قفزة النباض

في الليل لا تنطفئ المنارة على الصخرة، لكن حارسها قد يُرخي الستائر على مصباحها. يبقى الضوء، غير أنه أقل. وشيء من هذا القبيل جرى للنبّاض السيني 4U 0114+65: لم يختفِ، بل خفت إشعاعه فقط. النبّاض نجم نيوتروني يلتقط مادة نجم مجاور ويطلق نبضات من الأشعة السينية مع كل دورة.

مستقبل راديو مضبوط على محطة واحدة يبدأ فجأة في التقاط محطة أخرى لأن شخصًا غير مرئي يدير مقبض الضبط. هذا تقريبًا ما يفعله الطيف الراديوي للنجم النابض الملي ثانية PSR J2144−5237: التردد الذي يضعف عنده إشعاعه فجأة ينزاح بسلاسة من 0.8 إلى 3 جيجاهرتز بينما يدور النجم حول مرافقه.

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.

النجم النابض PSR J1637−4642 يشبه الطبل مع الخشخيشة: فهو يدور بسرعة هائلة، وكل ومضة من الإشعاع الراديوي هي نقرة تقيس الزمن. لمدة تسع سنوات ونصف، استمع علماء الفلك إلى هذا الإيقاع باستخدام تلسكوب Murriyang الذي يبلغ قطره 64 مترًا في أستراليا – ولم يسمعوا أي خلل. بدا الأمر وكأن الآلية تعمل بشكل مثالي. لكن في عام 2020، استدار الطبل: قفز تردد الدوران بمقدار 2.7 جزء من المليون.

المنارة لا تومض بشكل منتظم، بل بنبضات قصيرة ساطعة. النجم النيوتروني في النظام 4U 1323-62 هو مثل هذه المنارة في نطاق الأشعة السينية. فهو يجذب الغاز من نجم مجاور، وعندما يتراكم ما يكفي من المادة على سطحه، يحدث انفجار نووي حراري — وميض من الأشعة السينية.

في نظام نجمي ثنائي، يسحب نجمٌ المادة من جاره. على مر القرون، تستقر هذه المادة على سطح النجم النيوتروني — البقايا فائقة الكثافة لنجم ميت، حيث تزن ملعقة صغيرة من مادته مليارات الأطنان. هذه العملية، المسماة بالتراكم (accretion)، تجري عادةً بسلاسة: تتراكم المادة تدريجيًا، وتتصرف الجاذبية كما تتنبأ النظرية النسبية العامة لأينشتاين، دون مفاجآت.

التجمع الكروي (globular cluster) — سرب كثيف من مئات الآلاف من النجوم — يخترق المجرة مثل رصاصة تخترق الماء. في المادة المظلمة العادية (الكتلة غير المرئية التي تمسك المجرات)، يجب أن يفقد سرعته بسرعة بسبب الاحتكاك المدّي (dynamical friction). لكن في المجرة القزمة الكور، العديد من هذه التجمعات لم تسقط بعد نحو المركز. يسمي علماء الفلك هذا "مشكلة الزمن".

89 ميلي ثانية. هذه هي المدة التي يستغرقها انهيار جليدي دوامي يعمل على تسريع دوران النجم النابض Vela فجأة – أحد أشهر النجوم النابضة القافزة. النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران تنشأ من انهيار مستعرات عظمى.

قمة تدور مئة دورة في الثانية، ثم تبدأ فجأة بفقدان سرعتها بشكل حاد — أسرع بكثير من أي قمة معروفة. هذا بالضبط ما يفعله النجم النابض J0435+3233. إنه نجم ميت انكمش إلى حجم مدينة، لكنه يدور بسرعة هائلة. دورته أقل من 10 ميلي ثانية، وقد سجل رقمًا قياسيًا: لم يُرَ من قبل نجم نابض سريع بهذا التباطؤ الشديد (تباطؤه يتجاوز $$10^{-12}$$ هرتز/ثانية).

لأكثر من قرن، حيّر السلوك المتقلب لنجوم نوع RR القيثارة علماء الفلك: يزداد سطوعها وينخفض بشكل دوري بسعة لا يمكن التنبؤ بها، مثل منارة بآلية معطلة. ظل تأثير بلاجكو، الذي اكتُشف عام 1907، يثير فضول العلماء لعقود. ولم يتمكن سوى تلسكوب كيبلر الفضائي، بدقته البالغة، من إيجاد مفتاح هذا اللغز.

كاشفات الموجات الثقالية تشبه ميكروفونات حساسة تلتقط همس الكوارث البعيدة. لكن بين الحين والآخر، ينفجر فيها طقطقة حادة — ضوضاء قصيرة تُعرف بالغلتش. قد تشبه هذه الطقطقة إشارة حقيقية من اندماج ثقبين أسودين، وعندها يخاطر الفلكيون بأن يخلطوا بين الضوضاء والاكتشاف. الأداة الجديدة bilby_glitch تعمل مثل مهندس صوت يسمع في الوقت نفسه الموسيقى والطقطقات في التسجيل.

في العنقود الكروي تيرزان 5 يختبئ نظام مزدوج IGR J17480-2446. أحد أعضائه هو نجم نيوتروني يتصرف بشكل غريب. يدور بتردد 11 هرتز فقط (11 دورة في الثانية) ويبرد بعد التوهج ببطء مريب. عادةً، تدور هذه النجوم أسرع بمئات المرات وتبرد بنشاط، لكن هنا العكس تمامًا. التبريد البطيء يفرض افتراض وجود طبقة منخفضة التوصيل الحراري في القشرة الخارجية للنجم.

البندول يتأرجح من تلقاء نفسه، لكنه أحيانًا يبدأ فجأة بالتأرجح بعنف لدرجة أنه يكاد ينخلع من مثبته. هذا تقريبًا ما يفعله القزم الأبيض GD 1212 — نجم بحجم الأرض لكن كتلته تقارب كتلة الشمس. عادةً ما ينبض بفترة تبلغ حوالي 1100 ثانية، وكأنه يتنفس: يتغير سطوعه بإيقاع منتظم بسبب موجات تجري في أعماقه.

في أقراص التراكم المحيطة بنوى المجرات النشطة — الكويزارات، التي اكتشفها مارتن شميدت في ستينيات القرن العشرين — يهدر نهر من الغاز والغبار المتوهج. في منحنياته حيث تهدأ التيارات المضطربة، وعلى الرغم من كل شيء، تولد الكواكب. ليست كواكب عادية، بل غريبة — البلانيتات، التي تتراوح كتلتها بين كتلة الأرض وآلاف المرات من كتلتها.

المقراب الراديوي ليس مجرد هوائي، بل آلة حاسوبية تبني صورة من ملايين المعادلات. هذا المنشور الرياضي هش كأنه زجاجي: رقم واحد خاطئ في المعايرة، فإذا بالسماء الحقيقية تنقسم، مولدة مصادر شبحية. وهذا بالضبط ما حدث في ليلة من ديسمبر 2019، حين حوّل عطل نجمًا نابضًا مجريًا عاديًا إلى إحساس: أول تدفق راديوي سريع دوري في التاريخ FRB 20191221A.

منذ اكتشافها في عام 2007، تُثير الانفجارات الراديوية السريعة (FRB) حيرة علماء الفيزياء الفلكية بطبيعتها المراوغة. تأتي هذه الإشارات التي تدوم أجزاءً من الثانية من مجرات بعيدة، وتحمل طاقة هائلة: في لحظة تُطلق قدرًا من الطاقة يعادل ما تطلقه الشمس في شهر. مصدرها، على الأرجح، هو النجوم النيوترونية — البقايا فائقة الكثافة لـالمستعرات العظمى.

في مراكز المجرات، حيث ترقد الثقوب السوداء فائقة الكتلة ساكنةً وسط أسراب النجوم، تشتعل أحياناً نيرانٌ ذات قوة هائلة — إنها أحداث التمزق المدي. غير أن بعض هذه الأحداث تسلك سلوكاً غريباً: فهي تتكرر مراراً وتكراراً، وكل توهج جديد يكون أبهت من سابقه. فعلى سبيل المثال، أصدر الجسم eRASSt-J045650 خمس ومضات متتالية، بينما أظهر AT2022dbl عدة ومضات مع خفوت واضح.

لكل جسيم كمومي لف (spin) — عزم زاوي ذاتي، خاصية مغناطيسية داخلية، وكأنها إبرة صغيرة. في التجربة، شعاع من هذه الجسيمات، عند مروره عبر مجال مغناطيسي غير منتظم، ينقسم إلى شعاعين منفصلين — مثل عملة تسقط على وجه أو نقش. هكذا تتصرف جسيمات مثل ذرة الهيدروجين، مُظهرةً حالتين محتملتين لإسقاط اللف. فكرة اللف أثارت جدلاً.

قمة دوارة بحجم مدينة، تزن أكثر من الشمس وتدور مئات المرات في الثانية. هذا هو النجم النيوتروني — بقايا نجم منفجر. أحيانًا يتسارع دورانه فجأة، وكأن شيئًا ما تبدل في داخله. يطلق علماء الفلك على هذه القفزات اسم الانزلاقات النجمية، ويشتبهون في أن السبب هو دوامات غير مرئية في الحشوة فائقة الميوعة للنجم. داخل النجم النيوتروني يشبه كعكة ذات طبقات.

قمة دوّارة تدور وتتمايل قليلاً في نفس الوقت — هكذا، وفقًا لعلماء الفلك، يتصرف النجم النيوتروني في النظام الثنائي هرقل X-1. فهو يدور حول محوره مرة كل ثانية، لكن محوره يرسم مخروطًا ببطء بفترة 35 يومًا. مؤخرًا، قام المرصد الفضائي IXPE بقياس كيفية تغير استقطاب الأشعة السينية الصادرة عن النجم خلال هذه الدورة — ببساطة، اتجاه اهتزاز موجات الضوء.

عندما يبرد الحساء الساخن، تظهر على سطحه كتل — وهكذا، عندما برد الكون المبكر، ولّد كتلًا خيطية من الطاقة، أوتار كونية. بعضها يشبه شريطًا مطاطيًا مشدودًا: ما دام سليمًا فهو مستقر. لكن إذا قُطع الشريط، يتمزق.

النجم النيوتروني هو كتلة دوارة بكتلة الشمس مضغوطة إلى حجم مدينة. يولد في لهيب مستعر أعظم وعادةً ما يتباطأ دورانه فقط. لكن أحيانًا، وبدون سبب واضح، يتسارع فجأة - وتسمى هذه القفزة 'غليتش'. تصبح العديد من النجوم النيوترونية نباضات: فهي تصدر نبضات راديوية منتظمة، مثل منارات كونية.

في قلب عنقود المجرات الحواء تطفو فقاعة من البلازما الساخنة بحجم عدة مجرات. ترتفع مثل بالون ضخم في الغلاف الجوي، ويتبعها أثر — منطقة يتحرك فيها الغاز. وجّه العلماء إلى هذا الأثر التلسكوب الياباني للأشعة السينية XRISM لقياس كيفية تحرك الغاز بالضبط. اتضح أنه في مركز الأثر تمامًا، يتحرك الغاز بسرعة حوالي 80 كيلومترًا في الثانية بالنسبة للعنقود ككل.

عندما تنشطر نواة ذرية ثقيلة، لا تتطاير إلى نصفين متساويين. ينشأ أولًا جزءان يشبهان الكمثرى، متلاصقان بطرفيهما الرفيعين. ثم يبدأ مكان التلامس بالانسياب، كما لو أن قطرتين تندمجان ويصبح السطح مستويًا بسرعة. في هذه اللحظة القصيرة، يتحرك السطح نحو الداخل، وقد ترتد الجسيمات داخل النواة عنه، مثل كرة ترتد عن جدار يتحرك نحوها. هذا الارتداد يزيد من سرعتها.

في العناقيد الكروية — أسراب كثيفة من مئات الآلاف من النجوم — تختبئ نجوم نابضة ميلي ثانية. هذه نجوم ميتة تدور بسرعة جنونية: دورة واحدة كل بضع ميلي ثانية، مثل خلاط مطبخ على أعلى سرعة. تصل نبضاتها الراديوية إلى الأرض بدقة الساعات، لكن الإشارة ضعيفة جدًا، وفي البحث العادي تغرق في الضجيج كهمس في حشد. وجد علماء الفلك طريقة لسماع هذا الهمس.

في عام 2017، رصد كاشف IceCube نيوترينو قادمًا من المجرة البعيدة TXS 0506+056. الأمر يشبه سماع رنين هاتف من عبر المحيط: الإشارة جاءت من حيث تولد الجسيمات الأكثر طاقة في الكون. بالتزامن مع النيوترينو، لاحظ علماء الفلك ومضة من أشعة غاما، وبعد سنتين إلى ثلاث سنوات، موجات راديوية.

الثقب الدودي هو نفق افتراضي في الزمكان، يختصر المسافة بين مناطق بعيدة في الكون. تخيّل فقاعة من غشاء الصابون ممتدة بين نقطتين: لكي لا ينطبق جدراناها، تحتاج إلى دعامة خاصة. في علم الكونيات، يلعب هذا الدور مادة ذات ضغط سالب، شبيهة بـالطاقة المظلمة — المادة الغامضة التي تجعل الكون يتوسع بتسارع.

يمكن للثقب الأسود أن يعذب نجمًا ليس في حدث كارثي واحد، بل على مدى سنوات، نازعًا منه المادة تدريجيًا. الدور الرئيسي هنا تلعبه قوى المد والجزر — وهي الفرق في جاذبية الثقب الأسود التي تؤثر على الجانبين القريب والبعيد من النجم: الجانب القريب يُجذب بقوة أكبر بشكل ملحوظ، فيبدأ النجم بالتمدد.

البروتون ليس كرة صلبة، بل سحابة هائجة من الكواركات والغلوونات. كل جسيم يحمل قطعة من الدوران، لكن عند جمع كل القطع، لا نحصل على كامل سبين البروتون. يبدو أن جزءًا من الدوران يختبئ في أبطأ سكان السحابة، أولئك الذين يحملون جزءًا ضئيلًا فقط من الحركة الكلية. يكاد يكون من المستحيل التقاطهم في التجارب، إذ يتطلب ذلك تصادمات عند حدود الطاقة، كما لو كنت تحاول سماع همس وسط ضجيج شلال.

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.

النيوترون — جسيم داخل النواة الذرية — يمكن أن يعيش في عالمين: عالمنا والعالم المرآوي. في العالم المرآوي يوجد نيوترون توأم خاص به، غير مرئي لأجهزتنا. إذا كان النيوترون العادي يقفز أحيانًا إلى العالم المرآوي ويعود، فإن جزءًا من النيوترونات في المصيدة يبدو وكأنه يذوب في الهواء.

في عام 2019، التقطت كاشفات الموجات الثقالية إشارة من اندماج جسمين بعيدين. كان أحدهما ثقبًا أسود كتلته 23 كتلة شمسية. أما الثاني فكانت كتلته 2.5 كتلة شمسية فقط — وهذا غريب. عادةً، لا تزيد كتلة النجوم النيوترونية عن كتلتين شمسيتين: فعند كتلة أكبر، تنضغط لتتحول إلى ثقب أسود. والثقوب السوداء، على العكس، نادرًا ما تكون كتلتها أقل من خمس كتل شمسية.

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.

في مركز المجرة J2344، قبل خمس سنوات، مزق ثقب أسود نجمًا، والآن يعجّ هناك غاز ملتهب — «مرجل كوني». كل 12 ساعة، تطفو فيه فقاعات ضخمة من الأشعة السينية، وأثناء صعودها تبرز دفقات فائقة السخونة تدوم من 5 إلى 30 دقيقة. في البداية، اعتُبر هذا النبض المزدوج الغريب خللاً في أجهزة الكشف — لكن الإيقاع استمر يومًا بعد يوم.

في سحابة غازية كثيفة، حيث تولد نجمة أثقل من الشمس، يوجد مصدر راديوي صغير جدًا. يعمل مثل الليزر: جزيئات الميثانول تضخّم الإشعاع، فنرى نقطة مضيئة. لكن هذه النقطة تتصرف بغرابة — سطوعها يقفز صعودًا وهبوطًا خلال ساعات معدودة. تابع العلماء المصدر G33.641-0.228 من عام 2009 إلى عام 2016.

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.

بالاشتراك مع نجم عادي، عثر علماء الفلك على وزن ثقيل حقيقي — نجم نيوتروني كتلته 2.35 كتلة شمسية. وهذا أكثر من أي نجم آخر له قياسات دقيقة. تولد هذه الأجرام عندما ينفجر نجم على هيئة مستعر أعظم، وينضغط قلبه إلى كرة بحجم مدينة.

انفجار غاما 230307A اشتعل في السماء كصوت الرعد: في ثوانٍ أطلق طاقة أكثر مما تطلقه الشمس خلال مليارات السنين. ثلاثة كواشف، وهي GECAM-B وGECAM-C وFermi/GBM، كانت تنظر في تلك اللحظة إلى الاتجاه الصحيح. وسط فوضى فوتونات غاما، رصد أحد الأجهزة إيقاعًا لمدة 160 ميلي ثانية: 909 نبضة في الثانية.