فوتوسفير

في قدر على الموقد، يبدأ الماء بالغليان من الأسفل، قبل وقت طويل من غليان الكل. فقاعات البخار ترتفع من القاع، رغم أن الموقد نفسه لم يسخن بعد. هذا تقريبًا ما يحدث في الغلاف الجوي للشمس قبل التوهج: تندفع تيارات المادة إلى الأعلى من الطبقات العميقة، رغم أن المصدر الرئيسي للتسخين، وفقًا للتصورات السابقة، لم يُشعل بعد.

الشمس تتنفس، ولهذا التنفس إيقاع مغناطيسي. كل 27 يومًا يكمل السطح المرئي للنجم دورة كاملة، ومعه مجاله المغناطيسي، الذي يشبه شريطًا غير مرئي يلتف حول النجم. الأرض، بوصفها مستمعًا حساسًا، تستجيب لهذا الإيقاع بذبذبات في مجالها المغناطيسي: عواصف جيومغناطيسية، شفق قطبي، واضطرابات في عمل الأقمار الصناعية.

شعاع الضوء، عند مروره بالقرب من جسم ضخم، ينحرف عن مساره المستقيم — وهي ظاهرة تعرف باسم العدسة الثقالية (gravitational lensing). تشبيه تدفق الماء الذي ينحني حول حجر في جدول ينقل الفكرة بشكل جيد: جاذبية الجسم الضخم تحني مسار الفوتونات، تمامًا كما يغير العائق مسار الماء.

حافة الشمس تشبه هدبًا أشعث: منها تمتد صعودًا خيوط رفيعة من الغاز المتوهج — السبيكيولات، نوافير بلازما يبلغ ارتفاعها عدة آلاف من الكيلومترات. تنطلق هذه النوافير صعودًا بسرعة تبلغ حوالي 20 كيلومترًا في الثانية وتختفي خلال 5–10 دقائق.

الرياح الشمسية هي تيار مستمر من الجسيمات المشحونة المنبعثة من سطح الشمس، وتملأ كامل الغلاف الشمسي (heliosphere). ليست نسيمًا متجانسًا، بل وسط مضطرب يعج بالدوامات والعواصف ومناطق الهدوء.

الأشعة الكونية ليست إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، بل هي تيار من الجسيمات المشحونة، معظمها بروتونات ونوى ذرية، تقصف الأرض من كل اتجاه بطاقات تتراوح بين المتواضعة والهائلة بشكل خيالي. عندما يطير مثل هذا الجسيم نحونا، ويعترض طريقه القمر أو الشمس، فإنه يُمتص بواسطة الجرم السماوي. وخلفه ينشأ «ظل» — منطقة لا تصل إليها الجسيمات، وتسجل الكواشف فيها إشارات أقل.

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.

مئة وأربعون فرسخًا فلكيًا — مسافة يقطعها الضوء في أربعة قرون ونصف — تفصلنا عن سحابة الثور الجزيئية. في أعماقها تختبئ تكثفات مظلمة: نوى ما قبل نجمية، حيث يتقلص الغاز والغبار الكوني ببطء تحت ثقلهما. كل ذرة غبار هنا هي نواة تكثف مجهرية، ترتدي عباءة من جليد الماء. هذا الجليد هو الخزان الرئيسي للأكسجين ومواد البناء المستقبلية للكواكب.

في قاعة ضخمة، تنتشر كرات البلياردو. في البداية تكون متناثرة، كل كرة بمفردها. ثم يضيف شخص ما المزيد — وفجأة تنضغط الكرات في تجمعات كثيفة. هذا هو التحول الطوري — اللحظة التي تتغير فيها حالة المادة بشكل حاد. لطالما وصف الفيزيائيون هذا المشهد بنموذج الكرات الصلبة: جسيمات على شكل كرات متطابقة لا يمكنها أن تتراكب فوق بعضها.

القمر كرة بلا هواء مكونة من فتات صخري كثيف يسمى الثرى القمري (regolith). عندما تصطدم به جسيمات سريعة من الفضاء، تولد في التربة ميونات — أقارب غير مستقرة للإلكترونات، لكنها أثقل منه بمئتي مرة. معظمها يتجه للأسفل وينطفئ في العمق. لكن تلك التي تقفز للأعلى في الفراغ تنجح في قطع عشرات الكيلومترات قبل أن تتحلل. وهذه هي التي يُقترح التقاطها.

تخيل رسامًا لوحته كوكب بأكمله، وألوانه جزيئات تتغذى على ضوء النجوم. فرشاته مليارات السنين من التطور، ولوحته صورة طيفية تُرى حتى من نظام نجمي آخر. هذا الرسام هو التمثيل الضوئي، وأعماله هي التي يأمل علماء الأحياء الفلكية في العثور عليها على الكواكب الخارجية البعيدة.

لطالما أثارت الشمس حيرة علماء الفيزياء الفلكية. ففي غلافها الجوي، كانت العناصر المقاومة للصهر — مثل البهارات في وصفة أساسية — أقل قليلاً مما هي عليه في النجوم التوأم المتطابقة تقريبًا.

ينزلق كوكب عبر قرص النجم – ويصبح للحظة بمثابة مصباح يدوي. فهو يغطي جزءًا صغيرًا من السطح، مما يتيح رؤية تفاصيل كانت لتختفي عن الأنظار لولا ذلك. وبهذه الطريقة، تمكن علماء الفلك من النظر إلى أعماق البقع الداكنة على نجم V1298 الثور – وهو توأم شاب لشمسنا. وقد ساعدهم في ذلك التلسكوب الفضائي جيمس ويب وثلاثة كواكب عملاقة في مداره. البقع على النجوم ليست مجرد نقاط.

الثقب الأسود هو مكان تكون فيه الجاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات. لكن حوله توجد حلقة مضيئة من الغاز، وفي المركز فجوة مظلمة تُعرف بالظل. ويعتمد حجم هذا الظل على كيفية انحناء الزمكان.

قبل لحظات من الكسوف الكلي، تنزلق على الأرض أشرطة ظل سريعة – كأنها تموجات من حصاة أُلقيت في الماء. حيّرت هذه الظاهرة العلماء لقرون. واتضح أن السر هو أن الضوء موجة. الشمس ليست مصباحاً نقطياً، بل قرصاً ضخماً. عندما يكاد القمر يحجبها بالكامل، يتبقى هلال رفيع مضيء.

غلاف تيتان الجوي، الذي اكتشفه كريستيان هويجنز، هو ضباب كثيف لا يمكن للتلسكوبات العادية اختراقه. ومع ذلك، فإن التحليل الطيفي — وهو أسلوب يفكك الضوء إلى تردداته — يكشف في هذا الضباب عن «نوافذ» ضيقة من الشفافية حيث يمكن لأشعة الإشعاع تحت الحمراء أن تمر دون عوائق تقريبًا.

الضوء، عند مروره بجانب ثقب أسود، يلتف كما يلتف الماء حول فتحة التصريف في الحوض. الأمر الأكثر إثارة هو الحلقة الرقيقة حيث يمكن للأشعة أن تدور إلى الأبد، دون أن تسقط إلى الداخل أو تهرب بعيدًا. هذه هي الفوتونات الكروية — وهي حدود غير مرئية ترسم ظل الثقب في السماء.

ورقتان أبيضتان تحت الشمس — إحداهما خشنة والأخرى ناعمة. أيتهما ستسخن أقل؟ الورقة الخشنة تشتت الضوء بقوة أكبر، ويبدو أنها ستبقى أبرد. لكن إذا كان الطلاء مكونًا من العديد من الكرات الزجاجية الشفافة، يتغير المنطق. فالضوء يتجول فيها كما في ضباب كثيف، وفي لحظة ما يتوقف عن ملاحظة القطرات الفردية.

النجوم النيوترونية النجم النيوتروني هي بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة مرت بانهيار جاذبي. بعضها يُرصد على شكل النجم النابض، وهي مصادر سريعة الدوران لومضات راديوية دورية تعمل مثل منارات كونية. ظل تركيبها الداخلي لغزاً لفترة طويلة.

يعمل الغلاف الأيوني على ارتفاع 70 كيلومتراً كمرآة عملاقة لموجات الراديو. ترسل الهوائيات الأرضية إشارة إليه باستمرار وتستمع إلى الانعكاس. عندما يحدث توهج شمسي على الشمس، يصل تدفق الأشعة السينية إلى الأرض في 8 دقائق ويُكثف الطبقة السفلى من الغلاف الأيوني. هذا يشبه إمالة المرآة قليلاً — حيث يتغير طور الشعاع المنعكس (زمن وصول الموجة).

الضوء يحتاج إلى مساحة. عدسة الكاميرا تبعد عن المستشعر عدة سنتيمترات حتى يتسنى للأشعة أن تتركّز. والآن، تم ضغط هذه المسافة إلى سُمك ورقة، ومع ذلك يظل الضوء يتصرف وكأنه قطع سنتيمتراته المعتادة. هذا بالضبط ما تفعله "الصفائح المكانية" (spaceplates) — عناصر مسطحة تحاكي مسار الضوء الحر. حتى الآن، كانت لهذه الصفائح خاصية مزعجة: كلما زاد ضغط المساحة، ضاق مجال الرؤية.

في الهالة الشمسية الملتهبة، حيث تتجاوز درجة الحرارة المليون درجة، تطفو سحب باردة كثيفة — الانتفاخات الشمسية الشمسية. تعلق لأسابيع دون أن تسقط أو تذوب، مثل جبال جليدية في محيط يغلي. كيف وصلت إلى هناك؟ سؤال ظل يحير علماء الفلك لعقود. محاكاة ثلاثية الأبعاد جديدة غطت جميع طبقات الغلاف الجوي الشمسي ولأول مرة أظهرت المسار الكامل من السطح إلى الهالة.

الرياح الشمسية — وهي تيار من الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس — تصطدم بالغاز المخلخل الذي يملأ الفضاء بين النجوم. وينشأ عن هذا الاصطدام توهج ضعيف في الأشعة السينية. بالنسبة لعلماء الفلك، هذا التوهج أشبه بضباب أمام مصابيح السيارة الأمامية: فهو يحجب رؤية الأجسام البعيدة.

توهج «شطيرة» رقيقة للغاية من طبقتين شبه موصلتين – سيلينيد الموليبدينوم وسيلينيد التنجستن – يشبه نوتة موسيقية معقدة: خطوط ملونة رفيعة عديدة تندمج في خلفية عامة. يكاد يكون من المستحيل تحديد مصدر كل خط. لم يحاول مؤلفو الدراسة تفكيك الخطوط واحدًا تلو الآخر. بل قاموا برسم خريطة للتوهج بخطوة مقدارها 400 نانومتر – أي أدق بمئات المرات من شعرة الإنسان.

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.

مقلاة محمّاة على الموقد تتوهج في الظلام، لكن إذا غطيتها بغطاء، يخرج الحرارة ببطء ويبدو سطحها أقل سطوعًا. هذا تقريبًا ما يحدث على كوكب HD 3167 b: فهو دائمًا يواجه نجمه بجانب واحد، والجانب النهاري محمّى لدرجة تذوب عندها الصخور. توقع الفلكيون رؤية صخرة عارية تشع حرارة، لكن تلسكوب جيمس ويب أظهر أن الكوكب يضيء بشكل أضعف بشكل ملحوظ.

على أطراف مجرتنا، بعيدًا خلف القرص النجمي المألوف، رصد تلسكوب سوبارو شيئًا غير متوقع: سحابة نجمية منتشرة تمتد عبر السماء على مساحة مئة درجة مربعة. الأمر أشبه بالعثور في الفناء الخلفي على أثر لضيف مرّ من هنا — لكن الضيف كان سحابة ماجلان الكبرى، المجرة القزمة التابعة لدرب التبانة.

انفجار أشعة غاما هو وميض ضوئي قصير لكنه قوي جدًا، يحدث عند اندماج نجمين نيوترونيين أو انهيار نجم ضخم. داخل هذا الوميض، تندفع تدفقات البلازما بسرعة هائلة وتتصادم مع بعضها البعض. موجة الصدمة الناتجة عن التصادم تسخن المادة، فتبدأ في التوهج — هكذا يولد الإشعاع الذي نلتقطه على الأرض.

المادة المظلمة — مادة غير مرئية تمنع المجرات من التبعثر. إذا اضمحلت جسيماتها أحياناً قرب الشمس، فإنها تقذف تيارات من الجسيمات السريعة — كأنها مطارق غير مرئية تصدم الضوء. كل صدمة تحوّل جسيماً من ضوء الشمس إلى شعاع غاما — وميض فائق القوة يمكن للتلسكوبات رصده.

في الليل، داخل غرفة مظلمة، يتوهج جسم الإنسان بشكل خافت بالكاد يُلاحَظ. هذا الضوء ضعيف جدًا لدرجة أن الأجهزة شديدة الحساسية فقط هي التي تلتقطه. ظن بعض العلماء أن هذا التوهج الصادر من الرأس قد يخبرنا عن نشاط الدماغ — دون الحاجة إلى أجهزة التصوير المقطعي أو الأسلاك. لكن الفحص أظهر خلاف ذلك. عندما قيس الضوء المنبعث من الرأس في ظروف مظلمة حقًا، اتضح أنه أضعف بعدة مرات مما كان عليه في التجارب السابقة.

قطرة ماء على ورقة تحت الشمس تختفي أسرع مما تتوقعه حسابات الحرارة. قبل بضع سنوات ظهرت فرضية: الضوء بحد ذاته، دون تسخين، قد يقتلع جزيئات الماء من السطح. سُمّي هذا التأثير الضوئي الجزيئي. إذا كان موجودًا، فقد تعمل الغيوم والمناخ وحتى تجفيف الملابس في المنزل بشكل مختلف. قرر مؤلفو العمل الجديد اختبار الفكرة بقياس دقيق.

الهالة الشمسية تشبه زهرة الهندباء الأشعث: حلقات بتلاتية مشرقة تمسك الغاز الساخن قرب السطح، وبينها تنطلق في الفضاء نفاثات طويلة متخلخلة. هذه النفاثات — وهي طبقة التيار الهيليوسفيري (heliospheric current sheet) — تمتد عبر النظام الشمسي بأكمله. لكن كيف تنتقل البلازما بالضبط من الحلقات المغلقة إلى التدفق المفتوح، ظل لغزًا.

إذا بنينا غطاءً عملاقاً حول نجم، سنحصل على ما يُعرف بكرة دايسون. سيمتص هذا الغطاء كل الإشعاع الصادر عن النجم، وسيتوهج بأشعة حرارية غير مرئية. لم نرصد أي كرة من هذا النوع حتى الآن، لكن علماء الفلك يعرفون أن البحث عنها يجب أن يركز على هذا التوهج الحراري.

لإجراء عملية التمثيل الضوئي مع إطلاق الأكسجين، يجب تفكيك الماء. يشبه ذلك ناعورة الماء: فلكي تدور، تحتاج إلى تيار قوي. يؤدي الضوء دور التيار، بينما تمثل جسيمات الضوء نفاثاته. أما الأقزام الحمراء، وهي أكثر النجوم شيوعًا، فضوؤها «بارد» وضعيف — بالكاد تحرك النفاثات الناعورة.

في قاع الفوهات القمرية، حيث لا تشرق الشمس أبدًا، يسود برد أبدي — حوالي 240 درجة مئوية تحت الصفر. في هذه الجيوب الجليدية، التي تُسمى المناطق المظللة دائمًا، يُخطط لتركيب مرنان عاكس من السيليكون المتجانس. سيعمل هذا الجهاز على احتجاز الضوء بشكل سلبي، مما يجعل الليزر "ينبض" بدقة مذهلة.

التوهج الشمسي يشبه انفجارًا في الغلاف الجوي للنجم: في دقائق تُطلق طاقة تعادل مليارات القنابل النووية. في 4 مايو 2022، كان التلسكوب الراديوي RT-7.5 في موسكو يرصد توهجًا من الفئة M5.7. التقط الجهاز موجات راديوية ميليمترية — وهي موجات أقصر من سنتيمتر وغير مرئية للعين. بعد النبضة الرئيسية للتوهج، عندما بدأ السطوع في الانخفاض، لاحظ التلسكوب ارتفاعًا جديدًا في الإشعاع عند تردد 93 جيجاهرتز.

الضوء، عندما يسقط على لوح شفاف، ينعكس جزئيًا عن سطحه. بالنسبة لعلماء الفلك، هذا خسارة لفوتونات ثمينة قادمة من نجوم بعيدة. العدسات الدقيقة الجديدة المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد من راتنج IPX Clear تمرر الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، لكنها تفقد حوالي 8% عند الحدود مع الهواء. الحل جاء من الطبيعة.

في الليل، لا تكون السماء سوداء تمامًا. حتى بعيدًا عن المدن، تتوهج الطبقات العليا من الغلاف الجوي بشكل خافت: ضوء الشمس يجعل ذرات الهيدروجين تصدر توهجًا محمرًا يسميه الفلكيون الانبعاث الجيوكوروني. بالنسبة للتلسكوب، هذا مثل زجاج مغشى: يضيف ضوءًا زائدًا ويعيق رؤية المجرات البعيدة.

في صحراء أتاكاما التشيلية، على ارتفاع يقارب خمسة كيلومترات، يقف تلسكوب راديوي يلتقط الموجات المليمترية القادمة من أعماق الفضاء. تحمل هذه الموجات حرارة المجرات البعيدة، لكن يجب أن تمر أولاً عبر نافذة — وهي صفيحة رقيقة من السيليكون تفصل المستقبل البارد عن العالم الخارجي الدافئ.

الضوء الصادر عن النجوم الشابة الأكثر حرارة لا يمكنه عادةً مغادرة مجرته: يمتصه الهيدروجين، كما تحجب الستارة الكثيفة شعاع الشمس. لكن أحيانًا تنفتح الستارة قليلًا، وتندفع فوتونات الأشعة فوق البنفسجية إلى الفضاء بين المجرات.