مقياس الدوران

على طريق ضيق تسير قافلتان باتجاه بعضهما البعض. الأولى واسعة وبطيئة، تحمل حمولة الكثافة. والأخرى سلسلة من العربات الخفيفة تحمل التيار، تنزلق بين الأولى. هكذا في تفريغ الماجنترون تتعايش بنيتان تدوران في اتجاهين متعاكسين: سنبوكة الكثافة وخيوط التيار. لفترة طويلة كان من غير الواضح كيف تخلق السنبوكة الدوارة واسعة النطاق والاضطرابية صغيرة النطاق معًا النقل الشاذ للإلكترونات عبر المجال المغناطيسي.

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.

تخيّل وترًا مشدودًا بين وتدين. أدنى لمسة تجعله يهتز، ومن طبقة الصوت يمكنك تخمين كيف لُمِس. وترًا مشابهًا مدّه فيزيائيون من جامعة أريزونا، ليس في آلة موسيقية، بل على غشاء سيليكون بسمك مئة نانومتر. لكن بدل الصوت، يستمعون إلى الضوء المنعكس عن شبكة صغيرة مرسومة على هذا الغشاء. الشبكة هي نمط دوري من خطوط بمسافة تقارب 700 نانومتر، أي أقل من طول موجة الضوء المستخدم.

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.

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.

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.

قمة دوارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنها تجعل الضوء حولها يلتف في حلزونات — هذه صورة معبرة لما يحدث عند أفق الثقب الأسود. البلازما شديدة الحرارة تسقط فيه وتصدر موجات راديو. استقطاب هذه الموجات (أي المستوى الذي تتأرجح فيه الموجة) يصبح سهمًا يشير إلى اتجاه تدفق الطاقة.

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.

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.

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.

أربع برك صغيرة، وفيها تموج قطرات من سائل فائق الميوعة. هذه القطرات هي ذرات مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، ومقترنة في أزواج مثل مغناطيسات صغيرة. عندما يدور الهيكل بأكمله، يتدفق السائل بين البرك. يكفي ببساطة عدّ عدد القطرات في كل بركة — فتصبح الزاوية وسرعة الدوران معروفتين. عادةً، تكون هذه القياسات محدودة بالضوضاء الكمومية — وهي تموجات لا يمكن إزالتها تطمس الصورة.

تتحرك قمة شجرة ضخمة مع الريح، لكن الجذور والجذع مخفية تحت الأرض. على الشمس، تلعب الحقول المغناطيسية دور هذه الجذور غير المرئية. تخرج من الأعماق، وتخترق الغلاف الجوي بأكمله، وتتحكم في حركة الغاز الساخن – البلازما. من الصعب جدًا رؤية هذا الارتباط مباشرة، خاصة في الطبقات العليا حيث يجب أن تهيمن القوى المغناطيسية على قوى الغاز.

تصل موجات الراديو من المستعر الأعظم — الموت الكارثي لنجم ضخم، الذي يخفت توهجه للحظات مجرة بأكملها — إلى الأرض مستقطبة. وهذا يعني أن مجالها الكهربائي يهتز بشكل أساسي في مستوى واحد، مثل إبرة بوصلة ثابتة في مجال مغناطيسي.

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.

الضوء، مثل حبل هُزّ، يهتز في مستوى معيّن. كثيرًا ما يلجأ الفلكيون والمهندسون إلى تدوير الصورة باستخدام نظام من ثلاث مرايا يُعرف باسم "مرآة K"، لكن في هذه العملية ينعطف مستوى اهتزاز الضوء أيضًا دون قصد. وهذا يمثّل مشكلة للقياسات الدقيقة.

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.

في أعماق الفضاء، نجم نيوتروني سريع الدوران، نجم نابض يُلقّب بـ«المنارة»، يندفع عبر غاز متخلخل. وكأنه زورق سريع يشق الماء، يترك خلفه أثرًا مضيئًا من الجسيمات المشحونة. يُرى هذا الأثر في الأشعة السينية كذيل ساطع وخيط رفيع يمتد لسنوات ضوئية عديدة. النجم النابض هو بقايا فائقة الكثافة لنجم منفجر، يدور عشرات المرات في الثانية ويطلق حزمًا ضيقة من الإشعاع.

الضوء الصادر عن طبقات رقيقة من أشباه الموصلات قد يكون مستقطبًا — أي أن موجاته تهتز في مستوى واحد. في السابق، كان يُعتقد أن اتجاه الاهتزاز يُحدد بواسطة إضاءة العينة. لكن تجارب جديدة على طبقتين من مادتين مختلفتين (WSe2 و WS2) أظهرت خلاف ذلك: عند التبريد إلى درجات حرارة فائقة الانخفاض، لا يتغير استقطاب الضوء تقريبًا مهما كانت طريقة الإضاءة. السبب هو تشوه الشبكة البلورية.

كرة صغيرة بحشوة حديدية تستقر على سطح، ويدور حولها مجال مغناطيسي. تبدأ الكرة بالتدحرج مثل عجلة، وعادةً تتحرك في اتجاه دوران المجال. لكنها أحيانًا تنعكس فجأة وتتدحرج في الاتجاه المعاكس — عكس اتجاه المجال.

كومة من الورق: إذا كانت الأوراق مكدسة بدقة فوق بعضها، يمر الضوء عبرها بشكل متساوٍ. لكن بمجرد إدارة ورقة بضع درجات، يتغير المشهد. هذا ما تفعله الطبقات في بعض المواد تقريبًا: أدرها بالنسبة لبعضها البعض — فتتغير الخصائص، وأحيانًا بشكل جذري. التحليل الطيفي لا علاقة له بالأمر — أو بالأحرى، ليس هو الأسلوب المستخدم. بنى العلماء جهازًا أطلقوا عليه اسم المجهر الكمومي للّف.

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.

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.

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.

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.

المجال المغناطيسي غير مرئي، لكن يمكن سماعه. ذرات الروبيديوم داخل خلية زجاجية تستجيب له كما تستجيب الأوتار للقوس: الموجات الراديوية تجعلها تتأرجح بين حالات الطاقة. تردد هذه التذبذبات يعتمد على قوة المجال، بينما تعتمد سعته على اتجاهه. التحليل الطيفي يحول هذه التذبذبات إلى إشارة قابلة للقياس. دقة الاتجاه تبلغ 80 ميكروراديان.

في المختبرات حيث تُبرَّد الذرات إلى ما يقارب الصفر المطلق، حتى التغير الطفيف في المجال المغناطيسي يخل بكل الإعدادات. المستشعرات التقليدية — مثل ألواح هول أو الملفات ذات النواة الفريتية — توضع على بُعد بضعة سنتيمترات من غرفة التفريغ، لأنها هي نفسها تُحدث تشويشًا. لكن هذا البعد يعني أنها لا تستشعر المجال في الموضع الذي توجد فيه الذرات بالضبط.

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.

نجم نيوتروني بحجم مدينة يدور أسرع من خلاط المطبخ ويقذف الجسيمات حوله. يتشكل حوله سحابة مضيئة تسمى الهالة النابضة (pulsar halo). يعتمد شكل هذه السحابة على الحقول المغناطيسية غير المرئية التي توجه الجسيمات مثل التيارات في المحيط. اتضح أن اثنتين من هذه الهالات، حول النجمين النابضين جيمينجا ومونوجيم، غير متماثلتين، وكان هذا مفتاح الحل.

خرطوم الحديقة يضخ تيارًا قويًا من الماء. إذا ضغطت عليه قليلًا أو هززته، يبدأ التيار في التلوي مثل أفعى، وتتطاير رذاذ الماء في كل اتجاه. شيء مشابه يحدث مع النفاثات البلازمية العملاقة التي تقذفها الثقوب السوداء. هذه النفاثات ملتوية بواسطة الحقول المغناطيسية وقد تفقد استقرارها، فتبدأ في التذبذب.

ألماسة صغيرة تطفو في الهواء، مثبتة بمجال كهربائي، مثل ذرة غبار في شعاع ضوء. داخلها عيوب خفية — أماكن استُبدل فيها ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. تتصرف هذه العيوب كمغناطيسات يمكن قلبها بالليزر وأشعة الميكروويف. عندما تنقلب المغناطيسات، تدفع الألماسة قليلاً. الدفعة صغيرة جداً — كما لو أن نملة نفخت على كرة قدم. لكن الألماسة خفيفة جداً ومعلقة بشكل جيد لدرجة أن هذا يكفي لتدور.

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.

المغناطيس على الثلاجة يلتصق بها لأن الإبر الذرية الصغيرة بداخله تصطف في اتجاه واحد. لكن ميكانيكا الكم تجعل هذه الإبر تهتز، فيصبح المغناطيس الكلي أقل من المثالي. في العمل الجديد، اقترح الفيزيائيون قياس هذا الاهتزاز من خلال كيفية انعكاس النيوترونات - وهي جسيمات غير مشحونة من نواة الذرة - عن العينة. في التجربة، يتم توجيه شعاع من النيوترونات نحو مادة مغناطيسية.

رصد التلسكوب الراديوي VLA سديم بوميرانج — سحابة نفختها الرياح القادمة من نجم نيوتروني سريع الدوران. في الصور الجديدة ظهرت تفاصيل بحجم قرص القمر في السماء: نواة ممدودة حول النجم النابض وقوس طويل يلتف حولها من الشمال. القوس لا يلامس النواة — بينهما فجوة مظلمة، مثل المسافة بين الشاطئ والموجة.

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.

في السحابة المظلمة L43، حيث تولد النجوم، تدور حبيبات الغبار مثل بوصلات صغيرة. ضوء النجم الشاب يدفعها، بينما المجال المغناطيسي يصطفها في اتجاه معين. عندما تكون الحبيبة موجهة نحونا بجانبها، يصلنا دفؤها مستقطبًا — مثل الضوء الذي يمر عبر شق ضيق. من خلال هذا الاستقطاب، يقرأ علماء الفلك خريطة الخطوط المغناطيسية.

يمكن للضوء أن يرسم أنماطًا داخل العين مباشرة — دون شاشة أو نظارات. عندما يدخل شعاع ذو شكل خاص إلى بؤبؤ العين، فإنه يُنشئ في مجال الرؤية أشعة داكنة تشبه قضبان عجلة دوّارة. يرى الشخص هذه الأشعة بنفسه، لأنها تولد في خلايا الشبكية وليس من الخارج. يُسمى هذا النمط "بالنمط الداخلي الرؤية" (entoptic) — أي "مرئي من الداخل".

يسقط شعاع ضوء مستقطب دائريًا على بلورة بيروفسكايت MAPbI3. تبدأ الإلكترونات داخل البلورة في التصرف مثل قمم دوارة صغيرة، تستوي محاورها على طول الشعاع. تُعرف هذه الظاهرة بالتوجيه البصري للسبينات. عند درجة حرارة حوالي 4 كلفن (أي 269 درجة مئوية تحت الصفر)، طبق العلماء مجالًا مغناطيسيًا ورأوا كيف تفقد السبينات اتجاهها.

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.

البوصلة المغناطيسية العادية تتجمد عندما يضرب البرق في مكان قريب. القفزة المفاجئة في المجال المغناطيسي تربك الإبرة. مشكلة مماثلة كانت تعيق العلماء عن قياس مغناطيسية المواد في مجالات نابضة قوية — تلك التي تعمل لجزء من الألف من الثانية. المنشأة الجديدة تحل هذه المشكلة باستخدام شعاع ليزر.