مجرة راديوية

جسيم بطاقة $$10^{18}$$ إلكترون فولت يخترق الغلاف الجوي للأرض، وكأن كرة تنس تطير بسرعة 200 كيلومتر في الساعة وتصطدم بجدار. من أين تأتي هذه القذائف؟ يتناقش علماء الفيزياء الفلكية في ذلك منذ عقود. انفجارات أشعة غاما، وهي انفجارات قوية قصيرة الأمد لأشعة غاما، كانت منذ زمن طويلة مرشحة لدور المسرعات.

المجرة Mrk 590 تتصرف مثل مستقبل راديوي تارةً يلتقط الموجة وتارةً يغرق في الضجيج. ثقبها الأسود فائق الضخامة ظلّ لعقود يشتعل حينًا ويخفت حينًا آخر، وكان الفلكيون يترقبون كل "تشغيل" من هذا القبيل. في عام 2017 عاد المستقبل إلى الحياة من جديد، لكن التلسكوب الراديوي VLA لم يسمع الإشارة التي كانوا ينتظرونها.

السماء الليلية مليئة بالحلقات والفقاعات، لكنها في نطاق الراديو تبدو مختلفة. في بيانات التلسكوب الراديوي الأسترالي ASKAP ظهرت بنية تشبه فقاعتي صابون نُفختا من قصبة واحدة. إحداهما دائرية تمامًا تقريبًا، والأخرى تتداخل معها قليلًا، وكأنهما نُفختا بفارق ثانية واحدة.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة — جسم كتلته أكبر من كتلة الشمس بملايين أو مليارات المرات، وجاذبيته لا تطلق حتى الضوء. عادةً ما يكون في حالة سكون، لكنه أحيانًا، مثل بركان يستيقظ فجأة، يقذف نفاثات ضيقة من البلازما — نفاثات راديوية (jets).

عنقود المجرات RXC J0528.9−3927 يشبه مدينة يكتنفها الضباب: في المركز تتوهج هالة راديوية ساطعة، وما وراء الحدود المألوفة، رصد علماء الفلك توهجًا بالكاد يُرى. يمتد على مليوني سنة ضوئية — أي ثلاثة أضعاف بعد الهالة نفسها. جمع تلسكوب ميركات في جنوب أفريقيا هذا الضوء الخافت على مدى 12.9 ساعة، مثل مصور فوتوغرافي يلتقط سماء الليل بتعريض طويل.

تبدو السماء ليلاً موحدة، لكنها في الحقيقة تحتوي على تكتلات — مجتمعات هائلة من المجرات تعمل كعدسات تعمل على انحناء ضوء الأجسام البعيدة. عندما يحدث انفجار راديوي قوي قصير في مكان ما من الكون، قد يمر مساره نحو التلسكوب الأرضي بالقرب من إحدى هذه التكتلات. التقط التلسكوب الراديوي الكندي CHIME على مدى عدة سنوات مئات الانفجارات الراديوية السريعة — ومضات تدوم أجزاء من الثانية.

التلسكوب الراديوي، كأذن حساسة، يلتقط همس المجرات البعيدة المجرة. بين هذا الضجيج يختبئ عمالقة — مصادر راديوية عملاقة. وهي سحب من الجسيمات المشحونة المنبعثة من محيط الثقب الأسود فائق الكتلة. تمتد على ملايين السنين الضوئية — أكبر بعشرات المرات من مجرة درب التبانة. قام علماء الفلك بتمشيط مسح السماء TGSS ADR1 ووجدوا 5595 من هذه الأجسام.

في مراكز العديد من المجرات تختفي ثقوب سوداء عملاقة. يحيط بها سحابة كثيفة من البلازما الحارقة، التي تطلق توهجًا قويًا للأشعة السينية. في منطقة ضيقة، على بعد بضعة أنصاف أقطار جذبية فقط (وتُعرف بأنصاف أقطار Karl Schwarzschild — الحد الذي يختفي عنده حتى الضوء)، تتسارع البروتونات إلى طاقات هائلة. هنا مدخل المصنع الطبيعي.

يقول المثل: المصباح الساطع في الضباب الكثيف يبدو خافتًا، بينما يُرى ضوء صغير في الهواء الشفاف من مسافة كيلومتر. شذوذ مماثل حيّر علماء الفيزياء الفلكية قبل نصف قرن تقريبًا.

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.

في مركز درب التبانة، يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة — الرامي A* — محاطًا بالغبار والوهج. حوله، كالفراشات حول اللهب، تدور عشرات النجوم الدالة. اثنان منها، S2 و S38، بمدارين بيضاويين وفترات دوران تستغرق بضع سنوات، أصبحا بطلين رئيسيين في اختبار القوانين الأساسية للكون.

الكون مليء بالصرخات التي لا نسمعها. في كل مرة يمزق فيها ثقب أسود نجمًا، يولد توهج مبهر، وغالبًا – نفاثة نسبوية ضيقة تمتد عبر آلاف السنين الضوئية. لكن إذا كان هذا الكشاف موجّهًا بعيدًا عن الأرض، فإننا لا نرى إلا انعكاسًا باهتًا – صدى راديويًا يصل متأخرًا.

في مركز العديد من المجرات يكمن ثقب أسود فائق الكتلة ثقب أسود، يقذف نفاثات نسبية من البلازما لمسافات تصل إلى مئات الكيلوبارسك. إحدى هذه المجرات هي المجرة الراديوية مجرة راديوية ESO 137-G007 في عنقود نورما، والمعروفة باسم «مجرة المفتاح اللولبي» بسبب نفاثاتها الملتفة.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريباً، يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة، وصف رياضياً لأول مرة هاويته الجاذبية كارل شوارتزشيلد. عندما يبتلع الغاز، يتولد نواة نشطة مبهرة – كوازار. سمته المميزة – خطوط انبعاث عريضة في الطيف.

في عام 2017، سجل تلسكوب آيس كيوب النيوترينوي في القارة القطبية الجنوبية جسيمًا بطاقة تقارب 290 تيرا إلكترون فولت قادمًا من أعماق الكون.

في كوكبة العقاب، على بُعد نحو 40 ألف سنة ضوئية منا، يعمل أحد أقوى المسرّعات الطبيعية في المجرة. إنه الميكروكويزار GRS 1915+105، وهو زوج من نجم عادي وثقب أسود. يجذب الثقب الأسود مادة النجم إليه ويقذفها على شكل نفاثتين ضيقتين، تتسارعان إلى ما يقارب سرعة الضوء.

كل ومضة راديوية سريعة تشبه صدى مدوٍ في الفراغ. وفي رنينه المتلاشي تتشفر بنية الفضاء بأكملها: عبر مليارات السنين الضوئية، يتأخر النبض الراديوي قليلاً بسبب كل إلكترون حر يقابله. هذا التأخير — مقياس التشتت — يزداد مع طول المسار، لكننا لم نكن نعرف سابقًا كم عدد الإلكترونات المختبئة داخل أبعد مجرة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كانت المادة والمادة المضادة متساويتين تقريبًا. لكن شيئًا ما كسر التوازن — وإلا لكان كل شيء قد أفني إلى إشعاع، وبقي العالم فارغًا. أحد المرشحين لدور "المخرب" هو النيوترينوات اليمنى فائقة الثقل. وهي جسيمات توأم للنيوترينوات العادية، لكنها أثقل بمليارات المرات.

البلازارات هي أشعة طويلة الأمد من الثقوب السوداء في مراكز المجرات. انفجارات أشعة غاما هي أقصر الومضات عند انفجار المستعرات العظمى أو اندماج النجوم النيوترونية. الأولى تعمل ككشاف دائم، والثانية كفلاش تصوير. لكن تلاشي ضوئهما يخضع للقانون نفسه - قانون التبريد السريع.

الموجات الثقالية هي تموجات في نسيج الزمكان نفسه، تشبه اهتزازات وتر كوني عملاق. أجهزة الكشف التقليدية، مثل LIGO وVirgo، تلتقط "النغمات" منخفضة التردد — وهي اضطرابات ناتجة عن اندماج ثقوب سوداء ضخمة بكتل نجمية. ومع ذلك، توجد أيضًا موجات ثقالية عالية التردد — وهي ارتجافات فائقة السرعة بترددات في نطاق الميغاهرتز والغيغاهرتز.

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.

الموجات الثقالية — وهي تموجات في نسيج الزمكان تنشأ عن كوارث بعيدة مثل اندماج الثقوب السوداء — ضعيفة جدًا لدرجة أن رصدها مباشرة يشبه تمييز همسة وسط إعصار. غير أن الثقب الأسود قادر على تضخيم هذه الإشارة عدة مرات.

إن الثقوب السوداء الكونية في مراكز المجرات تشبه أشجار البانيان العملاقة: تمتد جذورها الهوائية الخيطية لكيلوفراسخ لتجلب المادة المغذية.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون مرجلًا يغلي. ولكن وفقًا لفرضية جديدة، برد فجأة لفترة قصيرة — أكثر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. في هذا العالم الجليدي، توقفت جسيمات المادة المظلمة، التي تشبه بندولات صغيرة، عن الحركة ولم تبدأ تذبذباتها.

مكنسة كهربائية قوية لا تبتلع الغبار فحسب، بل تبتلع أيضًا كيس جمع النفايات الخاص بها. هذا تقريبًا ما يفعله الثقب الأسود في مركز "النقطة الحمراء" - مجرة بعيدة حيث لا يأتي التوهج من الثقب نفسه، بل من غلافه الغازي الكثيف. هذا الغلاف سميك لدرجة أنه يشبه نجمًا باردًا منتفخًا. ومثل العديد من النجوم، له مجال مغناطيسي. يسقط الغاز على الثقب الأسود من جميع الجهات.

ينحني نسيج المكان تحت وطأة الثقل، مثل قماش الترامبولين المشدود. الموجات الثقالية هي تموجات تنبعث من الكوارث الكونية، كاندماج الثقوب السوداء مثلاً. فإذا صادف مسار هذه التموجات مجرة ضخمة أو مادة مظلمة خفية، فإنها تعمل عمل العدسة المكبرة: تحني الإشارة وتضخمها.

حجر يسقط في بركة ماء، فعند الشاطئ تكون الدوائر غير ملحوظة تقريبًا، بينما بالقرب من نقطة السقوط يغلي الماء. يتصرف المجال الكهربائي حول الشحنة بشكل مشابه: قريبًا يكون حادًا ومعقدًا، وعلى مسافة يتمدد إلى موجة منتظمة تحمل الطاقة. هذه المنطقة البعيدة يسميها الفيزيائيون منطقة الإشعاع. هناك يضعف المجال بنعومة، مثل دوائر الماء التي تتباعد دون تموجات.

في قاعة شاسعة وُضعت مئة شوكة رنانة. كل واحدة منها نجم نابض، بقايا نجم فائقة الكثافة تدور بسرعة جنونية وتبعث نبضات راديوية أدق من أي ساعة. عندما تمر موجة صوتية منخفضة عبر القاعة، تبدأ كل الشوكات الرنانة بالانحراف قليلًا في الوقت نفسه.

في مركز العديد من المجرات يوجد ثقب أسود فائق الكتلة. عندما يسقط الغاز عليه، يسخن ويضيء أشد سطوعًا من مجرة بأكملها — هذه نواة مجرية نشطة. أحيانًا ينطلق من هناك إعصار حقيقي: تيار من الغاز المتأين يندفع بسرعة تصل إلى عشرات بالمئة من سرعة الضوء.

تشبه المجرة فطيرة مضيئة مرصعة بالنجوم. إذا نظرت إليها بشكل مسطح، ترى كل شيء دفعة واحدة — الأذرع الساطعة والطبقات الداكنة من الغبار. لكن بمجرد إمالة الفطيرة، يتغير المشهد: تتراكب الطبقات ويختلط الضوء. هذا التأثير بالذات، كما اتضح، يخلق وهم الارتباط الوثيق بين إشعاع الراديو وأشعة غاما في الأنظمة النجمية البعيدة.

عندما تبدأ شوكة رنانة بالاهتزاز، فإنها تجعل الأوتار المجاورة تهتز أيضًا. وبطريقة مشابهة، تتصرف سحابة من الجسيمات فائقة الخفة (وتسمى أيضًا أكسيونات) حول ثقب أسود سريع الدوران. فالثقب الأسود، وكأنه محرك، يُدير الجسيمات، فتبدأ بإصدار موجات ثقالية — وهي ارتجاجات في نسيج المكان نفسه.

كشاف قوي يسلط ضوءه عبر ضباب كثيف. لا يُرى الشعاع نفسه، لكن الضباب يبدأ في التوهج بضعف – مما يكشف عن وجود الكشاف. مبدأ مشابه يعمل مع النيوترينوات: جسيمات شبه خفية تولد عندما تصطدم بروتونات سريعة من مجرات بعيدة بإشعاع الخلفية الكونية المنتشر (وهو خلفية ميكروية ضعيفة متبقية من الانفجار العظيم).

نافورة تنبثق من وسط المدينة بسرعة تفوق سرعة دراجة توصيل آلاف المرات. هذه «النافورة» — وهي نفاثة غاز تسارعت إلى 5500 كيلومتر في الثانية — رصدها علماء الفلك في المجرة GLIMPSED-329380. تقع هذه المجرة بعيدًا جدًا لدرجة أن ضوءها استغرق 13 مليار سنة للوصول إلينا: نحن نراها كما كانت عندما كان عمر الكون 800 مليون سنة فقط.

قام تلسكوب فيرمي على مدى 17 عاماً بتسجيل أشعة غاما الصادرة من النوى النشطة لـالمجرات التي تحتوي على ثقوب سوداء عملاقة في مركزها. يشبه توهج نفاثاتها نشازاً فوضوياً: فهو يتغير باستمرار.

الثقوب السوداء الصغيرة التي نشأت بعد نشأة الكون مباشرة، يجب أن تتبخر - تطلق كتلتها على شكل جسيمات غير مرئية. هذا ما تنبأ به ستيفن هوكينغ، وكان هذا 'تبخر هوكينغ' يسهم في توسع الكون الفتي. لكن إذا وُجدت جسيمات خارج نطاق الفيزياء المألوفة، فقد تتكثف سحابة حول ثقب أسود دوَّار.

الكوازارات الحمراء هي نوى لامعة لمجرات بعيدة، يكتنفها غبار يجعل ضوءها يميل إلى الحمرة. لاحظ علماء الفلك أن مثل هذه الكوازارات، أكثر من الكوازارات الزرقاء العادية، تمتلك انبعاثًا راديويًا مضغوطًا — أي موجات راديوية قادمة من منطقة بحجم مجرة أو أصغر. أخذ العلماء بيانات من ثلاثة تلسكوبات راديوية وفحصوا يدويًا 573 كوازارًا أحمر و1278 كوازارًا أزرق للمقارنة.

الثقوب السوداء ليست مجرد هواتٍ صامتة، بل شوكات رنّانة طبيعية. دورانها السريع، الذي تنبأ به روجر بنروز، يجعل الزمكان نفسه يغنّي، مولّدًا تيارًا من أخفّ الجسيمات - الأكسيونات. تتراكم هذه الجسيمات حول الثقب، كما يتردّد الصوت في قاعة حفلات، وتبدأ في الاهتزاز بتناغم.

يصف النموذج الكوني القياسي نشأة الكون كانفجار من نقطة تفرد — نقطة ذات كثافة لانهائية وانحناء لانهائي في الزمكان. غير أن هناك سيناريو بديلاً: في البداية انكمش الكون إلى حجم صغير للغاية، ثم حدث «ارتداد» — انتقال من الانكماش إلى التمدد، على غرار نابض مضغوط إلى حده الأقصى فيعود إلى التمدد.

لوحة النيون الكونية أضاءت في مجرة بعيدة جدًا: كل ضوئها يأتي تقريبًا من غاز ملتهب، وتختفي النجوم في هذا الوهج. سجل تلسكوب جيمس ويب أن الغاز - وهو مزيج من الهيدروجين والهيليوم - ساخن جدًا لدرجة أنه يتوهج بذاته.

إذا كان في مركز مجرة ثقب أسود فائق الكتلة، فإنه يسخن الغاز المتساقط عليه إلى درجات حرارة هائلة. هذا الغاز يتوهج، ونراه ككوازار — وهو ألمع منارة في الكون. ولكن كيف يمكن قياس حجم مصدر الضوء نفسه؟ يستخدم العلماء حيلة ذكية: يتتبعون مدى سرعة تغير السطوع عند ألوان مختلفة.