انبعاث الضوء من النجم النيوتروني

خلف مدار نبتون، يمتد محيط من الجزر الجليدية التي لم تتغير كثيرًا على مدى أربعة مليارات سنة. هذه الجزر، التي تسمى الأجسام الواقعة وراء نبتون، تحفظ وصفة نشأة الكواكب. حتى وقت قريب، لم يكن علماء الفلك يرون إلا الكبير منها، بينما ظلت الصغيرة، بحجم مدينة، غير مرئية. الآن، نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي في هذا الظلام أعمق من أي وقت مضى، وأعاد حساب حتى الجليد الذي يبلغ عشرة كيلومترات.

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.

كل صباح، يكنس عامل النظافة أوراق الشجر في كومة واحدة. الشمس، أثناء عبورها المجرة، تفعل شيئًا مشابهًا: جاذبيتها تجمع الغاز بين النجمي المتناثر في مخروط غير مرئي — قمع جاذبية عملاق يركّز المادة.

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.

القمة الدوّارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن الهواء حولها يبدأ بالدوران بتناغم معها. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف الثقب الأسود: إذا كان دوّارًا، فيمكنه نقل طاقته إلى الجسيمات القريبة منه. تُسمى هذه العملية بالإشعاع الفائق (superradiance) — وهي تشبه صدى الصوت في الجبال، لكن بدلًا من الصوت تولد جسيمات جديدة.

في جليد القارة القطبية الجنوبية، يختبئ كاشف بحجم كيلومتر مكعب. إنه لا يلتقط الضوء، بل الجسيمات الشبحية — النيوترينوات، التي لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. لكن في بعض الأحيان، قد يلمع فيه وحش مختلف تمامًا: زوج من الميونات يولدان معًا وينطلقان في مروحة واسعة. هذا النمط لا يمكن أن ترسمه أي جسيمات معروفة من المادة العادية.

في عام 1976، تنبأ الفيزيائيون بأن الإلكترون قد لا يمر بجوار النواة فحسب، بل يصطدم بها وينقل إليها طاقة تجعلها "ترتجف". سُمي هذا التأثير NEEC — الإثارة النووية بالتقاط الإلكترون (Nuclear Excitation by Electron Capture). لكن على مدى خمسين عامًا تقريبًا، لم يتمكنوا من رصده في التجارب. الإشارة ضعيفة جدًا، وتغرقها إلكترونات أخرى تتشتت على النواة دون التقاط. جاء الحل من جهة غير متوقعة.

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.

في أعماق جليد القطب الجنوبي، على عمق يقارب الكيلومترين ونصف، يعمل تلسكوب غير عادي. إنه لا يتجه نحو السماء، بل عبر الأرض. هدفه هو النيوترينوات، وهي جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، وتخترق الكواكب والنجوم. لكن في بعض الأحيان، يصطدم نيوترينو بجزيء جليد، فيولد وميضًا ضوئيًا قصيرًا تلتقطه آلاف المجسات الحساسة. هذه الإشارات الضوئية تراكمت على مدى اثني عشر عامًا.

في الكون المبكر، عندما كان يبرد بعد الانفجار العظيم، ربما نشأت عيوب — تشبه الشقوق في الجليد. أحد هذه العيوب هو القطب الكوني الشامل، وهو كتلة صغيرة من الحقل حيث تُحبس الطاقة في عقدة. عندما يلتقي القطب مع نقيضه، يفنيان بعضهما مثل قطرة وفقاعة، ويصدران موجات — جسيمات عديمة الكتلة قريبة من المادة المظلمة (تُسمى بوزونات NG). حاكى مؤلفو العمل على الكمبيوتر رقصة هذه الأقطاب.

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.

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).

إن احتضار الثقب الأسود الوحيد يستمر أبدًا. لكن في اللحظات الأخيرة، حين تتبخر كتلته وفق القانون الذي اكتشفه Stephen Hawking، يتمكن من إرسال إشارة وداع راديوية. ليس همسًا كميًا، بل ضجيجًا كلاسيكيًا — شرط أن يكون هناك حقل مغناطيسي قريب.

اليد الخفية لـ المادة المظلمة تضغط المجرات في أحضان الجاذبية، لكن طبيعتها تظل مراوغة منذ قرابة قرن. كان فريتز زفيكي قد اشتبه بوجود كتلة مخفية في العناقيد، وأظهرت فيرا روبين أن النجوم عند الأطراف تدور بسرعة كبيرة - وكأن قائد أوركسترا خفي يدفعها.

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.

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.

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.

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.

عندما يموت نجم هائل، ينكمش قلبه، ويحدث انفجار مستعر أعظم. ويولد هذا الحدث الكارثي تيارات من الجسيمات، مثل تموجات من حجر ألقي في الماء. تصل النيوترينوات السريعة أولاً، وتخترق الأرض دون أن تتفاعل معها تقريباً. ثم، بعد تأخير بضع ساعات، تظهر جسيمات شبحية بشحنة صغيرة جداً.

موجة صادمة تنطلق من سطح نجم — وفي لحظة وجيزة يولد وميض مبهر من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. هذا الحدث، الذي أطلق عليه اسم EP260321a، رصده تلسكوب الفضاء «أينشتاين» في مارس 2026. استغرق الضوء حوالي 450 مليون سنة للوصول إلى الأرض. بعد الوميض، شاهد علماء الفلك مستعرًا أعظم SN 2026gzf — انفجار نجم ضخم فقد طبقاته الخارجية.

ينهي النجم الضخم حياته بانهيار هائل: ينضغط القلب ليتحول إلى نجم نيوتروني أو ثقب أسود، بينما تتطاير الطبقات الخارجية في مستعر أعظم مبهر.

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.

في أعماق الأرض في اليابان، يوجد خزان ضخم من أنقى المياه. ينتظر ضيوفًا نادرين — النيوترينوات القادمة من انفجارات نجوم بعيدة. مثل هؤلاء الضيوف لا يظهرون تقريبًا أبدًا: على مدى سنوات المراقبة، يسجل جهاز Super-Kamiokande بضع حوادث فقط. لكن مؤخرًا، لاحظ الفيزيائيون أن عدد الضيوف أكبر قليلاً من المتوقع. هذا الفائض يشبه رنين هاتف هادئ في الليل — ضعيف لكنه ملحّ.

خزان ضخم من الماء فائق النقاء مخبأ في أعماق الأرض في اليابان. جدرانه مغطاة بآلاف المصابيح الحساسة للضوء، التي تلتقط ومضات خافتة — آثار جسيمات شبحية تخترق عمود الماء. هذا الكاشف، سوبر كاميوكاندي، ظل يحدق في السماء لفترة طويلة بحثًا عن صدى نيوترينوي لانفجارات نجمية قديمة. وفجأة — تدفق غير متوقع.

النجوم النيوترونية هي بقايا نجوم فائقة الكثافة، حيث تنضغط المادة إلى أقصى حد وصفتها سوبرامانيان تشاندراسخار. النجوم المغناطيسية هي نوع منها بمجال مغناطيسي أقوى بتريليونات المرات من مجال الأرض.

في أعماق البحر المتوسط، حيث يضغط الماء بقوة مئات الأجواء، كانت شبكة من الكرات الحساسة للضوء تنتظر ضيفًا نادرًا. وقد جاء — نيوترينو حمل عبر سمك الأرض طاقة تعادل ضربة طوبة طائرة. لكن بدلاً من الطوبة، جسيم صغير، شبه غير محسوس، لكنه قادر على إخبارنا عن أكثر زوايا الكون اضطرابًا. سُمي هذا الجسيم KM3-230213A. وهو الأول في التاريخ الذي تتجاوز طاقته 100 إلكترون فولت (PeV).

في قلب درب التبانة، هناك شيء يتوهج — لكن ليس بضوء النجوم، بل بأشعة غاما غير المرئية للعين.

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 كل ثانية، تخترقنا مقذوفات غير مرئية قادمة من أعماق الكون. هذه هي الأشعة الكونية — نوى ذرية تم تسريعها إلى سرعات لا تكاد تختلف عن سرعة الضوء. طاقتها أكبر بمئات الملايين من المرات من تلك المتاحة في أقوى مسرعاتنا.

كشاف قوي يسلط ضوءه عبر ضباب كثيف. لا يُرى الشعاع نفسه، لكن الضباب يبدأ في التوهج بضعف – مما يكشف عن وجود الكشاف. مبدأ مشابه يعمل مع النيوترينوات: جسيمات شبه خفية تولد عندما تصطدم بروتونات سريعة من مجرات بعيدة بإشعاع الخلفية الكونية المنتشر (وهو خلفية ميكروية ضعيفة متبقية من الانفجار العظيم).

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون يشبه بركة ماء هائلة تبرد. وكما يتشقق الجليد عند تجمد الماء، قد يكون الكون البارد قد تشقق — ليس بالجليد، بل بخيوط رفيعة للغاية من الطاقة النقية. تُسمى هذه الخيوط بالأوتار الكونية. إنها أرفع من نواة الذرة، لكنها كثيفة جدًا لدرجة أن قطعة طولها بضعة كيلومترات قد تزن مثل جبل كامل.

في مجرة بعيدة، على مسافة يقطعها الضوء في 11 مليار سنة، انفجر شيء ما. رصد تلسكوب الأشعة السينية Einstein Probe وميضًا قصيرًا كوخزة إبرة، استمر بضع عشرات من الثواني فقط. لكن الأمر الأكثر إثارة بدأ بعد ذلك: بعد أيام، في الضوء المرئي العادي، زاد سطوع الجسم تدريجيًا مرة أخرى. هذا يشبه سيارتي سباق انطلقتا من خط واحد لكن بسرعتين مختلفتين.

بعد الانفجار العظيم، امتلأ الفضاء بمزيج من الغازات المتعادلة، معظمها من الهيدروجين والهيليوم. وقد غلفت هذه المادة الباردة الكون مثل ضباب صباحي كثيف، لا يمكن للإشعاع أن يخترقه. وهكذا بدأ عصر يُعرف بالعصور المظلمة.

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.

السماء الليلية مليئة بالمنارات التي تومض وفق جدول زمني. النجوم النابضة (pulsars) هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران، وتصل نبضاتها الراديوية بدقة الساعة. لكن هناك منارات أخرى: تظل صامتة لدقائق أو ساعات، ثم تُطلق فجأة نبضة واحدة، ثم تعود إلى الصمت. تُعرف هذه الأجسام بالراديوهات العابرة الدوارة (rotating radio transients)، وكانت تُعتبر حتى وقت قريب ظاهرة نادرة وغريبة.

بعد موت نجم ضخم، يحدث انفجار مستعر أعظم — بقوة تجعل وميضه أكثر سطوعًا من مجرة بأكملها. في هذا اللهيب، تولد مليارات الأكسيونات — جسيمات خفية لا تكاد تترك أي أثر. في كل ثانية، تمر عبر كل واحد منا تريليونات من هذه الجسيمات الدقيقة دون أن تُلاحظ أبدًا. يُعتقد أن هذه الخفايا هي المادة المظلمة — المادة الخفية التي تمنع المجرات من التشتت.

الثقوب السوداء الصغيرة التي نشأت بعد نشأة الكون مباشرة، يجب أن تتبخر - تطلق كتلتها على شكل جسيمات غير مرئية. هذا ما تنبأ به ستيفن هوكينغ، وكان هذا 'تبخر هوكينغ' يسهم في توسع الكون الفتي. لكن إذا وُجدت جسيمات خارج نطاق الفيزياء المألوفة، فقد تتكثف سحابة حول ثقب أسود دوَّار.

تنهي النجوم الضخمة دورة حياتها بانفجار هائل، أطلق عليه فريتز زفيكي اسم المستعر الأعظم. في مركز الانفجار، ينهار النواة إلى بقايا فائقة الكثافة — ثقب أسود أو نجم نيوتروني.