الاندماج النووي

تخيل دوامة لا يجلس عليها الأطفال، بل إبر مغناطيسية صغيرة داخل غبار الألماس. عادةً ما تكون هذه الإبر موجهة بشكل عشوائي، وتضيع إشارتها في الضوضاء. لكن إذا مالت الدوامة بزاوية خاصة وأُضيئت في نفس الوقت بليزر أخضر، تبدأ الإبر في الاصطفاف في اتجاه واحد. هذا بالضبط ما فعله الفيزيائيون بجسيمات الألماس، بتدويرها بزاوية 54.74 درجة بالنسبة للمجال المغناطيسي.

بعد الانفجار النووي، يرتفع إلى الغلاف الجوي كمية هائلة من السخام، وهي جسيمات مجهرية من الكربون تستقر في الستراتوسفير على ارتفاع يزيد عن 10 كيلومترات وتبقى هناك لسنوات. يعمل هذا السخام مثل ستارة كثيفة: فهو يحجب جزئيًا أشعة الشمس ويغير التركيب الكيميائي للغلاف الجوي.

عندما يمتص أشباه الموصلات في الخلية الشمسية فوتونًا، يتولد زوج من حاملات الشحنة — إلكترون وثقب — يمتلكان طاقة حركية زائدة. وكالعداء بعد جولة شاقة، يجب أن "تبرد" هذه الحاملات الساخنة — أي تبدد الطاقة الزائدة في اهتزازات الشبكة البلورية (الفونونات) — قبل أن تتمكن من جمعها بكفاءة عند الأقطاب وإيصال طاقتها إلى الدائرة الخارجية.

مصادر الطاقة النظائرية المشعة التي تعمل باضمحلال ألفا للبلوتونيوم-238، ظلت لأكثر من ستين عامًا تغذي أجهزة تنظيم ضربات القلب والمركبات الفضائية. ومع ذلك، فإن المواد الخام لها شحيحة للغاية: الإنتاج العالمي للبلوتونيوم-238 يبلغ بضعة كيلوغرامات فقط في السنة، وهو ما يكفي بالكاد لتغطية احتياجات المهام الرئيسية.

مصادر الطاقة النظائرية المشعة التي تعمل باضمحلال ألفا للبلوتونيوم-238، ظلت لأكثر من ستين عامًا تغذي أجهزة تنظيم ضربات القلب والمركبات الفضائية. ومع ذلك، فإن المواد الخام لها شحيحة للغاية: الإنتاج العالمي للبلوتونيوم-238 يبلغ بضعة كيلوغرامات فقط في السنة، وهو ما يكفي بالكاد لتغطية احتياجات المهام الرئيسية.

عند اصطدام نواتين ذريتين تتولّد كرة نارية صغيرة — حالة من المادة بكثافة طاقة قصوى. تعيش لحظة، لكن داخلها تتعاقب عصور كاملة: انضغاط، تسخين، تمدد. تعلّم الفيزيائيون التنصّت على هذه العملية، وأصبحت أزواج الإلكترونات والبوزيترونات — الجسيمات المضادة التي تنطلق من الكرة في مراحل مختلفة — «ميكروفونهم». في العمل الجديد، تمت مقارنة سيناريوهين لتطور المادة.

السباق نحو طاقة الاندماج النووي يشبه محاولة حبس البرق في قارورة. لعقود، يسعى الفيزيائيون لإعادة إنتاج العمليات التي تغذي الشمس على الأرض. الصعوبة الرئيسية هي جعل النوى الخفيفة تندمج، متغلبةً على التنافر الكولومبي المتبادل، وفي الوقت نفسه الحصول على طاقة أكثر مما يُستهلَك في تسخين البلازما واحتجازها.

بعد ثلاث دقائق من الانفجار العظيم، عزف الكون سمفونيته الأولى. كان ذلك الانفجار العظيم والتخليق النووي — تكوّن الأنوية الخفيفة، حيث كان كل عنصر يعزف نغمته الخاصة، وكان الإيقاع تحدده سرعة توسع الفضاء. الإيقاع القياسي الذي تنبأت به معادلات فريدمان كان يُبعد البروتونات والنيوترونات عن بعضها، ويمنعها من التكتل بسرعة كبيرة.

في قلب كل نجم نيوتروني تكمن سيمفونية — تشابك معقد بين الحقول الكمومية والجاذبية النسبية. منذ قرابة قرن، وصف فريتز زفيكي هذه الأجرام بأنها «نجوم-ذرات»، بينما أهدتنا جوسلين بيل بورنيل صوتها — الإيقاع الصارم للـنباضات.

في قلب النجم المحترق، تقترب نواتا هيليوم من بعضهما مثل راقصَين على مسرح مزدحم. رقصتهما هي تشتت ألفا، أساس احتراق الهيليوم النجمي. من سلاسة دورانهما يعتمد مدى سرعة حرق النجم لوقوده. في السابق، كانت هذه الرقصة توصف بشكل مبسط. الآن، استخدم الفيزيائيون لأول مرة الوصف الأدق للقوى النووية — وهو تفاعل N3LO من النظرية الكيرالية.

اصطدام نجمين نيوترونيين هو مختبر كوني تنضغط فيه المادة إلى كثافات لا يمكن تصورها. في اللحظات الأولى بعد الاندماج تنشأ سحابة ساخنة تبرد بإصدار النيوترينوات. هذه الجسيمات الخفية تحمل الطاقة وتقرر كمية المادة التي ستُقذف إلى الفضاء والعناصر الثقيلة التي ستُخلَّق. حتى الآن، كانت النيوترينوات توصف في المحاكاة الحاسوبية بشكل تقريبي: كان يتم حساب متوسط طاقتها وتبسيط التفاعلات المعقدة.

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.

يتوسع الكون بتسارع — وكأنها عجينة تختمر بشكل أسرع فأسرع، رغم أن الخميرة نفدت منذ زمن. لعشرين عامًا، يبحث علماء الفلك عن السبب ويسمونه الطاقة المظلمة. لكن ما هي بالضبط، يبقى لغزًا. العمل الجديد يقترح مصدرًا غير متوقع: الفراغ داخل النواة الذرية.

في قدر يغلي الماء: فقاعات تتلاطم، والحرارة تتبدد بسرعة في الهواء. في مركز مفاعل الاندماج النووي ARC، تتصرف البلازما بشكل مشابه، لكن بدلاً من الفقاعات هناك دوامات مضطربة، وبدلاً من الهواء هناك مجال مغناطيسي يجب أن يحتفظ بالحرارة. الدوامات تضر: فهي تنقل الحرارة إلى الخارج وتبرد البلازما.

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 كاشف مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات، وفي لحظة وجيزة يولد شيء ثقيل. يتحلل فورًا إلى بوزوني هيغز — جسيمين، مثل الدمى الروسية، يخفي كل منهما زوجين من كواركات b. تتناثر أربعة تيارات من الجسيمات في اتجاهات مختلفة، والمهمة هي تمييز أثر حدث واحد وسط مليارات الأحداث المشابهة.

يدور نجمان النجوم النيوترونية في رقصة أخيرة. إذا تطابق دورانهما مع الحركة المدارية، يندمج الشريكان بدقة، قاذفين شعاعًا ضيقًا من المادة الحارة. أما إذا دارا باتجاهين متعاكسين، تنهار الرقصة، ناثرةً سحابة كثيفة من الحطام.

نجمان محترقان بحجم الأرض — لكن كل منهما أثقل من الشمس — يدوران في مدارين متقاربين بشكل متزايد، حتى يصطدم أحدهما بالآخر. يطلق الاصطدام انفجارًا نوويًا حراريًا، ويولد مستعر أعظم من النوع Ia. هذه التوهجات بمثابة منارات كونية لقياس المسافات في الكون. ومع ذلك، لا تزال تفاصيل نشأتها موضع جدل. في الدراسة الجديدة، حسب العلماء كيفية توهج سحابة الغاز بعد مئات الأيام من الاصطدام.

أنوية الذرات مغطاة بأغلفة رقيقة من الإلكترونات — في مثل هذه الأغلفة لا يمكن التحامها. لكن استبدل الغلاف الخفيف بآخر ثقيل: الميون، وهو جسيم من النموذج المعياري، يضغط السحابة الإلكترونية بحوالي 200 مرة.

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.

في عام 2017، التقطت الكواشف ارتجاجًا في الفضاء — موجات ثقالية ناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين. وسرعان ما عثرت التلسكوبات على وميض ضوئي: انفجار كوني أطلق عليه الفلكيون اسم كيلونوفا. في هذا المرجل الناري، كما اتضح، تولد أثقل عناصر الجدول الدوري — الذهب والبلاتين واليورانيوم. ولكن لفهم كيفية حدوث ذلك بالضبط، نحتاج إلى النظر داخل المادة نفسها.

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.

نواة الذرة تشبه نابضًا طبيعيًا ذا قوة هائلة. عندما تعيد البروتونات والنيوترونات داخلها ترتيب نفسها، تنتقل النواة إلى حالة خاصة طويلة الأمد تُسمى أيزومر نووي. فيه تُختزن الطاقة كما لو أن النابض مضغوط إلى أقصى حد. ولإعداد هذه الآلية، تُضرب النواة بنبضة فائقة القصر من ليزر الأشعة السينية، مع ضبط الضربة بدقة لتكون في رنين.

نجمان نيوترونيان — بقايا نجوم ميتة، مضغوطة إلى حجم مدينة لكن بوزن يعادل الشمس — يدوران حول بعضهما البعض وفي النهاية يصطدمان. في تلك اللحظة يولد شيء بين ثقب أسود ومغناطيس فائق القوة: مجال أقوى بمليارات المرات من أقوى جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي.

قدرٌ يغلي بحساءٍ فوار، وتريد أن تعرف مدى سخونة القطرات الفردية داخله. لكن لا يمكن غمس مقياس الحرارة إلا من الحافة، حيث لا يكون الغليان عنيفًا. هكذا تقريبًا هي الحال مع الاندماج النووي بالليزر: نبضة ليزر قوية تضرب هدفًا، مولدةً سحابةً من البروتونات السريعة. لا يمكن التقاطها للقياس إلا من الخارج، عندما تخرج وقد فقدت جزءًا من طاقتها. وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقة للنظر إلى داخل «القِدر».

إذا ضغطت حفنةً من الرمل في قبضة يدك، فستتماسك أولًا ثم تبدأ في المقاومة، إذ لا مجال للحبيبات للتحرك. في أعماق النجم النيوتروني يحدث شيء مشابه، لكن بدلًا من حبيبات الرمل لدينا جسيمات أولية، وبدلًا من اليد لدينا جاذبية هائلة.

في قدرٍ فيه حساءٌ يغلي، تحمل التيارات المتدفقة الحرارة إلى الجدران فيبرد الحساء. وفي التوكاماك — القارورة المغناطيسية الضخمة للبلازما — يحدث الشيء نفسه: دوامات الاضطراب تنقل الطاقة إلى الخارج، مما يعيق إشعال تفاعل الاندماج. لكن في بعض الأحيان يبدو أن البلازما تجد بنفسها طريقة لتهدأ.

الأرجوحة لا تتأرجح إلا إذا دفعتَها في اللحظة المناسبة. وما أن تخرج عن الإيقاع حتى تذهب جهودك سدى. وهكذا تقريبًا يتفاعل الضوء مع النواة الذرية: عادةً ما يُمتص الفوتون فقط عندما تتطابق طاقته تمامًا مع الفرق بين مستويين نوويين. لكن ماذا لو لم تكن طاقة الفوتون مناسبة؟ وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقًا ملتويًا. لقد درسوا ذرة البلاتين-193.

نجمان نيوترونيان يقتربان في مسار حلزوني ليدمجا في لحظة. رقصتهما تستمر أجزاء من الثانية، ولكن قبل النهاية مباشرة، يصطدم أحدهما بالغلاف المغناطيسي للآخر — مثل سباح يشق الماء ويرفع الأمواج. في تلك اللحظة تولد منظومة معقدة من التيارات تحمل الطاقة بعيدًا.

د النجوم النيوترونية هي بقايا بالغة الكثافة لنجوم ميّتة، كل منها بحجم مدينة لكنها أثقل من الشمس. في عام 1934، تنبأ بوجودها فريتز زفيكي. ملعقة شاي من هذه المادة تزن مليارات الأطنان. عندما يقترب اثنان من هذه الأجرام قبل الاندماج، تلتف حقولهما المغناطيسية وتتمزق مثل أوتار مشدودة.

نواة ذرة الثوريوم-229 تشبه وتر العود المشدود: فهي تهتز بتردد محدد بدقة. 'لإصدار النغمة'، نحتاج إلى ضربة دقيقة - شعاع ليزر ذي لون محدد بدقة. وتعود جذور الفكرة إلى اكتشاف النشاط الإشعاعي على يد إرنست رذرفورد وماري كوري. ومثل جسم العود، يقوم تجويف بلوري مجهري بتضخيم الضوء القادم من الليزر عدة مرات، ويثير نوى الثوريوم بفعالية.

الاندماج النووي الحراري — اندماج بروتون مع نواة البورون-11 — يبشر بمصدر طاقة شبه مثالي: بدون تدفق النيوترونات الخطرة، فقط تدفق جسيمات مشحونة يمكن تحويله مباشرة إلى تيار كهربائي. لكن هنا تبرز المشكلة الأساسية لحاجز كولوم.

يبرد إبريق الشاي على الطاولة. تتبدد الحرارة في الهواء — وتضيع هباءً. لكن كان يمكن استخراج القليل من الكهرباء منها. الأجهزة التي تستطيع فعل ذلك تُسمى المولّدات الحرارية المغناطيسية (thermomagnetic generators). لا تحتوي داخلها على مكابس أو توربينات — فقط مادة تغيّر خصائصها المغناطيسية عند التسخين والتبريد. لكن حتى الآن تعمل هذه المولّدات ببطء وتفقد الكثير من الطاقة.

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.

النيتروجين — وهو الغاز الذي نتنفسه — يتصرف تحت ضغط مليون ضغط جوي كمعدن متقلب. في غرفة ذات سندانين ماسيين، يُضغط إلى 78–98 غيغاباسكال ويُسخن بالليزر إلى 1800–2500 كلفن. في هذه الظروف، تعيد جزيئات N₂ ترتيب نفسها إلى بلورات يمكنها تخزين طاقة أكبر كثافة من المتفجرات.

مصيدة مغناطيسية على شكل كعكة محلاة تحصر بلازما من البورون والهيدروجين. في داخلها ترتفع درجة الحرارة إلى ما يزيد عن مئة مليون درجة — أشد حرارة من مركز الشمس. عند هذه الحرارة تتصادم النوى وتندمج، محررةً الطاقة.

المفاعل النووي التقليدي يشبه المرجل حيث يحترق الوقود بالتساوي في كامل حجمه. هنا الصورة مختلفة: على طول قضيب أسطواني من كربيد اليورانيوم تزحف ببطء موجة انشطار — منطقة ضيقة تنشطر فيها الذرات وتطلق حرارة. أمام الموجة، الوقود لم يمس بعد؛ خلفها، استُنفد بالفعل. هكذا ينتقل النار على فتيل الشمعة، تاركًا الشمع خلفه. الحيلة الأساسية تكمن في طيف النيوترونات.

كل جزيء يشبه لعبة تركيب من الذرات: يمكن تجميع القطع نفسها بطرق مختلفة. التجميعان اللذان يحتويان على نفس مجموعة الذرات لكن بترتيب هندسي مختلف يُطلق عليهما اسم الأيزومرات (isomers). إذا كان أحدهما يُشتق من الآخر بمجرد دوران حول رابطة، فهما مُطابِقان (conformers)، مثل ذراع مثنية وأخرى ممدودة.

عندما يموت نجم ضخم، ينضغط قلبه ليتحول إلى نجم نيوتروني، بينما تتطاير طبقاته الخارجية في انفجار. في تلك اللحظة، يولد سحاب كثيف بشكل لا يمكن تصوره من النيوترينوات — جسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، لكنها "تتحاور" بنشاط مع بعضها البعض. عددها هائل لدرجة أنها تتصرف معًا كسائل يمكن أن تنتشر عليه الموجات.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم منفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. في نواته، تُضغط المادة بكثافة هائلة لدرجة أن ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن مثل وزن جبل. عند هذه الكثافة، كما تتنبأ نظرية التفاعلات القوية، تظهر للجسيمات "توائم" — شركاء التكافؤ. الأمر يشبه أن يظهر فجأة لكل ساكن في المدينة توأم له نفس العادات، لكنه معكوس كصورة المرآة.