فترة التذبذب

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.

النجوم النابضة (Cepheids) هي نجوم متغيرة نابضة يتغير لمعانها بانتظام يشبه عمل المنارة. ترتبط دورة نبضها بمتوسط كثافة النجم، مما يجعل هذه الأجسام "شموعًا معيارية" مهمة لقياس المسافات في الكون. في الأنظمة الثنائية، حيث يحجب النجم النابض بشكل دوري بواسطة نجم مرافق، يمكن لعلماء الفلك قياس نصف قطره وكتلته مباشرة.

تخيل جسيمًا كموميًا يتحرك على مسار مغلق، مثل قطار على خط دائري في مترو الأنفاق. في كل محطة يحدث له شيء ما — على سبيل المثال، تتغير خصائصه الداخلية قليلًا. بعد إكمال الدورة الكاملة، يعود الجسيم إلى نقطة البداية، لكن حالته لم تعد تمامًا كما كانت في البداية. هذا ليس خطأً، بل ميزة أساسية: التحول النهائي، المسمى أحادية اللحظة (monodromy) (الإزاحة الكلية خلال الدورة)، يحتفظ بذاكرة المسار بأكمله.

في مكان ما في أعماق درب التبانة، تظهر من حين لآخر ومضات راديوية — نادرة ومنتظمة، كأنها دقات بندول بعيد. هذه الومضات الراديوية الطويلة الدورة اكتُشفت مؤخرًا فقط، وقد أربكت علماء الفلك على الفور.

أدق ساعة توقيت في العالم ما زالت تعمل بنظرة إلى البندول القديم. أجهزة المازر الهيدروجينية – أفضل "الحدافات" الراديوية (أجهزة تحفظ الإيقاع بين ومضات المعايرة مع المعيار) – تراكم الخطأ بسبب تسرب الضوضاء بين القياسات إلى الإشارة النهائية. يسمي الفيزيائيون هذا تأثير ديك، وهو يضع حدًا لدقة أي مقياس زمن مبني على الترددات الراديوية. استبدل المؤلفون الحدافة الراديوية بحدافة بصرية.

أول لحظة في وجود الكون تشبه وترًا مشدودًا ضُرب فجأة. لقد اهتز، وتجمدت هذه الاهتزازات في شكل مجرات وفراغات. لكن الفيزيائيين يشتبهون في وجود اهتزازات أخرى — سريعة ومحلية، تقريبًا مثل دقات الطبول على خلفية لحن بطيء. يتعلق الأمر بالأوسيلونات (oscillons) — كتل من الطاقة ربما ظهرت في عصر التضخم (التوسع السريع للكون). إنها تشبه الفقاعات في الماء المغلي: تنشأ، وتعيش لبعض الوقت، ثم تنهار.

أنماط التموج مألوفة للجميع. مشطان بمسافات أسنان مختلفة، عند وضعهما فوق بعضهما، يظهران تموجات داكنة. شيء مماثل تجلى في الزمن. أخذ الفيزيائيون سحابة من ذرات ريدبرغ — جسيمات ذات مدارات إلكترونية كبيرة بشكل استثنائي — وسلطوا عليها حزمتي ليزر. اختلف تردد الحزمتين ببضعة كيلوهرتز فقط — مقدار ضئيل بمقاييس الذرة.

في أجزاء من الثانية الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون مسرحًا لتغيرات سريعة. الغشاء المطاطي المشدود الذي يبرد بسرعة يغطى بشقوق مجهرية. عملية مماثلة على نطاق كوني ربما أنتجت الغبار الكوني — خيوطًا رفيعة للغاية لكنها فائقة الكثافة من الطاقة، ممتدة عبر الكون بأكمله. هذه الأوتار ليست مجرد عيوب في الفضاء.

على الشمس تتردد الضربات بين الحين والآخر — إعادة الاتصال المغناطيسي في البلازما يطلق طاقة، مما يجعل الإكليل يتوهج. بعد كل ضربة من هذا القبيل، لا تزال الأمواج المغناطيسية الهيدروديناميكية تتردد في الحلقات البلازمية لفترة طويلة — مثل رنين الجرس المتلاشي.

شمسان ميتتان تدوران في رقصة أبدية. مدارهما بندول مثالي يضبط الوقت بدقة الساعات الذرية. ولكن حتى النجوم الميتة قد ترتجف. الموجات الثقالية الصادرة عن هذه الأزواج، والتي سيلتقطها الهوائي الفضائي LISA، قد تكشف ليس فقط عن الإيقاع الصارم، بل أيضًا عن اضطراباته العشوائية الصغيرة. ابتكر مؤلفو الدراسة طريقة لاستخلاص مقياس الفوضى من هذه الإشارة.

حتى جوسلين بيل بورنيل، التي سجلت لأول مرة الدورية الصارمة للإشارات الراديوية، لاحظت أن بعض النبضات تختفي فجأة. اليوم نعرف أن التغير ليس نزوة، بل صوت كهروديناميكية معقدة.

في عام 2022، بدأ علماء الفلك في اكتشاف منارات كونية غريبة — العابرات الراديوية طويلة الدورة. على عكس النجوم النابضة السريعة، التي اكتشفتها جوسلين بيل بورنيل في عام 1967، كانت هذه الأجسام تنفجر بدورات تصل إلى عشرات الدقائق والساعات.

الوتر الجهير الذي نُقر في لحظة الانفجار العظيم لا يطن بنغمة واحدة فقط — بل تجري عليه موجات، ومن وقت لآخر تنفصل عنه حلقات صغيرة. هذه الحلقات، مثل الشوكات الرنانة، تبدأ بالرنين على ترددها الخاص، مولدة صوتًا عاليًا جدًا. وعلى مقياس الكون، "الصوت" هو تموج على نسيج الزمكان، يُعرف باسم الموجات الثقالية.

قمة الغزال تدور بسرعة هائلة وبدلاً من الطنين المنتظم تصدر أزيزًا هادئًا — لأنها مشوهة قليلاً. هكذا تعمل النجوم النيوترونية تقريبًا: كرات بحجم مدينة، مضغوطة إلى كثافة تجعل ملعقة صغيرة من مادتها تزن مثل جبل. إذا لم يكن هذا النجم كرة مثالية، بل لديه "نتوء" صغير على جانبه، فإنه يصدر موجات جاذبية مستمرة — تموجات في الفضاء نفسه تنتشر عبر الكون. من الصعب جدًا التقاط هذه التموجات.

عندما يدور ثقبان أسودان فائقا الكتلة حول بعضهما قبل الاندماج، فإنهما يهزان نسيج الفضاء نفسه — مثل قارب يجري في بحيرة تاركًا وراءه أمواجًا. تُسمى هذه الموجات بالثقالية. إنها تعبر الكون وتخترق كل شيء، حتى الأرض. لكن رصدها مباشرة صعب: نحتاج منشآت عملاقة مثل LIGO، التي تلتقط فقط دفقات قصيرة من ثقوب سوداء صغيرة.

بعض العمالقة الحمراء — وهي نجوم قديمة ضخمة — تغيّر سطوعها ببطء شديد: قد تستغرق الدورة الواحدة أكثر من عام. لم يتمكن علماء الفلك لفترة طويلة من فهم السبب. إحدى الفرضيات: وجود رفيق غير مرئي يدور قريبًا ويحجب جزءًا من الضوء بشكل دوري. فرضية أخرى: النجم نفسه ينبض مثل القلب، لكن ببطء شديد — حيث تنقبض طبقاته الخارجية وتتمدد. العملاق الأحمر أكبر بمئات المرات من الشمس.

النجم النابض الراديوي J1574+4703 هو نجم يتصرف مثل منارة متقلبة. فبدلاً من أن يضيء باستمرار، يطلق حزمته الراديوية على شكل ومضات قصيرة ثم يصمت لفترات طويلة. تُعرف هذه الأجسام باسم "المتغيرات الراديوية الدوارة" (Rotating Radio Transients) واختصارًا RRAT. لكن لهذا النجم النابض خصوصية: ففي بعض الأحيان يبدأ بالعمل كنابض راديوي عادي، يرسل إشارات دون انقطاع.

قمة دوارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنها تكمل 220 دورة في ثانية واحدة — هذا هو بالضبط ما التقطه التلسكوب الراديوي الصيني FAST. إنه النجم النابض PSR J1810-0623، نجم نيوتروني بحجم مدينة لكن كتلته أكبر من كتلة الشمس. كل 4.55 ميلي ثانية، يمر شعاعه الراديوي بالقرب من الأرض مثل منارة في محيط كوني. هذا النجم النابض ليس وحيدًا.

ومضات إيقاعية لمنارة وسط ضباب كثيف — هكذا يبدو البحث عن النجوم النابضة. المنارة تدور، وشعاعها يصل إلى التلسكوب بشكل دوري. لكن الضباب يشتت الضوء، فتبدو الفترة مختلفة قليلًا. إذا رُصدت نفس المنارة مرتين، يمكن المقارنة: يجب أن تتطابق الفترات تقريبًا، وأن يكون التشتت متشابهًا. هذا بالضبط ما تفعله الخوارزمية الجديدة للبحث عن النجوم النابضة — نجوم نيوترونية سريعة الدوران تُصدر نبضات راديوية.

نجم نيوتروني بحجم مدينة يدور ثلاثين دورة في الثانية. مجاله المغناطيسي أقوى بتريليونات المرات من مجال الأرض. هذه الظروف قادرة على توليد سحابة من الأكسيونات حول النجم — جسيمات خفيفة لم يلتقطها أي كاشف حتى الآن، لكنها تفسر جيدًا الكتلة الخفية للكون. تتفاعل الأكسيونات مع الضوء: في مجال مغناطيسي قوي، تُدير قليلًا مستوى اهتزاز الموجة الكهرومغناطيسية.

في كرة كثيفة من مئات الآلاف من النجوم، تُعرف بالعنقود الكروي، التقطت التلسكوبات الراديوية إيقاعًا ضعيفًا لكنه واضح جدًا. كل 2.45 ميلي ثانية — أي ما يعادل 408 نبضة في الثانية — يصل منها نبض راديوي. هكذا يعلن عن نفسه نجم نابض ميلي ثانية جديد النجم النابض — نجم ميت بحجم مدينة، يدور أسرع من شفرات المروحية. هذا النجم النابض، الذي أُطلق عليه اسم PSR J1716-2808A، ليس وحيدًا.

في مركز مجرتنا يختبئ ثقب أسود هائل يُدعى الرامي A* — عملاق يمسك بالنجوم من حوله. يحلم علماء الفلك بالعثور على نجوم نابضة بالقرب منه: هذه المنارات الكونية تُرسل نبضات راديوية بدقة الساعات الذرية. إذا التقطنا نجمًا نابضًا في مدار حول الثقب الأسود، يمكننا قياس كيفية انحناء المكان والزمان في جواره. العمل الجديد يقدم نموذجًا واقعيًا لمثل هذه الملاحظات.

في الفجوات بين خلايا الدماغ يتدفق سائل. لا يبقى ثابتًا: كل نبضة قلب تدفعه إلى الأمام، والتنفس يضيف أمواجه الخاصة. قبل عشر سنوات شوهد هذا في الصور، لكن الآن فقط تم حساب كيف تعمل هذه النبضات على تسريع الجزيئات. إذا أسقطت حبرًا في جدول، فسوف يطفو مع التيار. وإذا كان الجدول يتسارع تارة ويتباطأ تارة أخرى، فإن الحبر ينتشر على نطاق أوسع.

النجم النيوتروني 1E 161348-5055 في بقايا المستعر الأعظم RCW 103 ينبض بفترة تبلغ 6.67 ساعة. هذا بطيء جداً لمثل هذا الجسم المضغوط، ولم يتمكن علماء الفلك لفترة طويلة من فهم ما يحدث. افترضوا أن النجم ليس كرة مثالية، بل مفلطح قليلاً، وأن محور دورانه يتمايل ببطء، مثل قمة دوارة أُطلقت.

النجم النابض في سديم السرطان يومض مثل منارة: كل 33 ميلي ثانية يرسل نبضة راديوية، وهكذا بدقة الساعات الذرية. لكن في بعض الأحيان يضطرب دورانه: يزداد النجم فجأة في السرعة قليلًا، وكأن شيئًا ما ينزلق في داخله. كانت هذه الأعطال تُعتبر عشوائية، مثل نقرات بندول الإيقاع الذي يُدفع أحيانًا.