قياس الاستقطاب

ثماني خرائط للسماء التقطتها كواشف مختلفة لتلسكوب بلانك تشبه ثمانية أطالس طرق لمدينة واحدة رسمها خرّيطون مختلفون. كل أطلس مُدار بزاوية مختلفة: أحد الخرّيطين أمسك لوحته مائلة قليلًا، وآخر أدارها قليلًا. إذا طابقت الأطالس فوق بعضها، لن تتطابق الشوارع. لكن إذا عرفت كيف أُدير كل أطلس بالضبط، يمكنك دمجها بشكل مثالي.

توجد شريحة رقيقة من خشب الأوكالبتوس تحت عدسة المجهر، وبعد مرور الضوء الأبيض عبر مرشحين للاستقطاب، يتحول الخشب إلى فسيفساء من بقع أرجوانية وصفراء وزرقاء. هذه الألوان ليست عشوائية؛ فهي، مثل الحروف على الخريطة، تُظهر اتجاه خيوط السليلوز غير المرئية داخل جدران الخلايا.

تمر الموجات الراديوية من نجم نابض بعيد عبر الوسط بين النجمي، وفي طريقها تصادف بنى مغناطيسية غير مرئية بحجم المسافة من الشمس إلى الأرض. إحدى هذه البنى هي طبقة تيار، حيث يغير المجال المغناطيسي اتجاهه فجأة، مثل إبرة بوصلة قفزت من الشمال إلى الجنوب.

عندما يصطدم نبض ليزري بذرة، فإنه يقتلع إلكترونًا. في الصورة الكلاسيكية، الضوء هو موجة كهرومغناطيسية ناعمة، وكلما زادت شدته، زاد تسارع الإلكترون. لكن الليزرات الحديثة قادرة على إنتاج ضوء في حالات كمومية خاصة، مثل الضوء المضغوط، حيث يخضع المجال لتقلبات كمومية — انحرافات عشوائية عن القيمة المتوسطة، تشبه اهتزاز وتر مشدود.

يشبه الكون أحيانًا قماشًا قديمًا: بعد التبريد السريع، ربما بقيت فيه تجاعيد — خيوط رفيعة شبه خفية بكثافة هائلة. تُسمى هذه الأوتار الكونية. عادةً، يختبئ في مركز مثل هذا الوتر تفرّد — نقطة يكون فيها انحناء الزمكان لانهائيًا، وتفقد قوانين الفيزياء معناها. لكن مؤلفي الدراسة اختاروا نسخة أخرى: وترًا بلا رأس حاد، بمقطع أملس. إنه يشبه أثر قلم حبر جاف — الضغط أقوى في المنتصف وأضعف عند الأطراف.

على الجدار — شرائط مضيئة وأخرى معتمة. هكذا يبدو الضوء وهو يطفئ نفسه. يعود إلى القرن السابع عشر افتراض Christiaan Huygens أن الضوء موجة. لكن تجارب أراغو وفرينل في بداية القرن التاسع عشر فقط أظهرت أن شعاعين يُنتجان هذه الشرائط فقط إذا كانت اهتزازاتهما في مستوى واحد. ساعد هذا الاكتشاف في فهم الاستقطاب — الاتجاه الذي تهتز فيه الموجة.

الضوء القادم من بداية الكون يصل إلينا بعد رحلة استمرت 13.8 مليار سنة. خلال هذه الرحلة، قد يكون استقطابه — أي اتجاه اهتزاز الموجة الكهرومغناطيسية — قد تعرض لدوران، مثل إبرة بوصلة تم تدويرها بخفة دون أن يلاحظ أحد.

مايو 2022. تثبّتت عيون مستقطب الأشعة السينية IXPE ومطياف NuSTAR ومراقب NICER بشكل متزامن على نقطة واحدة في السماء — على ثقب أسود في نظام الدجاجة إكس-1، حيث يدور حول تطور النجوم في نجم ثنائي بفترة قدرها 5.6 يومًا. مرت الساعات وتجمعت الفوتونات، لكن بين الحين والآخر كان التدفق ينخفض فجأة. وكأن أحدًا يغطي الضوء بحاجب.

الثقب الأسود ليس مجرد صورة ظلية داكنة أمام النجوم. ظله محاط بحلقة مضيئة رفيعة من الفوتونات التي تلتف حول أفق الحدث قبل أن تنطلق نحو الراصد. عادةً، لا تعتمد هذه الصورة على استقطاب الضوء — أي على الاتجاه الذي تهتز فيه الموجة الكهرومغناطيسية.

في نظام ثنائي متقارب، يضيء النجم الساخن، ككشاف ضوئي، رفيقه الأكثر برودة. يتشتت جزء من الضوء على الإلكترونات الحرة في غلافه الجوي — وهذا هو تشتت تومسون — ويكتسب استقطاباً خطياً. مع تحرك النجمين في مدارهما، يدور هذا الاستقطاب، كعقرب بندول إيقاع كوني عجيب.

المجهر العادي عاجز عندما يتعلق الأمر برؤية فيروس منفرد بكل تفاصيله. إنه صغير جدًا. لكن هناك أداة تضرب بومضات أكثر سطوعًا بمليارات المرات من ضوء الشمس — ليزر الأشعة السينية ذو الإلكترونات الحرة. إنه مصمم بحيث يتمكن من "التقاط صورة" للجسيم قبل أن يتبخر من شعاعه نفسه. وبهذه الطريقة، درس العلماء فيروس العاثية PR772، الذي تم رشه في الهواء.

العمالقة الحمراء هي نجوم متقدمة في العمر ومنتفخة، استنفدت الهيدروجين في نواتها. في أعماقها يغلي محيط من البلازما: تندفع الحرارة من النواة إلى السطح، مولدة موجات تشبه المد العاتي. يعمل الحقل المغناطيسي داخل النجم كتضاريس تحت الماء غير مرئية – فهو يوجه هذه الموجات، ويغير ارتفاعها وسرعتها.

حول نار غير مرئية يدور غاز متوهج. النار نفسها مخفية، لكن ملامحها تُستشف من طريقة رقص اللهب. هكذا تقريباً "يرى" علماء الفلك الثقوب السوداء — ليس الجسم نفسه، بل المادة شديدة الحرارة التي تتسارع إلى سرعات هائلة قبل سقوطها في الهاوية وتتوهج.

عندما يندمج اثنان من الثقوب السوداء، فإنهما يهزان نسيج الزمكان نفسه. العملاق الوليد لا يهدأ فورًا، بل يرن كجرس كوني، باعثًا نمطًا مميزًا من الموجات الثقالية المتضائلة - ما يُسمى بالرنين. في هذه التذبذبات تتشفّر كتلة الثقب ودورانه وبارامترات أخرى، لكن التقاطها مباشرة صعب للغاية.

الكون ليس فراغًا، بل كرة بلورية هائلة تخترقها حدود غير مرئية — جدران المجال — تجمّدت بعد تحولات طورية. هذه الندوب على جسد الفراغ قد تكون أرقّ من شعرة، لكن عندما يعبر فوتون الخلفية الكونية مثل هذا الجدار، يدور استقطابه — كأن الضوء يلتف على خيط غير مرئي خلّفه القطاع المظلم.

الضوء القادم من نجم بعيد ليس مجرد تدفق منتظم. إنه يهتز مثل موجة، وقد يرتجف في اتجاهات مختلفة. عادةً لا يمكن تمييز هذه الاهتزازات، لكن المغناطيس النابض قادر على فرزها. مجاله كثيف لدرجة أنه يعمل مثل مرشح استقطابي: جزء من الموجة ينزلق أسرع قليلاً، بينما يعلق الجزء الآخر وكأنه يركض في ماء يصل إلى الركبة. ونتيجة لذلك، يصل الضوء إلينا مع تأخير طفيف لأحد النصفين بالنسبة للآخر.

راحة اليد فوق موقد ساخن تشعر بالحرارة حتى عندما يبدو الهواء المحيط باردًا. شيء مشابه يحدث للإلكترونات في تأثير أهارونوف-بوم: الجسيم يشعر بالجهد الكهربائي رغم دخوله منطقة أُطفئ فيها المجال بالفعل. النسخة الكهربائية من التأثير — عندما يتغير الجهد (الجهد القياسي) مع الزمن ويُزاح طور موجة الإلكترون — ظلت حتى الآن حبرًا على ورق. لم يقم أحد بتجربة مع جهود محمية ومتغيرة زمنيًا.

تعزف أوركسترا بعيدة سيمفونية، لكن التسجيل مليء بالتشويش. اللحن مكتوب لآلتين، ولكن من بين الضوضاء يبدو أن صوتًا ثالثًا ينفذ — هادئًا وغير مألوف. هكذا يستمع الفيزيائيون الفلكيون إلى موجات الجاذبية محاولين التقاط أدنى انحرافات عن تنبؤات أينشتاين.

النجم النيوتروني 4U 1735-44 يبتلع المادة من نجم مجاور. المادة تدور في قرص مسطح، مثل الماء المنسحب في مصرف الحمام. لكن هذا القرص يضيء بأشعة إكس، ولأول مرة تمكن علماء الفلك من قياس مدى "تمشيط" هذه الأشعة، أي استقطابها. ثلاثة تلسكوبات — IXPE وNICER وNuSTAR — رصدت الجسم في نفس الوقت. وتبين أن الاستقطاب ضعيف: 1.4% فقط بهامش خطأ 0.7%.

تصادم الجسيمات بسرعة هائلة يولد وابلاً من الجسيمات الجديدة. من بينها البروتونات المضادة، وهي توأم البروتونات العادية، لكن بشحنة معاكسة. لكل جسيم من هذه الجسيمات دوران ذاتي، مثل كرة تنس أُرسلت بلفة. لكن هل تكون البروتونات المضادة ملتوية عند ولادتها؟ لم يتحقق أحد من ذلك حتى الآن. البروتون المضاد هو جسيم له نفس كتلة البروتون، لكن بشحنة سالبة.

في بلورة HfTe5، تتصرف الإلكترونات تقريبًا مثل الضوء: كتلتها صغيرة جدًا لدرجة أنها تخضع لقوانين النسبية. إذا وضعت هذه البلورة في مجال مغناطيسي قوي، تبدأ الإلكترونات في الدوران في مدارات صغيرة. طاقتها لا تتغير بشكل سلس، بل على شكل درجات — مثل طوابق المبنى. في المجال الضعيف، ترى نمطًا واحدًا من هذه الدرجات، وفي المجال القوي، ترى نمطًا آخر بإيقاع خاص.

يمكن جعل شعاع الضوء يبدو كزهرةٍ ذات عدة بتلات. إذا مُرِّر هذا الشعاع عبر سحابة من ذرات الروبيديوم الباردة وشُغِّل المجال المغناطيسي، تبدأ البتلات بالدوران. ترتبط زاوية الدوران ارتباطًا مباشرًا بقوة المجال. عادةً، لقياس المجال المغناطيسي بالضوء، نحتاج إلى مستقطبات — ألواح خاصة تسمح بمرور الموجات ذات اتجاه اهتزاز محدد فقط. هنا لم تكن هناك حاجة إليها: فدوران البتلات يُرى حتى بدونها.

الفوتونات المتشابكة الفوتونات هما رسولان يسيران بخطى متزامنة: حالاتهما الكمومية، وخاصة الاستقطاب، مترابطة بحيث أن قياس أحدهما يحدد فورًا حالة الآخر، حتى عبر المسافات. في المادة، يختل هذا التزامن. من خلال طبيعة الاضطراب، يمكن تحديد ما وُجد في الطريق: مفترق طرق بدد المسارات، أو دوامة مغناطيسية لوت الخطى.

شعاع مصباح يدوي في الضباب يتفكك إلى آلاف البقع الضعيفة. كل بقعة منها هي ضوء انعكس عدة مرات عن قطرات الماء ولم يصل إلى العين إلا بعد ذلك. لفهم هذه الفوضى، يقوم الفيزيائيون بتكوين جدول خاص — مصفوفة التشتت. يُسجل فيه كيف يتحول كل شعاع وارد إلى مجموعة من الأشعة الصادرة. لم يأخذ مؤلفو العمل الجديد الضباب، بل كرة زجاجية واحدة — أبسط مشتت.

ضوء الليزر يشبه صفًا مثاليًا من الجنود في عرض عسكري: كل الموجات تهتز في مستوى واحد. هذا النوع من الضوء يُسمى مستقطبًا. في الدراسة الجديدة، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من الحصول على أشعة غاما مستقطبة عن طريق تصادم الإلكترونات مع نبضة ليزرية قوية.

في تجارب تشتت الجسيمات، غالبًا ما يُستقطب الهدف: تُرتَّب النوى بحيث تتجه لفها المغزلي في الغالب إلى اتجاه واحد. تعتمد نتيجة التصادمات على درجة هذا الترتيب. لقياسها، يُمرَّر عبر الهدف إشارة راديوية ضعيفة وتُراقب كيفية امتصاص النوى لها. هذا يشبه ضبط جهاز استقبال راديو: الإشارة المفيدة تغرق في الضوضاء، ويتغير ارتفاع صوتها بسبب التداخل.

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.

الضوء هو تيار من الفوتونات، وعادةً لا يمتلك الفوتون عزمًا مغناطيسيًا: فهو لا ينحرف بالمغناطيس مثل برادة الحديد. لكن في مجال مغناطيسي قوي جدًا، يقارن بالمجال الحرج لشفينغر (حوالي 4.4×$$10^{13}$$ غاوس — أقوى بمليارات المرات من مغناطيس الثلاجة)، يكتسب الفوتون عزمًا مغناطيسيًا شاذًا.

الشمس ليست كرة هادئة. ففي داخلها تنتشر موجات باستمرار، كما في الجرس بعد قرعه. تصل هذه الاهتزازات إلى السطح وتكشف ما يحدث على الجانب البعيد غير المرئي. لطالما أتقن علماء الفلك «الاستماع» إلى هذا الرنين وتمكنوا من العثور على مجموعات كبيرة من البقع هناك. لكنهم حتى الآن لم يستطيعوا قول الشيء الأهم: أين يقع القطب المغناطيسي الشمالي للبقعة وأين يقع الجنوبي. يقترح العمل الجديد طريقة لتصحيح هذا الأمر.

النجم النابض بالأشعة السينية قنطورس X-3 هو نجم نيوتروني يدور بسرعة ويصدر نبضات من الأشعة السينية مثل المنارة. وجّه العلماء إليه ثلاثة تلسكوبات فضائية ودرسوا استقطاب الإشعاع — أي كيفية اهتزاز المجال الكهربائي لموجة الضوء. وتبين أن هذا الاستقطاب يتصرف بشكل متقلب للغاية: زاويته تتغير مع طاقة الفوتونات ومع طور النبض.

استيقظ الثقب الأسود GS 1354-64 في كوكبة الذبابة عام 2025 وبدأ يلتهم المادة من نجمه المجاور بشراهة. التقطه التلسكوب المداري IXPE في لحظة نادرة: كان التوهج قد خمد بالفعل، لكن النظام لم يهدأ بعد. وكأنه شخص توقف على عتبة الباب، ظل يتردد بين حالتين: الهدوء والاضطراب. اتضح أن الضوء القادم من محيط الثقب الأسود مستقطب، أي أن موجاته لم تتأرجح عشوائيًا بل في اتجاه واحد.

في مسرع جسيمات ضخم، حيث تصطدم البروتونات بسرعة قريبة من سرعة الضوء بهدف من النيون، تولد الباريونات المفتونة — جسيمات تعيش أقل من جزء من مليار من الثانية. تمكن علماء تعاون LHCb لأول مرة من قياس كيفية «دوران» هذه الجسيمات — بتعبير أدق، اتجاه سبينها — واكتشفوا فرقًا غير متوقع بين الجسيمات ونظيراتها المرآتية.

على رقاقة سيليكون بحجم طبق العشاء، يمكن وضع ليس مادة واحدة بل خريطة كاملة من آلاف التركيبات المختلفة. يضرب الليزر ذرات من أهداف ويُرسّبها في طبقات رقيقة، مع تغيير النسب من نقطة إلى أخرى. هكذا نحصل على مكتبة مواد: في مكان ما كمية أكبر من معدن، وفي مكان آخر معدن آخر، وكل التوليفات مرئية في آن واحد. لكن في درجة حرارة الغرفة، لا تظهر العديد من الخصائص.

يمر ضوء النجم HD 163296 عبر القرص الغباري المحيط به، كما يمر شعاع مصباح يدوي عبر ماء عكر. تعمل جزيئات القرص على تشتيت الضوء، فيكتسب خاصية خاصة وهي الاستقطاب (polarization): تبدأ الموجات بالاهتزاز في مستوى واحد، مثل حبل يُهزّ عموديًا تمامًا.

المصباح اليدوي في الضباب الكثيف عديم الفائدة: الشعاع يتشتت، والضوء المنعكس يغرق في التشويش. لكن إذا ربطت فوتونين بخيط غير مرئي، يمكن لأحدهما أن يعبر الضباب ويعود بينما يبقى الآخر في أمان. هذا الارتباط يسمى التشابك الكمومي (quantum entanglement) — عندما تتصرف جسيمتان ككيان واحد حتى لو كانتا بعيدتين عن بعضهما. في التجربة الجديدة، وُلدت أزواج من الفوتونات المتشابكة في دائرة بصرية خاصة.

يقع إشعاع التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر. فهو يخترق الملابس والورق والبلاستيك، لكنه يتوقف عند الماء والمعادن. لذلك تُستخدم هذه الموجات في أجهزة المسح الأمني ومراقبة جودة المواد. لكن لهذا الإشعاع خاصية أخرى وهي الاستقطاب، أي اتجاه اهتزاز الموجة. العديد من المواد تنقل الموجات ذات الاستقطابات المختلفة بطرق مختلفة، ويمكن استخدام ذلك لدراستها.

يقع إشعاع التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر. يخترق الملابس والورق والبلاستيك، لكنه لا يخترق المعادن والماء. لذلك يُستخدم في ماسحات الأمن والتصوير الطبي. لرؤية استقطاب هذا الإشعاع، نحتاج إلى كاشف. الاستقطاب هو اتجاه اهتزاز الموجة، مثل تموجات الماء التي قد تتحرك لأعلى ولأسفل أو لليسار ولليمين. ويعتمد عليه تفاعل الإشعاع مع المادة.

الضوء الذي يمر عبر الألياف البصرية يشبه عدّاءً في ممر ضيق: يمكنه الجري باستقامة، أو يمكنه التمايل من جانب إلى آخر. اتجاه هذه «التمايلات» هو الاستقطاب. تعلّم الفيزيائيون إبقاء العدّاء على خط مستقيم: فهم يفحصون مساره باستمرار ويصححونه بلطف، دون السماح له بالانحراف. تُسمى هذه التقنية قياس زينو الوقائي. الفكرة بسيطة: إذا راقبت جسمًا كموميًا بشكل متكرر، فإنه «يتجمد» في حالته.

النجوم النيوترونية هي بقايا فائقة الكثافة للمستعرات العظمى ، مضغوطة إلى حجم مدينة. في ثلاثينيات القرن العشرين، تنبأ فريتز زفيكي نظريًا بوجودها، ثم اكتشفت جوسلين بيل بورنيل تجريبيًا النجوم النابضة — وهي نجوم نيوترونية سريعة الدوران تصدر نبضات راديوية دورية.

في النظام الثنائي Cyg X-2، يسحب النجم النيوتروني المادة من نجم مرافق عادي. يدور الغاز الساقط ويسخن إلى ملايين الدرجات ويصدر ضوءًا ساطعًا في نطاق الأشعة السينية. وجه علماء الفلك تلسكوبين فضائيين نحو هذا الجسم، وهما IXPE وNuSTAR، ولأول مرة قاموا بقياس استقطاب هذا الضوء بالتفصيل.