تسخين البلازما

على الطاولة قطعة من الغرافيت نُمّيت من الغاز، مثل الترسب على جدار المفاعل. عادةً، هذا النوع من المواد لا يصلح لتحويل الحرارة إلى كهرباء: بداخله، تجري الإلكترونات والثقوب في اتجاهين متعاكسين وتلغي بعضها البعض. لكن إذا وُضعت هذه القطعة في مجال مغناطيسي وسُخّنت من أحد أطرافها، تبدأ الشحنات بالتحرك في اتجاه واحد، مثل حشد يوجّهه شرطي إلى مخرج واحد.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة. فهو لا يلتهم الغاز الساقط فحسب، بل يقذف جزءًا منه مجددًا عبر نفاثات قوية. تعمل هذه النفاثات، مثل مكابس عملاقة، على دفع الغاز المحيط وتسخينه. لطالما اشتبه علماء الفلك في أن الثقوب السوداء بهذه الطريقة تمنع المجرات من البرودة والتحول إلى مصانع نجوم باردة.

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.

شعاع ليزر يضرب هدفًا رقيقًا مخبأً داخل طبقات من مادة أخرى. خلال أجزاء من مليار من الثانية، تنضغط المادة حتى كثافة 25 غرامًا لكل سنتيمتر مكعب — وكأن قطعة رصاص أصبحت أثقل بمرتين ونصف تقريبًا مع بقائها في مكانها. تقفز درجة الحرارة إلى 20 إلكترون فولت، أي حوالي 230 ألف مرة أكثر حرارة من حرارة الغرفة.

مفاعل الاندماج النووي هو فرن فائق الحرارة حيث تصل حرارة البلازما إلى ملايين الدرجات. تصنع جدران هذا الفرن من التنجستن، لأنه معدن يصهر بصعوبة كأي معدن آخر. لكن حتى التنجستن لا يتحمل بدون حماية: الجسيمات السريعة من البلازما تقصف السطح وتقتلع الذرات. هذه الذرات المقتلعة تدخل البلازما وتبردها، مثل ملعقة حليب بارد في شاي ساخن.

في قدرٍ يغلي فيه الحساء، تطفو حبيبات الدهن الخفيفة إلى السطح، بينما تستقر قطع الخضار الثقيلة في القاع. صورة مماثلة – الانفصال الجاذبي – تُلاحظ في الغاز الساخن المخلخل حول الشمس وغيرها من النجوم، لكن بدل المرق، هناك خليط من الجسيمات المشحونة: الإلكترونات والبروتونات وجسيمات ألفا (نوى الهيليوم، المكوّنة من بروتونين ونيوترونين).

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.

في الإكليل الشمسي — الغلاف الخارجي الرقيق جدًا والساخن للشمس — تُلاحظ أحيانًا ظاهرة مدهشة: المطر الإكليلي. لكن بدلًا من الماء، تهطل من السماء بلازما — غاز متأين يتكون من جسيمات مشحونة.

يشكّل المجال الضوئي، مثل قالب الوافل الأنيق، نمطًا منتظمًا في الفضاء من مناطق ساطعة ومظلمة. في أكثر النقاط سطوعًا، كما في حفر صغيرة، تنحصر الذرات — وهكذا تتشكل مصيدة ضوئية. هذه أداة مفضلة لدى الفيزيائيين لدراسة الخصائص الكمومية للمادة في ظروف معزولة. ومع ذلك، هناك عائق مزعج: الذرات في هذا المصيدة تسخن تدريجيًا وقد تخرج منها، مما يشوه الصورة التجريبية.

للنظر أعمق في بنية الكون، يقوم الفيزيائيون بتسريع الإلكترونات وتصادمها مع بعضها البعض. يمتلك الإلكترون العادي زخمًا زاويًا ذاتيًا يسمى السبين، ويمكن تخيله كمحور دوران لقمة دوارة صغيرة. في الحزمة العادية، تكون هذه المحاور موجهة بشكل عشوائي. للتجارب الدقيقة، نحتاج إلى جسيمات ذات سبينات مرتبة — وتسمى هذه الحالة استقطابًا.

بدأ كل شيء بالتمدد. في الكسور الأولى من الثانية، انتفخ الكون — يسمي الفيزيائيون هذا التضخم: تمدد أسي كان خلفه حقل قياسي بطاقة كامنة هائلة. ثم تحول التمدد السريع إلى مرحلة انتقلت فيها طاقة الحقل إلى جسيمات عادية.

كان الكون المبكر يشبه مرجلاً محموماً تفور فيه التقلبات الكمومية — وهي ارتفاعات عشوائية في الطاقة ملازمة للعالم الميكروسكوبي. وفي هذه الفوضى، تكثف حقل خاص — الحقل القياسي — مثل البخار فوق ماء يغلي. وأصبح ذلك "المحرك" الذي جعل الفضاء يتمدد بسرعة لا تُصدق. وتُسمى هذه العملية التضخم الكوني. أظهر مؤلفو الدراسة أن هذا الحقل لا يحتاج إلى إدخاله بشكل مصطنع.

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.

الشاي الساخن يبرد، والآيس كريم يذوب — فالحرارة تنتقل دائمًا من الدافئ إلى البارد، وقد بدا هذا القانون وكأنه لا يقبل الجدل. لكن في العالم الكمومي، يمكن إعادة كتابة حتى القواعد المألوفة. وضع الفيزيائيون مرنانًا ميكانيكيًا صغيرًا (جسرًا مهتزًا بحجم ميكروب) داخل تجويف بصري بين مرآتين.

الشمس مرجل هائل، حيث يشق الضوء طريقه عبر طبقات المادة الملتهبة. في طريقه إلى السطح، تصطدم الفوتونات (جسيمات الضوء) بالذرات بين الحين والآخر وتفقد طاقتها. مدى احتجاز المادة للضوء يُعرف بـ"العتامة" (opacity)، ومنها يعتمد مدى سرعة خروج الحرارة إلى الخارج. الحديد هو أحد الأسباب الرئيسية للعتامة في باطن الشمس.

ترسم الشمس باستمرار خربشات من الحقول المغناطيسية على سطحها. هذه الأنماط ليست مجرد تموجات، بل بصمة شفّرت فيها الطبيعة تحذيرات من الانفجارات. الانفجار الشمسي هو انفجار يطلق في دقائق طاقة تعادل مليارات القنابل النووية، مقذفاً تيارات من البلازما والإشعاع إلى الفضاء.

شلال لا يسخن من السقوط، بل يتجمد — هكذا تقريبًا يتصرف الغاز المتدفق نحو النجم النيوتروني في النجم النابض بالأشعة السينية عندما يكون النجم خافتًا. عادةً، تسخن المادة المتساقطة حتى التوهج الأبيض، لكن العمل الجديد يُظهر العكس.

في السحب الهائلة من الغاز المخلخل التي تملأ الفضاء بين النجوم، يغلي شيء ما باستمرار. انفجارات المستعرات العظمى، والتيارات المتصادمة — كل ذلك يهزّ البلازما. وفي هذه التموّجات، كما تبيّن، يختبئ آلية توليد الحقول المغناطيسية.

في المحيطات العميقة للأقمار الجليدية، لا تبقى المياه ساكنة. ترتفع نفاثات دافئة من القاع الصخري، لكن دوران الكوكب يلفها إلى أعمدة مائلة طويلة ممتدة على طول محور الدوران. سابقًا، لم يكن من الممكن أخذ هذه العملية في الحسبان في النماذج العالمية — فهي معقدة للغاية. ابتكر مؤلفو المقال وصفة مبسطة (مخطط معاملات) تلتقط الجوهر: هذا النقل المائل للحرارة من خط الاستواء إلى القطبين.

في كوب ساخن، قد يتجمد الماء أحيانًا أسرع من الماء الدافئ. لهذه المفارقة أكثر من نصف قرن، وتُعرف بتأثير ميمبا. عادةً ما يُربط بحركة السائل أو التبخر. الآن أظهر الفيزيائيون أن خدعة مماثلة ممكنة حتى بدون ماء — فقط عبر الإشعاع الحراري. ثاني أكسيد الفاناديوم (VO₂) عند 68°م يغيّر بنيته البلورية فجأة — من عازل إلى معدن.

الشمس مرجل يغلي من الهيدروجين والهيليوم، حيث يُحتجز الغاز المتوهج في شرك مغناطيسي. عندما تعيد الحبال غير المرئية الاتصال، تتحرر طاقة تضاهي مليارات الانفجارات النووية الحرارية. أين تذهب هذه الطاقة؟ تحليل جديد لأرشيف هينودي يرسم صورة غير متوقعة: عند قاعدة التوهج، تصطف أيونات العناصر الثقيلة كالنمل على درب.

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.

مجفف شعر قوي لا ينفخ هواءً دافئًا بل بلازما متوهجة بشدة — تسمى هذه المنشآت الأنفاق الهوائية البلازمية (plasma wind tunnels). تُستخدم لاختبار كيفية دخول المركبات الفضائية إلى الغلاف الجوي على الأرض. داخل النفق، يُسخَّن الغاز إلى آلاف الدرجات، وجزء من الطاقة لا يخرج مع تدفق الغاز ولا إلى الجدران، بل يطير ببساطة على شكل ضوء — كما يحدث من المصباح الكهربائي.

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.

ثقب أسود صغير يخترق سحابة غاز. لا يبتلعها، بل على العكس — يسخّنها مثل مكواة تُركت على قطعة قماش مبللة. يصدر عنه إشعاع، وينشأ حوله بقعة ساخنة — منطقة تكون درجة حرارتها أعلى بمئات المرات من الفضاء المحيط. كان يُعتقد سابقًا أن هذه البقع تعيش تقريبًا إلى الأبد، وتبرد ببطء ووفق قانون ثابت. لكن في العمل الجديد، أخذوا في الاعتبار أن الكون يتمدد.

طبقة رقيقة من الزيت على سطح الماء تتمزق إلى قطرات منفصلة عند أدنى اهتزاز. شيء مشابه يحدث في رياح النجم النابض — وهو تدفق من الجسيمات يقذفه نجم نيوتروني سريع الدوران. في هذا التدفق توجد أيضًا طبقات من البلازما، ويمكن أن تتفكك إلى كتل — جزر مغناطيسية. ولكن، على عكس الزيت، تحمل هذه الطبقات شحنة كهربائية.

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.

البلوتونيوم معدن ذو شخصية. أحد أشكاله ينكمش عند التبريد، بينما يتضخم شكل آخر. لكن عند درجة حرارة الغرفة، تتصرف السبيكة بشكل غريب: المسطرة تُظهر شيئًا، والأشعة السينية تُظهر شيئًا آخر. المسطرة تقول إن العينة لا تكاد تنمو، بينما ترى الأشعة السينية الذرات في الشبكة البلورية تتباعد أكثر فأكثر.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، مرّ الكون بـ توسع فائق السرعة، الفكرة التي طرحها آلان غوث وطوّرها أندريه لينده. عندما توقف التوسع، بدأت طاقة الحقل تتأرجح مثل أرجوحة عملاقة. حولت النبضات المنتظمة لهذا الحقل الاهتزاز الكمومي إلى جسيمات حقيقية، وبدأ الفراغ يمتلئ بالمادة.

مرجل عملاق يغلي بحساء ساخن يمتد لملايين السنين الضوئية. هذا هو الغلاف الجوي لعنقود مجرات بيرسيوس، سحابة من الغاز شديد الحرارة تحبسها الجاذبية. حتى وقت قريب، اعتقد علماء الفلك أن الغاز في مركز هذا المرجل يبرد بهدوء، استعدادًا للتحول إلى نجوم جديدة. لكن النظرة الجديدة للتلسكوب الياباني XRISM أظهرت أن الأمور أكثر إثارة للاهتمام.

إن قدرًا عاديًا من الألومنيوم على الموقد لا يصدر جزيئات يمكن التقاطها بالضوء. ولكن إذا أخذت الألومنيوم وملح الألومنيوم وسخنتهما معًا في فرن صغير، فستحصل على تيار من جزيئات فلوريد الألومنيوم - مثل بخار الماء المتصاعد من فوهة إبريق الشاي، لكن بدلاً من قطرات الماء، تطير جزيئات صغيرة جدًا.

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.

البلازما الكونية ليست غازًا هادئًا، بل هي حساء يغلي من الجسيمات المشحونة، تخترقها الحقول المغناطيسية. تتصرف هذه الحقول مثل الأشرطة المطاطية المشدودة: أحيانًا تتمزق ثم تعيد الاتصال فورًا، ولكن بطريقة مختلفة. هذه العملية، التي تسمى إعادة الاتصال المغناطيسي، تحرر طاقة هائلة.

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.

البلازما الساخنة في التوكاماك تشبه حيوانًا صعب المراس: يجب احتجازها، لكن دون السماح لها بالسخونة الزائدة. في مفاعل ASDEX Upgrade تم العثور على نمط حيث تحل دوامات البلازما هذه المشكلة بنفسها. أظهرت النمذجة العشوائية أن التذبذبات عند حافة البلازما تقذف كتلًا إلى الخارج — مثل فقاعات من قدر يغلي.

سطح الشمس يغلي كالماء في قدر. الغاز الساخن يصعد ويبرد ثم يهبط — هذا هو الحمل الحراري. حوله تتقلقل حقول مغناطيسية تتمزق وتتصل من جديد. وفي خضم هذه الضوضاء تولد السبيكيولات — نفثات بلازما ضيقة تنطلق آلاف الكيلومترات إلى الأعلى. تعيش هذه النفثات بضع دقائق فقط، لكنها تنجح في نقل الطاقة إلى الغلاف الجوي الخارجي للشمس.

في أبريل 2023، رصدت الأقمار الصناعية اليابانية توهجاً فائق القوة بالأشعة السينية على النجم النيوتروني MAXI J1752–457. برد النجم في 4 أيام — أسرع بخمس مرات من المعتاد. كما لو أن أحداً فتح نافذة كونية. هذه النافذة فتحتها 'عملية أوركا' النووية. في محيط من النوى الذرية بسمك مئات الأمتار، تتبادل البروتونات والنيوترونات الإلكترونات مولدّةً النيوترينوات.

التوهج الشمسي يشبه نابضًا عملاقًا يُلف ويُلف ثم ينفرج فجأة. الطاقة المختزنة في المجال المغناطيسي تُقذف في الفضاء خلال دقائق، مسخنةً البلازما إلى ملايين الدرجات. لكن ما يحدث بالضبط داخل حلقة الغاز الملتهب في تلك اللحظة ظل حتى الآن مرئيًا فقط في إسقاطات مستوية. الآن، جمع علماء الفلك صورة ثلاثية الأبعاد.

تصرف التوهج الشمسي في 3 يونيو 2012 وكأنه أوركسترا يدخل فيها عازف منفرد ثانٍ بشكل غير متوقع بعد الأداء الرئيسي. في البداية، سجلت الأجهزة اندفاعًا حادًا لأشعة غاما بطاقة تتجاوز 100 ميغا إلكترون فولت — وكأن مليارات الرصاصات الصغيرة ضربت الكواشف دفعة واحدة. ثم، بعد فترة توقف قصيرة، اشتد الإشعاع مرة أخرى واستمر لأكثر من ثماني دقائق.

عندما تظهر بقعة مضيئة على نجم، يريد علماء الفلك معرفة مقدار الطاقة المنبعثة إلى الفضاء. في السابق، كانوا يتخيلون التوهج على أنه نار مشتعلة تكبر: مساحة اللهب تتزايد بينما تظل الحرارة نفسها. كان هذا أسهل للحساب، لكن الواقع مختلف. التوهج أشبه بموقد كهربائي يُشعل على أعلى درجة: مساحة التسخين لا تتغير، لكن درجة الحرارة تقفز فجأة.