأة – أحد أشهر النجوم النابضة القافزة. النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران تنشأ من انهيار مستعرات عظمى.

في يونيو 2024، سجل التلسكوب الراديوي CHIME من المصدر FRB 20240114A أكثر من 700 تدفق راديوي في الساعة. مثل هذا المكرر فائق النشاط يفرغ في ساعة واحدة تقريبًا كل الطاقة المغناطيسية لـ النجم المغناطيسي العادي (نجم نيوتروني ذو مجال فائق القوة).

تظل المادة المظلمة كخلفية جهيرة صامتة في السيمفونية الكونية - فهي لا تشع ضوءاً، لكن جاذبيتها تشكّل المجرات. كانت فيرا روبن أول من التقط هذا الإيقاع في سبعينيات القرن الماضي، بمراقبتها دوران النجوم.

يقترب نجمان نيوترونيان من بعضهما في مسار حلزوني ويصطدمان. يولد ذلك موجة ثقالية — تموجًا في الزمكان، وومضة غاما قصيرة، وتوهجًا خافتًا يسميه الفلكيون كيلونوفا. لكن أحيانًا تمر الإشارة بالقرب من مجرة ثقيلة. تعمل جاذبيتها كعدسة: تنحني مسار الضوء والموجات الثقالية، مما يخلق صدى — صورة مكررة أو مكبرة.

كرتان فائقتا الكثافة، كل منهما بحجم مدينة، تدوران في رقصة. كتلتهما أقل من كتلة الشمس، لكن بداخلهما مادة مضغوطة إلى حدود لا يمكن تصورها. إحداهما نجم نيوتروني، والأخرى نجم غريب يتكون بالكامل من الكواركات (الجسيمات الأولية التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات). عندما يصطدمان، يصبح الفرق مسموعًا. النجم الغريب يحافظ على شكله حتى اللحظة الأخيرة.

ظلت الانفجارات الراديوية السريعة - وهي نبضات راديوية تستغرق أجزاء من الثانية وتأتي من مجرات بعيدة - لغزًا لفترة طويلة. كانت طاقتها الهائلة، المحشورة في لحظات، تشير إلى أحداث كارثية على نجوم نيوترونية، ربما نجوم نابضة أو مغنطيسات. لكن فهم أين تولد الانفجارات بالضبط وما هي البيئة المحيطة بها، كان يعيقه غياب وسيلة تشخيص مباشرة.

قبل نصف قرن، لاحظ Фриц Цвикки أن المادة المرئية في تجمعات галактик غير كافية بشكل كارثي لتفسير الجاذبية. ونعلم اليوم أن جزءًا كبيرًا من المادة العادية — وهي الباريونات نفسها — يختبئ في بلازما متخلخلة بين النجوم والمجرات، في شبكة عملاقة من водорода وгелия.

الدوامة: تدوير الخفيفة أسهل من الثقيلة. هذا ما تفعله النجوم النيوترونية تقريبًا — وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. نظر علماء الفلك إلى نحو خمسين نظامًا ثنائيًا يدور فيه نجم نيوتروني حول آخر، فلاحظوا: كلما زادت كتلة النجم، طال زمن دورانه. العلاقة ليست حتمية، لكنها ملحوظة إحصائيًا. معامل الارتباط (مقياس العلاقة الإحصائية) حوالي -0.26، ومع احتمال 96% يكون أقل من الصفر.

نجمان نيوترونيان — بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة — يندمجان في نجم واحد، فيرتجف الفضاء من حولهما: تولد موجة ثقالية، تموج في نسيج الزمكان نفسه. وفي نفس الوقت تقريبًا، ينطلق من موقع الكارثة تيار ضيق من المادة — النفاث. يتحرك هذا التيار بسرعة تقارب سرعة الضوء، وعند اختراقه الغلاف الخارجي المكون من المادة المقذوفة، يسبب ومضة.

النجوم النيوترونية، التي تولد في لهيب المستعرات العظمى، لا تكف عن إدهاشنا حتى بعد قرن تقريبًا من توقع وجودها. أشار كل من فريتز زفيكي وفالتر بادي في ثلاثينيات القرن الماضي إلى إمكانية وجودها، ثم اكتشفت جوسلين بيل بورنيل في عام 1967 النجوم النابضة — المنارات الكونية…

في مكان ما في أعماق الفضاء، يومض منارة راديوية لجزء من الثانية ثم ينطفئ. تُعرف هذه الإشارات بالومضات الراديوية السريعة. تأتي من مجرات أخرى وتستمر من ميكرو ثانية إلى ميلي ثانية. في هذه اللحظة الوجيزة، يطلق الوميض طاقة تعادل أقوى الانفجارات على النجوم النيوترونية في مجرتنا درب التبانة.

في عالم يسعى نحو الفوضى، يولد أحيانًا إيقاع. لطالما أذهل تفاعل بيلوسوف-جابوتينسكي الكيميائي الخيال لعقود: في أنبوب اختبار، تتسابق الموجات الملونة من تلقاء نفسها، كما لو كانت كائنًا حيًا يتنفس المادة. شيء مشابه يكمن في البلورات، حيث تتوازن ذرات الحديد بين هيئتين مغناطيسيتين — عالية السبين ومنخفضة السبين.

أنوية المجرات النشطة (AGN) هي محطات الطاقة الكونية الكبرى: هالتها السينية تتوهج بحرارة تفوق حرارة الأغلفة الجوية النجمية بملايين المرات. لكن من يشعل الشرارة؟ قدمت حملة الرصد السينية التي استمرت عشرة أيام بالقمرين XRISM وXMM-Newton، الموجهين نحو NGC 3783، الإجابة — إنها عواصف رعدية حقيقية.

لغز الانفجارات الراديوية السريعة (FRB) ليس مجرد سؤال "ما الذي انفجر هناك؟". إنها دراما نقل الطاقة في ظروف قصوى، حيث يؤدي أدنى توقف إلى الانهيار. عندما اكتشفت جوسلين بيل بورنيل النجوم النابضة، سمع علم الفلك الراديوي لأول مرة الصرخة المتماسكة للنجوم النيوترونية.

النجم الضخم لا ينطفئ ببساطة — إنه ينفجر على هيئة مستعر أعظم، تاركًا وراءه بقايا متوسعة و نجمًا نيوترونيًا يدور بسرعة جنونية — نجمًا نابضًا. في هذه العاصفة الكونية تولد أنماط مذهلة، وكان نظام «نيمبوس» — «الرعد» مثالاً مبهرًا عليها. تتدلى البقايا كسحابة مطر، ويخترقها النجم النابض الفائق الصوت كصاعقة برق.

في العنقود الكروي تيرزان 5 يختبئ نظام مزدوج IGR J17480-2446. أحد أعضائه هو نجم نيوتروني يتصرف بشكل غريب. يدور بتردد 11 هرتز فقط (11 دورة في الثانية) ويبرد بعد التوهج ببطء مريب. عادةً، تدور هذه النجوم أسرع بمئات المرات وتبرد بنشاط، لكن هنا العكس تمامًا. التبريد البطيء يفرض افتراض وجود طبقة منخفضة التوصيل الحراري في القشرة الخارجية للنجم.

منارة ترسل إشارة عبر عاصفة من المرايا الخاصة بها — هذا تقريباً ما تفعله الدفقات الراديوية السريعة عندما تحاول مغادرة محيط المغناطيس النابض. المغناطيس النابض هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بكوادريليون مرة من مجال الأرض. داخل غلافه المغناطيسي الداخلي، تتحول موجات الراديو بتردد الغيغاهرتز إلى موجات مغناطيسية صوتية خاصة وتدخل فوراً في رنين ثلاثي.

طنين يملأ أرجاء الكون. ليس صوتًا، بل ارتجافًا في نسيج الفضاء نفسه — الخلفية الموجية الثقالية. تنشأ عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة تتراقص حول بعضها في مراكز المجرات البعيدة. كل زوج منها كآلة إيقاعية عميقة في أوركسترا ضخمة. التقاط عزف منفرد لإحدى هذه الآلات وسط الطنين العام هو مهمة الهوائيات النابضة. النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية تُصدر نبضات راديوية بدقة مذهلة.

البلازارات هي أشعة طويلة الأمد من الثقوب السوداء في مراكز المجرات. انفجارات أشعة غاما هي أقصر الومضات عند انفجار المستعرات العظمى أو اندماج النجوم النيوترونية. الأولى تعمل ككشاف دائم، والثانية كفلاش تصوير. لكن تلاشي ضوئهما يخضع للقانون نفسه - قانون التبريد السريع.

الشمس ليست مجرد مصدر للضوء، بل هي مختبر عملاق تولد فيه جسيمات شبحية. كل ثانية، تمر مليارات النيوترينوات عبر جسمك دون أن تكاد تلاحظك. لكن داخل الشمس، تتصرف هذه الجسيمات بشكل مختلف: فهي تغير نوعها أثناء الطيران، مثل ممثل يؤدي ثلاثة أدوار في مسرحية واحدة. النيوترينوات ثلاثة أنواع: إلكترونية، وميونية، وتاو.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يعيش ثقب أسود فائق الضخامة — عملاق صامت تدور حوله النجوم والغاز وثقوب سوداء أخرى أصغر حجمًا. بين الحين والآخر، ينحرف أحد هذه الأجسام عن مداره ويبدأ بالسقوط نحو الوحش المركزي في حلزون يتقلص باستمرار. يستمر هذا السقوط لسنوات، وطوال هذه المدة يصدر النظام موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تنتشر عبر الكون.

سلك الهاتف الملتوي بشدة ينقطع وينثر الشرر. هكذا تسلك الحقول المغناطيسية على الشمس: تلتف، تنقطع، وتتصل مجدداً، مغذية الانفجارات. رأى الفلكيون هذه العملية مباشرة لأول مرة. كانت إحدى الحلقات ملتوية بزاوية 540 درجة — دورة كاملة ونصف. هذا أقوى بثلاث مرات مما كان يُعتقد أنه ممكن.

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.

النباضات هي نجوم نيوترونية تدور بسرعة فائقة، وهي بقايا نجوم ضخمة، تصدر ومضات راديوية بانتظام يفوق دقة الساعات الذرية. نبضاتها بمثابة منارات كونية طبيعية.