مصادر النيوترينو

الغابة الليلية مليئة باليراعات، لكننا في السابق كنا نرى فقط تلك التي صادف وجودها في شعاع المصباح اليدوي. هكذا كان الحال مع مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع، وهي نقاط في مجرات أخرى تتوهج في الأشعة السينية بشكل أكثر سطوعًا مما يمكن أن يشعه ثقب أسود نجمي الكتلة بشكل مستقر.

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.

عندما يموت نجم يفوق كتلة الشمس بعدة مرات، ينكمش ثم ينفجر كمستعر أعظم. ليس هذا مجرد وميض ضوئي؛ فالعملية برمتها، من انهيار النواة إلى تطاير الغلاف، تُحدث ارتعاشًا في نسيج الفضاء نفسه. تُعرف هذه الموجات باسم الموجات الثقالية (gravitational waves).

في مراكز العديد من المجرات تختفي ثقوب سوداء عملاقة. يحيط بها سحابة كثيفة من البلازما الحارقة، التي تطلق توهجًا قويًا للأشعة السينية. في منطقة ضيقة، على بعد بضعة أنصاف أقطار جذبية فقط (وتُعرف بأنصاف أقطار Karl Schwarzschild — الحد الذي يختفي عنده حتى الضوء)، تتسارع البروتونات إلى طاقات هائلة. هنا مدخل المصنع الطبيعي.

كرة البلياردو تصطدم بأخرى في ظلام دامس. صوت الاصطدام وقعقعة الكرات الساقطة في الجيوب — هذا كل ما يُسمع. هكذا تقريبًا يدرس الفيزيائيون تفاعلات الجسيمات الأولية عند طاقات لا يستطيع أي مسرع أرضي إنتاجها. في العمل الجديد، حوّل الفيزيائيون الفلكيون مجرات بأكملها إلى مختبرات عملاقة، وأصبحت الكيلومترات المكعبة من الجليد في القارة القطبية الجنوبية ومياه البحر الأبيض المتوسط كواشف.

إرفين شرودنغر تأمل كيف تحافظ الحياة على النظام رغم القانون الثاني للديناميكا الحرارية. لم يخطر بباله أن جزءًا من الإجابة يكمن في عدم استقرار النجوم العملاقة. أثبتت تجارب شين-شيونغ وو أن التفاعل الضعيف ينتهك التناظر المرآوي.

اصطدام نجمين نيوترونيين هو بمثابة معمل كوني تُصاغ فيه أثقل عناصر الجدول الدوري خلال ثوانٍ. في عام 2017، التقطت الكواشف موجات ثقالية من هذا الاندماج، ورصدت التلسكوبات وميضًا — كيلونوفا (kilonova). يتغذى توهجها على اضمحلال الأنوية غير المستقرة التي وُلدت في عملية الالتقاط السريع للنيوترونات (r-process). لكن لهذا المعمل الكوني مساعدين صامتين لم يُنتبه إليهم من قبل.

في أعماق النجم النيوتروني — بقايا نجم منفجر — تكون المادة مضغوطة لدرجة أن ملعقة صغيرة تزن مليارات الأطنان. ربما تعمل بين هذه المادة فائقة الكثافة قوة خاصة لا تمس إلا نيوترينوات الميون والتاو. هذه القوة تنبأت بها بعض الامتدادات النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

في أبريل 2021، في مجرة تبعد 35 ميغا فرسخ فلكي، ظهر المستعر الأعظم SN 2021foa. وقد أثار حيرة الفلكيين على الفور: كان طيفه يتبدل بشكل محموم بين خطوط الهيدروجين و الهيليوم - وكأن النجم في سكرات الموت كان يتخلص باضطراب من طبقاته الخارجية.

رصاصات صغيرة غير مرئية تخترق الشمس من جانب إلى آخر، دون أن تكاد تلاحظ مادتها. هذه هي الأكسيونات – جسيمات افتراضية خفيفة جدًا ومراوغة لدرجة أنها تُشبَّه بالأشباح. يفترض الفيزيائيون أنه في أعماق النجم الحارة يمكن للفوتونات الحرارية (جسيمات الضوء) أن تتحول إلى أكسيونات، وهذه الأخيرة عند خروجها إلى الخارج تعود لتتحول إلى فوتونات – لكن في نطاق الأشعة السينية.

كرة من الوبر، شبكة عنكبوت غير مرئية، تلفّ الثقب الأسود. هذه الشبكة هي المادة المظلمة، التي لا تُصدر ضوءًا، لكنها بثقلها تتحكم في حركة النجوم في أطراف المجرات. لطالما رصد علماء الفيزياء الفلكية مثل هذه السحب «الوبرية» حول الأجرام الكونية ورَسموا ملامحها — كيف تنخفض الكثافة من المركز نحو الحافة.

مترجم في منتصف القاعة يبدأ فجأة في نقل الرسالة بالعكس. هذا تقريبًا ما قد يفعله النيوترينو — الجسيم الشبح الذي لا يكاد يتفاعل مع المادة — إذا اعترضت طريقه سحابة من المادة المظلمة فائقة الخفة. أظهر مؤلفو الدراسة أن النيوترينو في مثل هذه السحابة يمكن أن يتحول إلى نقيضه، النيوترينو المضاد، وهذا ليس مجرد فضول نظري.

قشرة النجم النيوتروني ليست مجرد غلاف صلب. تحت وطأة مليارات الأطنان على كل سنتيمتر مربع، تفقد الذرات إلكتروناتها، وتترتب النوى المتبقية في شبكة بلورية صلبة تشبه أقراص العسل، لكنها من مادة أكثر كثافة من الفولاذ بمقدار تريليون مرة. عندما تتشقق هذه الشبكة بسبب الإجهاد المتراكم، يولد توهج الماغنتار — وهو اندلاع قصير لكنه مبهر للأشعة السينية.

ينشغل المترجم بكل حفيف في القاعة، فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. هذا تقريبًا ما تفعله الغلوونات (gluons) — الجسيمات الناقلة للقوة النووية الشديدة داخل البروتونات. عادةً ما تندفع ذهابًا وإيابًا ممسكة بالكواركات معًا. لكن عند التصادمات بسرعات هائلة، كما يحدث في المسرعات الكونية، يمكن للغلوونات أن تلتصق في كتلة كثيفة — تكاثف غلووني (gluon condensate).

في مركز العديد من المجرات يوجد ثقب أسود فائق الكتلة. عندما يسقط الغاز عليه، يسخن ويضيء أشد سطوعًا من مجرة بأكملها — هذه نواة مجرية نشطة. أحيانًا ينطلق من هناك إعصار حقيقي: تيار من الغاز المتأين يندفع بسرعة تصل إلى عشرات بالمئة من سرعة الضوء.

تخيل أن عملة معدنية صغيرة وُضعت في خزنة مثالية، لكن جدرانها رقيقة جدًا لدرجة أن العملة تمر أحيانًا عبرها تاركة صوتًا بالكاد يُسمع. الأكسيونات هي مثل هذه العملات، لكن بدل المعدن لدينا جسيمات، وبدل الخزنة لدينا المادة العادية. فهي لا تكاد تلاحظ العوائق، ومن الصعب للغاية التقاطها مباشرة. لكن هناك أماكن تكون فيها هذه «الخزنات» محمّاة إلى مليارات الدرجات ومضغوطة إلى كثافة هائلة.

رصد التلسكوب الراديوي ASKAP في أستراليا حلقة ضوئية باهتة جدًا في سماء نصف الكرة الجنوبي — مثل فقاعة صابون بحجم عدة أقمار. داخل الحلقة، في المركز تمامًا، تلمع نقطة صغيرة. عادةً ما تعني هذه الصورة شيئًا واحدًا: انفجر نجم هنا في الماضي، تاركًا غلافًا يتمدد، وفي المنتصف نواة منهارة. لكن لهذا الثنائي خصوصية. بجوار النقطة المركزية نجم عادي — قزم أحمر، خفيف وبارد.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم منفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. على سطحه أحيانًا يندلع حريق نووي حراري: الغاز المتراكم ينفجر مثل قنبلة هيدروجينية هائلة. بعد الانفجار يبقى رماد — خليط من العناصر الثقيلة التي ترتفع إلى السطح وتشكل غلافًا جويًا حارًا.

في الأعماق تحت جبال الأبينيني، داخل خزان يحوي ثلاثة أطنان من الزينون السائل، يحدث كل بضعة أيام ارتعاشة خفيفة بالكاد تُلحظ. إنها نيوترينو شمسي — جسيم شبح وُلد في جحيم الاندماج النووي في قلب الشمس — قطع مسافة 150 مليون كيلومتر عبر الفراغ والصخور ليرتطم أخيرًا بنواة ذرة زينون.

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.

قمع عملاق في الفضاء يمتص الغاز من الفضاء المحيط. جزء من هذا الغاز لا يسقط إلى الداخل، بل يُقذف إلى الخارج — مثل رذاذ الماء المغلي. هكذا يتصرف المصدر فائق السطوع للأشعة السينية NGC 5204 X-1: جسم مضغوط (غالبًا ثقب أسود) يبتلع المادة بنهم شديد بحيث ينفجر الفائض إلى الخارج في تدفقات قوية.

البلورة الرقيقة من نيتريد البورون السداسي — قريبة من الجرافيت، لكنها شفافة وعازلة. في شبكتها البلورية توجد أحيانًا عيوب مفردة: ذرة بورون أو نيتروجين مفقودة، وفي مكانها تتشكل مصيدة للإلكترونات. هذه المصيدة قادرة على امتصاص الضوء وإعادة إصداره، مثل مصباح يدوي صغير.

السماء الليلية مليئة بالمنارات، لكن بعضها يضيء بطريقة تجعلها شبه خفية. اكتشف علماء الفلك فئة جديدة من الأجسام — مصادر الأشعة السينية فائقة الليونة. إنها «باردة» جدًا بمعايير الأشعة السينية لدرجة أن إشعاعها يقع على الحدود بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية اللينة، حيث تكون التلسكوبات العادية شبه عمياء.

النيوترون هو الجسيم الذي تتكون منه النجوم النيوترونية بشكل أساسي. وهو غير مستقر بذاته: يعيش النيوترون الحر حوالي خمس عشرة دقيقة، ثم يتحلل إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو. لكن في نوعين مختلفين من التجارب، يختلف زمن الحياة: في حزمة الجسيمات، يعيش النيوترونات أطول قليلاً مما في المصيدة. هذا الاختلاف يقلق الفيزيائيين منذ سنوات عديدة.

عندما ينفجر توهج سيني على نجم نيوتروني، ترتفع حرارة غلافه الجوي إلى ملايين الدرجات. الضوء الذي نلتقطه بالتلسكوبات يمر عبر هذه الطبقة الكثيفة من الغاز، ويتغير بشدة في طريقه. يصبح الطيف مختلفًا عن طيف الفرن المثالي: بعض الألوان تزداد قوة، وبعضها يخفت. بنى علماء من لوس ألاموس نموذجًا حاسوبيًا يكرر هذه الرحلة خطوة بخطوة.

في مركز المجرة NGC 4278 يوجد ثقب أسود يقذف نفاثتين من البلازما، وكأنه مدفع عملاق يطلق جسيمات في الفضاء. تعمل هذه النفاثات على تسريع الجسيمات إلى طاقات لم تحلم بها أي معجلات أرضية. مؤخرًا، رصد مرصد LHAASO إشعاعًا شديد الصلابة من هذه المجرة، وهو إشعاع ينشأ عندما تصطدم الجسيمات في النفاثة بشيء ما وتنقل طاقتها إلى الضوء.

إن إشعال شمس مصغرة هو حلم قديم للبشرية. عادةً ما يحاول العلماء احتجاز بلازما ملتهبة (غاز من جسيمات مشحونة) عند درجات حرارة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات. لكن البلازما تسعى للانفلات من المصائد المغناطيسية، ويكلف احتجازها نفقات هائلة. يقدم بحث جديد مسارًا آخر: عدم تسخين كل الوقود، بل إطلاق شعاع من الجسيمات السريعة نحو هدف.

في الليل، تندفع رصاصات غير مرئية عبر السماء — إنها الأشعة الكونية. وهي نوى ذرية تسارعت إلى سرعات تقترب من سرعة الضوء. المجالات المغناطيسية للمجرة تخلط مساراتها، لذا من الصعب تحديد مكان ولادتها بدقة. لطالما كانت بقايا النجوم المنفجرة هي المشتبه به الرئيسي، لكن بالنسبة لأسرع الجسيمات لم تكن الأدلة كافية.

تلسكوب الأشعة السينية ينظر إلى مجرة مجاورة — فيرى نقطة لم تكن موجودة بالأمس. وبعد شهر، تتوهج مئات المرات أكثر سطوعًا من الشمس، وبعد عام تخفت من جديد. تُسمى هذه النقاط مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع (ultraluminous X-ray sources)، وكل منها عبارة عن زوج وثيق: نجم عادي وثقب أسود أو نجم نيوتروني يدوران حول بعضهما البعض.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون. إنها لا تشع ضوءاً، لكن جاذبيتها تمنع المجرات من التشتت. فرضية جديدة: تتكون المادة المظلمة من فوتونات مظلمة — جسيمات شبحية تكون غير مرئية في الظروف العادية. داخل مجرات، تتجمع هذه الجسيمات في سحب تشبه يراعات غير مرئية تنتظر إشارة. عندما تدخل هذه السحابة مجالاً مغناطيسياً، فإنها «تشتعل» — تتحول الفوتونات المظلمة إلى ضوء عادي.

في كور الحداد، ينفخ تيار الهواء في جمر النار، وتشكل الموجات الصدمية فقاعات من الغاز الساخن. في مراكز المجرات، تقوم نفس العملية بواسطة ثقب أسود فائق الكتلة الثقب الأسود. نفاثاته البلازمية الضيقة، مثل منفاخ الحداد، تخترق الفضاء المحيط وتخلق فقاعات تُرى بالأشعة السينية.

المادة المرئية ليست سوى قطرة في حساء كوني هائل. أساس الكون هو المادة المظلمة غير المرئية — مادة افتراضية لا تشع الضوء ولا تمتصه، لكنها بجاذبيتها تمنع المجرات من التمزق. أفضل مرشح لدورها هو النيوترينوات العقيمة، وهي جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة العادية، ولا تربطنا بها سوى جسر نظري رفيع.

عندما تُبرَّد سحابة من الذرات إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، يمكنها الدخول في حالة كمومية موحدة، حيث تتصرف كمجموعة منسقة. إذا وُلد في مثل هذه السحابة نيوترينو — وهو جسيم شبح لا يتفاعل تقريبًا مع المادة — فإنه عادةً ما يفلت دون أن يُلاحظ.

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.

يوميًا، تخترق جسيمات ذات طاقة هائلة الغلاف الجوي للأرض، وكأنها رسائل مجهولة المصدر. ظل مصدرها لغزًا لفترة طويلة. دراسة جديدة تمكنت من تحديد: هؤلاء "الزوار" يشيرون إلى مجرات مجاورة، حيث تقع كوارث من وقت لآخر — اصطدام نجوم نيوترونية (أجسام فائقة الكثافة بحجم مدينة وكتلة مماثلة لكتلة الشمس).