تسريع جسيمات

التوهج الأزرق في الماء حول المفاعل النووي هو ضوء يُولَد عندما يتجاوز جسيم مشحون سرعة الضوء في ذلك الوسط. اكتشف هذا التأثير بافيل شيرينكوف عام 1934، وقدم النظرية إيغور تام وإيليا فرانك. منذ ذلك الحين، أصبح إشعاع شيرينكوف أداة عمل: من كواشف الجسيمات إلى الفيزياء الفلكية.

تصطدم نبضة ليزر بسحابة غازية وتقتلع منها إلكترونات، تاركةً خلفها فقاعة: تجويفًا يكاد يخلو من الجسيمات. تندفع هذه الفقاعة عبر البلازما بسرعة تقارب سرعة الضوء، وتسحب جدرانها الإلكترونات التي دخلت داخلها، كما يسحب الزورق السريع المتزلج المائي خلفه.

تنتشر حزمة الليزر العادية في خط مستقيم، تماماً مثل ضوء المصباح اليدوي. ومع ذلك، يمكن لفّ الضوء في شكل حلزوني يشبه خيط المِفكّة. وتحمل هذه الحزمة زخماً زاوياً مداريًا (OAM) – وهي خاصية لا يقتصر فيها الضوء على الإضاءة فحسب، بل يدير أيضاً كل ما يصادفه في طريقه. وقد وجّه الفيزيائيون هذا الضوء الملفوف إلى البلازما لتسريع الإلكترونات.

تبدو السماء ليلًا هادئة، لكن في الواقع تمر عبرنا باستمرار جسيمات غير مرئية — الأشعة الكونية. من بينها إلكترونات وجسيماتها المضادة — البوزيترونات. عندما تصطدم بالكاشفات على الأقمار الصناعية أو البالونات، تسجل الأجهزة طاقتها. وهنا تبدأ اللغز: على الرسم البياني حيث يمثل المحور الأفقي الطاقة والمحور الرأسي عدد الجسيمات، لا نرى خطوطًا ناعمة بل انكسارات وتحدبات.

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.

يستمر الوميض جزءًا من ألف من الثانية، لكنه في هذه اللحظة يقذف من الطاقة ما تشعه الشمس في يوم كامل. تُلتقط هذه الإشارات، وهي ومضات راديو سريعة، بواسطة التلسكوبات منذ عام 2007، ولا يزال مصدرها لغزًا. يقدم العمل الجديد إجابة أنيقة: الأمر كله يتعلق بمضخم كوني. النجم المغناطيسي هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بمقدار كوادريليون مرة من مجال الأرض.

التدفقات الراديوية السريعة (FRB) — منارات غامضة في الكون، تُطلق في أجزاء من الثانية طاقة تعادل إشعاع الشمس لقرون.

في كوكبة العقاب، على بُعد نحو 40 ألف سنة ضوئية منا، يعمل أحد أقوى المسرّعات الطبيعية في المجرة. إنه الميكروكويزار GRS 1915+105، وهو زوج من نجم عادي وثقب أسود. يجذب الثقب الأسود مادة النجم إليه ويقذفها على شكل نفاثتين ضيقتين، تتسارعان إلى ما يقارب سرعة الضوء.

راكب الأمواج ينزلق على سطح المحيط حتى تأتي موجة كبيرة - وهكذا يندفع إلى الأمام. بنفس الطريقة تقريبًا، يتفاعل الإلكترون الحر مع الضوء: عادة ما يكون تبادل الطاقة بالكاد ملحوظًا، ولكن إذا بدأ الوسط المحيط يتغير بشكل إيقاعي، فإن كل قمة موجة تدفع الجسيم بقوة أكبر. درس مؤلفو العمل التفاعل الكمومي بين الإلكترونات والفوتونات في وسط تتأرجح خصائصه بشكل دوري.

الكون مليء بعدائين خفيين - جسيمات تسير بسرعة تقارب سرعة الضوء. تُرصَد في الرياح الشمسية، وبالقرب من النجوم النيوترونية، وحتى في الفراغ بين المجرات. لكن ما الذي يسرعها في أماكن لا توجد فيها موجات صدمية ولا اتصالات مغناطيسية؟ ربما يكمن الجواب في نفس الكون ذاته - في نبض البلازما المتكرر.

عندما تتحرك شحنة كهربائية بتسارع، فإنها تبعث إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، أي ضوءًا — وهي ظاهرة مألوفة في الفيزياء. ومع ذلك، اكتشف الباحثون أنه عند الحركة على مسار مُختار خصيصًا، يكتسب الإشعاع خصائص غير عادية. طاقة الفوتونات لا تتوزع بشكل عشوائي، بل تحتل مستويات منفصلة تمامًا، كما لو كان ركاب يمرون عبر بوابة دوارة واحدًا تلو الآخر.

في ظهيرة قائظة، يخيّم الخمول على المدينة، ولا تلوح في الأفق أي غيمة. عادةً في مثل هذا الطقس، لا يبقى سوى الانتظار حتى ترحم الطبيعة وترسل البرودة. ماذا لو أمكن تشغيل الظل والمطر وفق جدول زمني، مثلما نشغّل الضوء في الغرفة؟ تقترح مجموعة من الباحثين أداة غير معتادة لمثل هذا «الزر الجوي» — مسرّع بروتونات محمولًا جوًا.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، كان من الممكن أن تطفو في الفضاء تكتلات تزن ترليون شمس وبشحنة كهربائية هائلة القوة — مثل تريليونات من الكرات المكهربة. تنافرها المتبادل كان يمكن أن يدفع المجرات بعيدًا، محلًا بذلك الطاقة المظلمة ومسرعًا توسع الكون. لكن الحسابات تقضي على هذه الفكرة.

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.

قرب الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، تغلي البلازما مثل الماء في غلاية. لكن في هذه «الغلاية» لا توجد جدران، فقط مجالات مغناطيسية تلتف وتتمزق. في أماكن التمزق تنشأ طبقات رقيقة حيث يعيد المجال المغناطيسي توصيل نفسه، وتحصل الجسيمات على دفعة، مثل راكب أمواج على موجة.

تشبه الموجة الصدمية في الهالة الشمسية الدوي الصوتي الناتج عن طائرة، لكن بدل الهواء هناك بلازما شديدة الحرارة، وبدل الصوت هناك قفزة في الكثافة والمجال المغناطيسي. في 10 مارس 2024، مرت هذه الموجة عبر الجزء الغربي من القرص الشمسي. كانت ضعيفة لدرجة أن سرعتها تجاوزت السرعة المحلية للموجات المغناطيسية بنصف بالمائة فقط (عدد ماخ حوالي 1.005).

تيار الماء من خرطوم يصطدم بجدار فينتشر جانبًا. هكذا تتصرف النفاثات الفيزيائية الفلكية — تيارات ضيقة من البلازما تنطلق من محيط الثقوب السوداء أو النجوم الفتية. عندما يواجه هذا التيار مقاومة من الغاز المحيط، تتشكل داخله موجة صادمة، تشبه الموجة المستقرة في نهر سريع. على هذه الموجة، تنعكس الجسيمات المشحونة مرارًا وتكرارًا، مثل كرات في لعبة تنس الطاولة، وتكتسب طاقة.

في أعماق كوكبة العقاب، يختبئ سديم يشبه فقاعة منتفخة. تنفخه نجمة صغيرة بحجم مدينة، وهي نجم نابض يدور عدة مرات في الثانية ويفقد طاقة دورانه. عادةً، تتوهج هذه الفقاعات بقدر قوة نجمها النابض. لكن هذه الفقاعة، التي أطلق عليها اسم «مسرّع العقاب»، أظهرت سطوعًا يفوق المتوقع. التقط تلسكوب LHAASO في جبال الصين أشعة غاما من هذا السديم بطاقة تتجاوز مئة تيرا إلكترون فولت.

البلازما هي غاز انفصلت فيه الإلكترونات عن الذرات، وهو موصل للكهرباء. في الفضاء، غالبًا ما يكون هذا الغاز منخفض الكثافة لدرجة أن الجسيمات نادرًا ما تتصادم، ويُوصف سلوكه بمعادلات حركة كل جسيم على حدة. الطريقة الحاسوبية المعروفة باسم Particle-in-Cell (PIC) تفعل ذلك تمامًا: فهي تتابع ملايين الجسيمات والمجالات الكهربائية التي تولدها. لكن الفضاء ليس ثابتًا.

النجم النشط (blazar) هو مجرة بعيدة تنبعث من مركزها نفاثة بلازما موجهة نحونا تقريبًا. داخل هذه النفاثة، تتسارع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء وتصدر إشعاعًا قويًا. عندما يتوهج النجم النشط، يتغير سطوعه عشرات المرات خلال ساعات أو أيام، ومن شكل هذا التوهج يمكننا استنتاج ما الذي سرّع الجسيمات.

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).

طيف الإلكترونات الكونية يشبه بصمات الأصابع في مسرح الجريمة. الجسيمات القادمة من أعماق المجرة تحمل في طاقاتها آثار من أنتجها. لفترة طويلة، كانت الصورة ضبابية: أجهزة ذات نطاقات طاقة واسعة، مثل صور غير واضحة، لم تسمح برؤية التفاصيل. لكن مؤخرًا، حصل العلماء على صورة واضحة — طيف عالي الدقة قاسه جهاز ATIC بدقة تبلغ حوالي 3%. وظهرت عليه خطوط غير متوقعة.