نبض

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.

على الشاطئ ليلًا تقف منارة. مصباحها شبه مُطفأ معظم الوقت، لكنه كل بضعة أيام، لجزء من الثانية، يومض بضوء يُرى من وراء الأفق. هذا بالضبط ما يفعله PSR J2108+5055: نجم نيوتروني في مجرتنا يظل صامتًا لسنوات، ثم يُطلق نبضة راديوية واحدة قادرة على أن تُطغى على أسراب النجوم.

النجوم النابضة (Cepheids) هي نجوم متغيرة نابضة يتغير لمعانها بانتظام يشبه عمل المنارة. ترتبط دورة نبضها بمتوسط كثافة النجم، مما يجعل هذه الأجسام "شموعًا معيارية" مهمة لقياس المسافات في الكون. في الأنظمة الثنائية، حيث يحجب النجم النابض بشكل دوري بواسطة نجم مرافق، يمكن لعلماء الفلك قياس نصف قطره وكتلته مباشرة.

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.

بعد انفجار المستعر الأعظم، يبقى في المركز جسم مضغوط بحجم مدينة — نجم نيوتروني وليد. هذه حالة قصوى من المادة: النجم حار، مضغوط إلى الكثافة النووية، ويهتز مثل الجرس بعد ضربة. هذه الاهتزازات — تذبذبات النجم — تبعث موجات ثقالية، تموجات في الزمكان، يمكن للكاشفات الحساسة على الأرض التقاطها.

النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران، وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة، تصدر نبضات راديوية مثل المنارة. لكن بعضها يظل صامتًا معظم الوقت، ولا يطلق سوى نبضة واحدة من حين لآخر. تُعرف هذه الأجسام بالعابرات الراديوية الدوارة (RRAT). اكتُشفت قبل حوالي عشرين عامًا، لكنها ما تزال لغزًا.

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.

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.

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.

على الشمس تتردد الضربات بين الحين والآخر — إعادة الاتصال المغناطيسي في البلازما يطلق طاقة، مما يجعل الإكليل يتوهج. بعد كل ضربة من هذا القبيل، لا تزال الأمواج المغناطيسية الهيدروديناميكية تتردد في الحلقات البلازمية لفترة طويلة — مثل رنين الجرس المتلاشي.

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.

الدوامة: تدوير الخفيفة أسهل من الثقيلة. هذا ما تفعله النجوم النيوترونية تقريبًا — وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. نظر علماء الفلك إلى نحو خمسين نظامًا ثنائيًا يدور فيه نجم نيوتروني حول آخر، فلاحظوا: كلما زادت كتلة النجم، طال زمن دورانه. العلاقة ليست حتمية، لكنها ملحوظة إحصائيًا. معامل الارتباط (مقياس العلاقة الإحصائية) حوالي -0.26، ومع احتمال 96% يكون أقل من الصفر.

منافيخ الحداد تنفخ النار بقذف الهواء بقوة. في الفضاء، تلعب موجة الصدمة من المستعر الأعظم — وهو مفهوم قدمه فريتز زفيكي — دور هذه المنافيخ: فهي تدرك فقاعة عملاقة من الجسيمات المشحونة والمجالات المغناطيسية، المتشكلة حول النجم النيوتروني الدوّار — النباض، فتضغطها ويعزز المجال المغناطيسي.

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.

حتى جوسلين بيل بورنيل، التي سجلت لأول مرة الدورية الصارمة للإشارات الراديوية، لاحظت أن بعض النبضات تختفي فجأة. اليوم نعرف أن التغير ليس نزوة، بل صوت كهروديناميكية معقدة.

تخيل راقصًا بثلاثة وجوه على قمة موجة ضوئية. وجه ماسك يلتقط الفوتونات الساقطة. ووجه مرآة مثالية تعكس الضوء للخلف. ووجه زجاج معتم ينثر الأشعة في كل الاتجاهات. ما دامت السرعة صغيرة، يبقى الرقص متناغمًا. لكن عند سرعات قريبة من سرعة الضوء، تختل تصميم الرقصة. يشبه الأمر راكب الأمواج الذي يطارد الموجة. في البداية، تدفعه المياه بقوة إلى الأمام.

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.

قمة الغزال تدور بسرعة هائلة وبدلاً من الطنين المنتظم تصدر أزيزًا هادئًا — لأنها مشوهة قليلاً. هكذا تعمل النجوم النيوترونية تقريبًا: كرات بحجم مدينة، مضغوطة إلى كثافة تجعل ملعقة صغيرة من مادتها تزن مثل جبل. إذا لم يكن هذا النجم كرة مثالية، بل لديه "نتوء" صغير على جانبه، فإنه يصدر موجات جاذبية مستمرة — تموجات في الفضاء نفسه تنتشر عبر الكون. من الصعب جدًا التقاط هذه التموجات.

المنارة تومض بدقة مرة كل ثانية. إذا كانت تتحرك في مدار دائري، فإن ومضاتها تصل إما أبكر قليلًا أو متأخرة قليلًا — مما يكشف عن رفيق غير مرئي. هكذا كشف علماء الفلك عن الرفيق الخفي للنجم IY Lyrae. IY Lyrae هو نجم متغير نابض في القرص السميك للمجرة. يتغير لمعانه بفترة تبلغ حوالي نصف يوم: يتمدد النجم وينكمش بإيقاع منتظم. لكن ظهرت خلل في هذا الإيقاع.

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.

إذا ضربت جرسًا، فإنه سيصدر نغمة واحدة. أما إذا وضعت بداخله لسانًا ثانيًا، ورنّ كلاهما دون أن يتلامسا، فسيصبح الصوت أكثر تعقيدًا. هذا تقريبًا هو حال النجم النيوتروني في الدراسة الجديدة. إنه ليس مجرد كرة ملتهبة: فقد تتدفق في داخله سائلان لا يمتزجان — مثل النيوترونات فائقة الميوعة والبلازما العادية.

البقعة الشمسية — جزيرة مظلمة على السطح الملتهب — تتنفس. كل ثلاث دقائق تنطلق منها موجة، تجري على طول قوس مغناطيسي غير مرئي وتجعل البلازما فوق البقعة المجاورة تومض بإشارة راديوية. التقطت التلسكوبات الراديوية سبعًا من هذه الومضات متتالية في 14 فبراير 2024. تكررت سلسلة الانفجارات بفترة زمنية تبلغ حوالي 160 ثانية.

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.

تبدو السماء ليلًا هادئة، لكن إذا أنصتنا إلى نطاق الراديو، نجدها مليئة بالطقطقات والهمسات القصيرة. يمشط علماء الفلك السماء بحثًا عن نبضات راديوية منفردة (single radio pulses) — رشقات تدوم ميلي ثانية تأتي من زوايا مختلفة من المجرة وخارجها. أحد هذه المسوحات يجري على التلسكوب الراديوي الذي يبلغ قطره 100 متر في إيفلسبيرغ (ألمانيا).

المنارة تومض كل بضع ثوانٍ، لكنها فجأة تبدأ في التوهج والخفتان ببطء على مدار عام. هذا هو بالضبط سلوك حوالي ثلث العمالقة الحمراء — النجوم الضخمة في مراحل متأخرة من حياتها. نبضها المعتاد يستغرق أيامًا أو أسابيع، لكن فوقه تظهر فترات ثانوية طويلة: أشهر وسنوات. لُوحظت هذه الظاهرة منذ ما يقرب من مئة عام، لكن لم يتمكن أحد من تفسيرها.

السماء الليلية مليئة بالمنارات التي تومض وفق جدول زمني. النجوم النابضة (pulsars) هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران، وتصل نبضاتها الراديوية بدقة الساعة. لكن هناك منارات أخرى: تظل صامتة لدقائق أو ساعات، ثم تُطلق فجأة نبضة واحدة، ثم تعود إلى الصمت. تُعرف هذه الأجسام بالراديوهات العابرة الدوارة (rotating radio transients)، وكانت تُعتبر حتى وقت قريب ظاهرة نادرة وغريبة.

النجم النيوتروني هو نواة مضغوطة لنجم ميت، جسم بحجم مدينة لكن بكثافة هائلة. بعض هذه النجوم تصبح نجومًا نابضة — منارات كونية تصدر نبضات إشعاعية دورية بدقة متناهية. مجالها المغناطيسي أقوى بمليارات المرات من مجال الأرض؛ وعند القطبين المغناطيسيين ينفجر إلى الخارج كنافورة بلازما عاتية.

النجم النابض الراديوي J1574+4703 هو نجم يتصرف مثل منارة متقلبة. فبدلاً من أن يضيء باستمرار، يطلق حزمته الراديوية على شكل ومضات قصيرة ثم يصمت لفترات طويلة. تُعرف هذه الأجسام باسم "المتغيرات الراديوية الدوارة" (Rotating Radio Transients) واختصارًا RRAT. لكن لهذا النجم النابض خصوصية: ففي بعض الأحيان يبدأ بالعمل كنابض راديوي عادي، يرسل إشارات دون انقطاع.

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.

مؤقت المطبخ يدق مرة كل ثانية. النجم النيوتروني SRGA J144459.2-604207 يدق 448 مرة في الثانية — هذا هو دورانه الذاتي، وهو مسموع في الانفجارات السينية. في عام 2024، استيقظ النجم وبدأ بإطلاق انفجارات نووية حرارية على سطحه، مثل قدر يغلي بشراسة. ثلاثة تلسكوبات — NICER في المدار، وXMM-Newton، وNuSTAR — راقبت النجم. التقطوا 39 انفجارًا خلال فترة المراقبة.

شعاع الليزر عادة يتحرك في خط مستقيم، مثل تيار الماء من خرطوم. لكن ماذا لو قمنا بلف هذا التيار كخيط برغي؟ سنحصل على زنبرك ضوئي — شعاع يدور حول محوره أثناء حركته. في كل نقطة في الفضاء، يصف سطوعه حلزونا، وإذا وضعنا شاشة مسطحة في مسار هذا الشعاع، ستظهر عليها بقعة ضوء دوارة. قاس الفيزيائيون السرعة التي تتحرك بها هذه البقعة في دائرة.

العنقود المجري يشبه تقاطعًا مزدحمًا حيث تندفع المجرات-السيارات عبر رياح معاكسة من الغاز الساخن. هذه الرياح، المسماة بضغط الدفع (ram pressure)، تقتطع من المجرات مخزونات الغاز البارد — وقود ولادة النجوم. تابع علماء مسح SAMI كيف يحدث هذا لدى مئات المجرات في ثماني عناقيد قريبة. قسّموا المجرات إلى ثلاث مجموعات حسب شكل الهيدروجين المتوهج: هادئة، مائلة، ومبتورة.

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 النيوتروني PSR J1101-6101 يندفع عبر الفضاء بسرعة تخطف الأنفاس. يترك خلفه أثرًا من الجسيمات المشحونة — مثل زورق سريع يشق الماء ويجر خلفه ذيلًا من الرغوة. نظر تلسكوب ميركات الراديوي في جنوب أفريقيا إلى هذا الذيل لمدة عشر ساعات ونصف ورأى ما لم يُلاحظ من قبل: الذيل ليس أملس، بل مشقوق بخطوط عرضية. هذه الخطوط ليست مجرد نمط.

النجم النيوتروني 1E 161348-5055 في بقايا المستعر الأعظم RCW 103 ينبض بفترة تبلغ 6.67 ساعة. هذا بطيء جداً لمثل هذا الجسم المضغوط، ولم يتمكن علماء الفلك لفترة طويلة من فهم ما يحدث. افترضوا أن النجم ليس كرة مثالية، بل مفلطح قليلاً، وأن محور دورانه يتمايل ببطء، مثل قمة دوارة أُطلقت.

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.

النجم الصغير يشبه الدوامة متعددة الطبقات: طبقاته الخارجية تدور ببطء، والداخلية أسرع. المجال المغناطيسي هنا يشبه خيوطاً قوية تربط هذه الطبقات. عندما تختلف السرعات، تبدأ الخيوط بالالتواء والتمدد أكثر فأكثر. وفي لحظة ما تنقطع، فيتحطم المجال البسيط ثنائي القطب (مثل المغناطيس المستقيم) ويحل محله مجال ضعيف وفوضوي.

لطالما حيّر لغز الرشقات الراديوية السريعة علماء الفلك لعدة سنوات — وهي إشارات راديوية قصيرة للغاية لكنها قوية بشكل لا يصدق، تأتي من مجرات بعيدة. بعضها يومض بشكل متكرر، مثل منارات ذات إيقاع متغير، بينما يُرصد البعض الآخر مرة واحدة فقط، تاركًا وراءه أسئلة.

المغناطيسار هو نجم نيوتروني يملك مجالًا مغناطيسيًا أقوى بمقدار كوادريليون مرة من مجال الأرض. من وقت لآخر، يقذف هذا الجسم كتلة من البلازما تشبه بالونًا منفوخًا؛ وفي داخلها تتحرك خطوط القوى المغناطيسية كأنها آلاف النوابض غير المرئية.