نبضة راديوية

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.

الوتر المشدود يُصدر نغمة أعلى إذا زدنا شدّه. وبطريقة مشابهة، تتصرف المغنطة في المغناطيسية المضادة: كلما زاد المجال الخارجي، زادت سرعة تذبذبها. لكن في بلورة أكسيد الكروم، حدث شيء غير متوقع. في مجالات تتراوح بين 20 و30 تسلا، يزداد تردد الرنين ببطء أكبر مما ينبغي.

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.

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.

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.

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.

يمكن تخيّل شعاع الليزر كدوامة سريعة تلتقط الإلكترون المار للحظات. بينما يتحرك الجسيم عبر النبضة، يتعرض لفّه — دورانه الذاتي، المشابه لدوران قمة دوّارة صغيرة — لدفعة ضعيفة. بعد الخروج من الحزمة، لم تعد القمة الدوّارة تشير إلى الاتجاه السابق: لقد انحرفت قليلاً.

شعاع مصباح يدوي يخترق الضباب. كلما كان الضباب أكثر كثافة، زاد تشتت الضوء وتأخر وصوله إلى العين. مبدأ مشابه يعمل مع ومضات الراديو السريعة، وهي نبضات غامضة فائقة القوة من مجرات بعيدة. تتفاعل موجاتها الراديوية، أثناء مرورها عبر الفضاء الكوني، مع الإلكترونات الحرة، وهي جسيمات منفصلة عن الذرات. هذا التفاعل يؤخر الإشارة: فكلما زاد عدد الإلكترونات في المسار، زاد التأخير.

وميض ضوئي يستغرق جزءاً من ألف من الثانية لا يسخّن الجسم — على عكس الوميض العادي الذي يستمر لثانية كاملة. اكتُشف تأثير مشابه في العلاج الإشعاعي: عندما تُعطى الجرعة الإشعاعية خلال ميلي ثانية بدلاً من دقائق، تتضرر الأنسجة السليمة بدرجة أقل. وقد سُمي هذا تأثير فلاش (FLASH).

يستمر الوميض جزءًا من ألف من الثانية، لكنه في هذه اللحظة يقذف من الطاقة ما تشعه الشمس في يوم كامل. تُلتقط هذه الإشارات، وهي ومضات راديو سريعة، بواسطة التلسكوبات منذ عام 2007، ولا يزال مصدرها لغزًا. يقدم العمل الجديد إجابة أنيقة: الأمر كله يتعلق بمضخم كوني. النجم المغناطيسي هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بمقدار كوادريليون مرة من مجال الأرض.

ظلت الانفجارات الراديوية السريعة - وهي نبضات راديوية تستغرق أجزاء من الثانية وتأتي من مجرات بعيدة - لغزًا لفترة طويلة. كانت طاقتها الهائلة، المحشورة في لحظات، تشير إلى أحداث كارثية على نجوم نيوترونية، ربما نجوم نابضة أو مغنطيسات. لكن فهم أين تولد الانفجارات بالضبط وما هي البيئة المحيطة بها، كان يعيقه غياب وسيلة تشخيص مباشرة.

قبل نصف قرن، لاحظ Фриц Цвикки أن المادة المرئية في تجمعات галактик غير كافية بشكل كارثي لتفسير الجاذبية. ونعلم اليوم أن جزءًا كبيرًا من المادة العادية — وهي الباريونات نفسها — يختبئ في بلازما متخلخلة بين النجوم والمجرات، في شبكة عملاقة من водорода وгелия.

النجوم النيوترونية، التي تولد في لهيب المستعرات العظمى، لا تكف عن إدهاشنا حتى بعد قرن تقريبًا من توقع وجودها. أشار كل من فريتز زفيكي وفالتر بادي في ثلاثينيات القرن الماضي إلى إمكانية وجودها، ثم اكتشفت جوسلين بيل بورنيل في عام 1967 النجوم النابضة — المنارات الكونية…

لغز الانفجارات الراديوية السريعة (FRB) ليس مجرد سؤال "ما الذي انفجر هناك؟". إنها دراما نقل الطاقة في ظروف قصوى، حيث يؤدي أدنى توقف إلى الانهيار. عندما اكتشفت جوسلين بيل بورنيل النجوم النابضة، سمع علم الفلك الراديوي لأول مرة الصرخة المتماسكة للنجوم النيوترونية.

الكون عبارة عن أوركسترا هائلة تعزف سيمفونية التوسع. تتباعد المجرات على إيقاع موسيقى غير مسموعة لـ الطاقة المظلمة. لكن المشكلة أن عصا القائد التي يحملها إدوين هابل وآدم ريس وفيرا روبين تحدد إيقاعين غير متوافقين.

منارة ترسل إشارة عبر عاصفة من المرايا الخاصة بها — هذا تقريباً ما تفعله الدفقات الراديوية السريعة عندما تحاول مغادرة محيط المغناطيس النابض. المغناطيس النابض هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بكوادريليون مرة من مجال الأرض. داخل غلافه المغناطيسي الداخلي، تتحول موجات الراديو بتردد الغيغاهرتز إلى موجات مغناطيسية صوتية خاصة وتدخل فوراً في رنين ثلاثي.

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 أوركسترا الذرات، لكل آلة مقطوعتها الخاصة. لكن في بعض الأحيان، يبدأ عازفان في العزف بتناغم — فيتضاعف الصوت عدة مرات. في العالم الكمومي، يُسمى هذا "التناغم" رنين فشباخ (Feshbach resonance). وهو يسمح بالتحكم في التفاعلات الذرية بدقة متناهية. رنين فشباخ ليس تطابقًا في النغمات، بل تطابقًا في الطاقات.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الأولية هو الإطار النظري الذي يصف جميع الجسيمات الأساسية المعروفة وتفاعلاتها. ومع ذلك، فهو لا يفسر طبيعة المادة المظلمة، التي تشكل حوالي ربع كتلة-طاقة الكون. للبحث عن مظاهرها، لا نحتاج دائمًا إلى مسرعات عملاقة.

منارة بعيدة تومض للحظة مضيئة أكثر من مجرة بأكملها. هذه ومضة راديوية سريعة (fast radio burst) — إشارة غامضة قادمة من أعماق الكون. بعضها يتكرر، وقد لاحظ الفلكيون غرابة: في هذه الومضات يتغير الاستقطاب بسرعة — وهي خاصية تُظهر كيف تكون الموجة الراديوية ملتوية في الفضاء. وكأن ضوء المنارة يبدأ فجأة بتغيير لونه أو سطوعه بين الومضات.

متزلج فني يدور على الجليد، يقترب تدريجيًا من المركز. مساره ليس حلزونيًا مثاليًا: أحيانًا يلتقط إيقاع الموسيقى ويقوم بدورة إضافية، فيغير سرعته قليلًا. هذا تقريبًا ما يفعله ثقب أسود صغير عندما يسقط على ثقب أسود فائق الضخامة. تُسمى هذه العملية بنسبة الكتل المتطرفة، وتنتج موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تلتقطها كواشف مثل LISA.

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).

عندما يغلي الماء في الغلاية، تنتشر موجات البخار في أرجاء المطبخ. وفي الفضاء، تجري عملية مشابهة في البلازما — الغاز المسخن بشدة لدرجة تنفصل فيه الإلكترونات عن الذرات. حول الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، هذه البلازما ليست مجرد ساخنة: فجسيماتها تندفع بسرعة تقارب سرعة الضوء.

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.

يعمل مقياس المغناطيسية الكمومي القائم على أنوية الهيدروجين كسماعات إلغاء ضوضاء نشطة. فهو 'يستمع' إلى المجال بطريقتين مختلفتين بالتناوب: الضوضاء متشابهة فيهما، بينما الإشارة المفيدة مختلفة. بطرح إحداهما من الأخرى، يعزل الجهاز الإشارة ويُضعف التشويش بأكثر من 1000 مرة.

النواة الذرية ليست مجرد كرة من البروتونات والنيوترونات. ففي داخلها، كما في مغناطيس صغير، توزيع خاص للمغناطيسية. حتى وقت قريب كان من الصعب رؤيته: فالنوى تعيش أجزاء من الثانية، ومجالها المغناطيسي ضعيف. الآن وجد فيزيائيون من سيرن طريقة للنظر إلى الداخل. أخذوا نظير البوتاسيوم-47 قصير العمر ووضعوه في مجال مغناطيسي قوي.

كاشف المادة المظلمة يشبه ميكروفونًا شديد الحساسية يستمع إلى الصمت. يلتقط دفعات حرارية متناهية الصغر — فونونات (phonons) — تنشأ عندما تصطدم جسيم ببلورة الكاشف. لكن بدلًا من الصمت، تسمع الأجهزة ضجيجًا لسنوات: عدد كبير من الإشارات الضعيفة التي تقل عن بضع مئات من الإلكترون فولت.

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.

النجم النيوتروني هو مدينة بحجم مدينة كبرى، مضغوطة إلى حجم كويكب صغير. حوله تغلي بلازما — غاز من جسيمات مشحونة، تمر عبره موجات مثل تموجات على سطح بركة. هناك ثلاثة أنواع من الموجات: ألففين (A)، وعادية (O)، وغير عادية (X). يمكن أن تتحول إلى بعضها البعض، وهذا التحول يتحكم في كيف نرى الضوء القادم من النجوم النابضة.

المنارة تظل صامتة معظم الوقت، لكنها أحيانًا تطلق ومضة بقوة تُرى من على بعد مئات الآلاف من الكيلومترات. هذا هو سلوك المغناطيسار XTE J1810-197 — نجم فائق الكثافة يمتلك مجالًا مغناطيسيًا هائلًا. من سبتمبر 2022 إلى يوليو 2023، التقطت التلسكوبات الراديوية التابعة لمعهد الأرجنتين لعلم الفلك الراديوي إشاراته.

التدفقات الراديوية السريعة هي ومضات راديوية لحظية من الفضاء البعيد. في جزء من الألف من الثانية، تطلق طاقة تعادل ما تشعه الشمس في شهر. أحد هذه التدفقات، بتكراره، سمح للعلماء بإلقاء نظرة على مركز انفجار نجمي حديث. تابع علماء الفلك الإشارة لمدة ثلاث سنوات ولاحظوا: كل عام كانت تصل أسرع، لأن سحابة الجسيمات المشحونة - 'الدخان' الكوني - كانت تتشتت.

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.

يلتقط التلسكوب الراديوي إشارة من سديم السرطان، وبدلاً من خط مستقيم تظهر على الشاشة خطوط فاتحة وداكنة، مثل جلد الحمار الوحشي. هذا هو انبعاث النجم النابض (pulsar) — نجم نيوتروني سريع الدوران خلفه انفجار مستعر أعظم. تنشأ الخطوط لأن موجات الراديو تصل إلينا ليس عبر مسار واحد بل عبر عدة مسارات، وتتراكب مع بعضها البعض، مثل الدوائر الناتجة عن رمي حجرين في الماء.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا يعزف فيها الإلكترونات والنوى على آلات مختلفة. عادةً، يحتاج قائد الأوركسترا إلى عصاتين: موجات دقيقة للإلكترونات وموجات راديوية للنوى. وجد علماء في اليابان طريقة للاكتفاء بعصا واحدة فقط، إذ جعلوا نبضات الموجات الدقيقة تتحكم في كل من النواة والإلكترون في آن واحد.

في الليل، عندما ينام معظم الناس، تواصل الطبق الضخم للتلسكوب الراديوي «غرين بانك» في فرجينيا الغربية الاستماع إلى السماء. خلال 24 186 ساعة — أي ما يقرب من ثلاث سنوات من المراقبة المتواصلة — التقط 50 نجمًا نابضًا وثلاث ومضات راديوية سريعة. الومضات الراديوية السريعة هي نبضات راديوية قصيرة لكنها قوية بشكل لا يصدق، تأتي من مجرات بعيدة.

تبعث الشمس باستمرار تيارًا من الجسيمات المشحونة، يتكون أساسًا من الهيدروجين – الرياح الشمسية. أحيانًا تقذف الشمس كتلًا كثيفة من الغاز الممغنط، يسود داخلها الهدوء عادةً. لكن في عام 2000، لاحظ العلماء في إحدى هذه السحب منطقتين يضطرب فيهما الغاز.

ومضات غاما القصيرة ومضات غاما — انفجارات لحظية لكنها هائلة الطاقة — تنشأ عن اندماج نجوم نيوترونية، وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة، حيث يُضغط المادة إلى كثافة نووية.

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.