ثوران شمسي

في قدر على الموقد، يبدأ الماء بالغليان من الأسفل، قبل وقت طويل من غليان الكل. فقاعات البخار ترتفع من القاع، رغم أن الموقد نفسه لم يسخن بعد. هذا تقريبًا ما يحدث في الغلاف الجوي للشمس قبل التوهج: تندفع تيارات المادة إلى الأعلى من الطبقات العميقة، رغم أن المصدر الرئيسي للتسخين، وفقًا للتصورات السابقة، لم يُشعل بعد.

داخل التوهج الشمسي، تتمزق الخطوط المغناطيسية مثل حبال مطاطية مشدودة، وتتشابك من جديد، محررةً في دقائق طاقة تكفي البشرية لملايين السنين. في المختبر، طالما عرف العلماء كيفية إحداث هذه العملية، إعادة الاتصال المغناطيسي، لكنهم لم يعرفوا كيفية إيقافها. الآن، أصبح لدى الفيزيائيين مفتاح.

يبدأ الانهيار الثلجي في كومة رملية بحبة رمل واحدة. لا أحد يعرف أين ستتحرك بالضبط أو مدى كبر الانهيار. لكن إذا سكبت الرمل لفترة طويلة، ستصل الكومة نفسها إلى حالة تحدث فيها الانهيارات بجميع الأحجام - من الانهيارات الصغيرة إلى الانهيارات العملاقة - وفقًا لنفس القانون. يسمي الفيزيائيون هذا بالتنظيم الذاتي الحرج: نظام بدون تحكم خارجي يحافظ على نفسه عند الحد الذي قد يكون فيه كل حدث هو القشة الأخيرة.

البقعة الشمسية — جزيرة مظلمة على سطح ناري — تعيش حياة صاخبة. تحتها، في الأعماق غير المرئية، تسبح حلقات مغناطيسية عملاقة تشبه الحبال الملتوية. عندما تطفو إحدى هذه الحلقات إلى السطح، قد تفرغ شحنتها في توهج — وتقذف سحبًا من الجسيمات المشحونة إلى الفضاء. لطالما حاول العلماء فهم ما الذي يحدد قوة هذه الأحداث ومفاجأتها.

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.

لغز وادي الأقطار — الانخفاض الحاد في عدد الكواكب الخارجية التي يبلغ نصف قطرها نحو 1,8 من نصف قطر الأرض — يُؤرِّق علماء الفلك. ترسم أرصاد العبور من كيبلر وTESS، وجيمس ويب، فجوة واضحة: الكواكب الأرضية الهائلة الصخرية والكواكب النبتونية الصغيرة الغازية تفصل بينها هوة تقريبًا.

في هدوء السحب الجزيئية الباردة، حيث الغاز بين النجمي ينضغط بفعل الجاذبية إلى تكتلات كثيفة، تُعد ولادة النجوم الضخمة واحدة من أكبر ألغاز الفيزياء الفلكية. قد يبدو أن الإشعاع القوي للعملاق حديث الولادة من شأنه أن يبدد المادة المحيطة، موقفًا نموه.

في عالمٍ قُيّد في شبكة بلورية وبُرِّد إلى ما يقارب الصفر المطلق، تعرف المادة كيف تخفي أسرارها الكبرى. السائل الكمومي المغزلي هو حالة لا تتجمد فيها اللفات المغزلية للإلكترونات أبداً حتى عند درجة حرارة الصفر، وتبقى في تراكب متلألئ أبدي.

الفضاء السحيق، مركز المجرة. ثقب أسود فائق الكتلة محاط بقرص ملتهب من الغاز والغبار. وفجأة، عبر هذا الحجاب الناري، يمر نجم كل بضع ساعات — كسهم أُطلق من قوس الجاذبية. كل عبور له ينتج توهجاً سينياً مبهراً يخفت لبضع لحظات سطوع نواة المجرة بأكملها.

الفضاء مليء بالمجالات المغناطيسية. توجد في المجرات والنجوم وحتى في الفراغات الكونية الشاسعة (فجوات هائلة بين تجمعات المجرات). يُعتقد عادةً أن هذه المجالات تتقوى من مجالات «بذورية» ضعيفة بفضل الاضطراب (turbulence) — تمامًا مثل مولد كهربائي. لكن طبيعة المجالات البذورية نفسها ظلت لغزًا. يقدم العمل الجديد آلية غير متوقعة.

في صيف عام 2021، قدّم المذنب 7P/Pons-Winnecke عرضًا حقيقيًا. شبكة التلسكوبات Las Cumbres Observatory تابعت المذنب لما يقرب من ثلاثة أشهر ورصدت ثماني ومضات مفاجئة. كل ومضة تشبه غطاءً يُخلع من السطح: تنطلق سحابة من الغبار والغاز إلى الفضاء، ويصبح المذنب أكثر سطوعًا لفترة قصيرة.

في أطراف النظام الشمسي تختبئ آلاف الأجسام المماثلة في الحجم لـكوكب خارجي — جسم كتلة كوكبية غير مرتبط بنجمنا. مداراتها فوضوية، ومن وقت لآخر يتقاطع مسار مثل هذا الرحّالة مع مسار الأرض. الاصطدام المباشر ليس التهديد الوحيد: حتى الاقتراب القريب يمكن أن يسبب كارثة بمقياس كوكبي.

سلك الهاتف الملتوي بشدة ينقطع وينثر الشرر. هكذا تسلك الحقول المغناطيسية على الشمس: تلتف، تنقطع، وتتصل مجدداً، مغذية الانفجارات. رأى الفلكيون هذه العملية مباشرة لأول مرة. كانت إحدى الحلقات ملتوية بزاوية 540 درجة — دورة كاملة ونصف. هذا أقوى بثلاث مرات مما كان يُعتقد أنه ممكن.

خرطوم إطفاء يصيب كومة ثلج. الماء لا يزيح الثلج فحسب، بل عند نقطة الاصطدام تتطاير رذاذ وبخار ويحدث دوي. هذا تقريبًا ما تفعله النفاثات — تيارات ضيقة من المادة تنطلق من محيط الثقب الأسود بسرعة هائلة. عندما يصطدم مثل هذا التيار بسحابة من الغاز بين النجمي، فإنه لا يخترقها، بل يولّد موجة صدمة تضغط الغاز وتجعله يتوهج.

التصفيق باليدين يضغط الهواء فينتشر في كل اتجاه — هذه أبسط صدمة. في الفضاء، تلعب النجوم المنفجرة دور الكفين: موجات صدمتها تضغط الغاز فجأة وتطلق خلطًا فوضويًا — اضطرابًا. لكن كيف تتحول طاقة الانفجار بالضبط إلى دوامات بأحجام مختلفة ظل لغزًا طويلاً، إذ يصعب رؤية التفاصيل في السدم البعيدة. للنظر إلى هذه العملية، بنى الفيزيائيون نموذجًا مصغرًا.

يُفتح صندوق عائلي قديم يحوي كنوزًا، فنجد بداخله حليًا كان يُظن أنها معاصرة للجدة الكبرى. ولكن فجأة يتبين أن الذهب أُعيد صهره، والأحجار قُصّت من جديد، وأن ذلك حدث في وقت متأخر جدًا عما كان يُعتقد. قصة مشابهة حدثت مع أقدم الجسيمات في النيازك — وهي الشوائب الغنية بالكالسيوم والألومنيوم، أو CAI. عمرها حوالي 4.567 مليار سنة، وتُعتبر أول الأجسام الصلبة التي تكثّفت في السحابة الكوكبية الأولية.

يندفع تيار من الغاز شديد الحرارة من النجم — وفجأة يتوقف، وكأنه اصطدم بجدار غير مرئي. هذا بالضبط ما رآه الباحثون عندما حاولوا إعادة إنتاج الانبعاث النجمي على نطاق مخبري. استخدموا ليزرًا، فأنشأوا نفاثة بلازما وأطلقوها عبر مجال مغناطيسي — أولاً ضعيف، ثم قوي، مثل مجالات النجوم الكثيرة. مع المجال الضعيف (حوالي 30 غاوس عند ترجمته إلى الظروف النجمية) طارت البلازما بحرية.

في سحابة كثيفة من الغاز والغبار، حيث تولد النجوم العملاقة، رصد تلسكوب ALMA شيئًا مألوفًا. أربع نفاثات غازية رفيعة تنطلق من المنطقة نفسها، وكل واحدة تترك خلفها سلسلة من العُقَد المضيئة — مثل خط متقطع. كل عقدة هي «طلقة» منفصلة: النجم يقذف الغاز ليس في تدفق منتظم، بل على دفعات مع فترات توقف. نفاثتان تنحنيان مثل حرف S.

تظهر أحيانًا على الشمس سحب هائلة من البلازما تحاول الاندلاع إلى الفضاء. لكنها غالبًا لا تنجح في ذلك: قفص مغناطيسي غير مرئي يبقيهم قرب السطح. تسمى هذه الاندلاعات الفاشلة "محبوسة". بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لفهم كيفية عمل هذا القفص بالضبط.

حول بعض النجوم الثنائية القريبة، حيث يسحب القزم الأبيض المادة من نجمه المرافق، لاحظ علماء الفلك قوسًا مضيئًا. اعتُبر هذا القوس موجة صدمة — المكان الذي تصطدم فيه الرياح النجمية السريعة بالغاز بين النجمي. لكن الملاحظات الجديدة تُظهر أن القوس ليس واحدًا.

البلازما الساخنة في التوكاماك تشبه حيوانًا صعب المراس: يجب احتجازها، لكن دون السماح لها بالسخونة الزائدة. في مفاعل ASDEX Upgrade تم العثور على نمط حيث تحل دوامات البلازما هذه المشكلة بنفسها. أظهرت النمذجة العشوائية أن التذبذبات عند حافة البلازما تقذف كتلًا إلى الخارج — مثل فقاعات من قدر يغلي.

تحدث على الشمس من وقت لآخر توهجات (flares) — وهي انبعاثات طاقة قوية تستمر من دقائق إلى ساعات. معظمها عشوائي، مثل قطرات المطر التي تضرب السقف. لكن في بعض الأحيان، يبدو أن توهجًا يُشعل توهجًا آخر: يبدأ الثاني بعد الأول مباشرة تقريبًا، رغم أنهما في مكانين مختلفين. يطلق علماء الفلك على هذا اسم التوهجات المتعاطفة (sympathetic flares). لفترة طويلة، لوحظت هذه التوهجات المزدوجة على الشمس فقط.

العاشر من أكتوبر 2024. أطلقت الشمس سحابة من البلازما الممغنطة باتجاه الأرض — وقامت أربعة مركبات فضائية، تقف عند نقطة واحدة بين الشمس والأرض، بتسجيل كيفية غليان هذه السحابة في وقت واحد. المسافة بين المسبارين الأقصىين هي 80 نصف قطر أرضي فقط، أي حوالي نصف مليون كيلومتر. وبالمقاييس الكونية، هذا مثل أربعة عوامات في ميناء واحد. لكن تسجيلات العوامات كانت مختلفة.

النجم الشاب B335، الذي لم ينضج بعد، عطس فجأة — لدرجة أن هذا العطس لا يزال مستمرًا حتى الآن. لاحظ علماء الفلك التوهج في الضوء المتناثر من تجويف تدفقه، وقد أتاح فرصة نادرة لرؤية كيف يؤثر هذا الانبعاث الطاقي على النفاث (jet) — وهو تيار الغاز المنطلق من محيط النجم.

تقذف الشمس أحيانًا سحبًا كاملة من الجسيمات المشحونة في الفضاء. عادةً، تصل أسرعها — تلك ذات الطاقة الأعلى — إلى المسبار أولاً، مثل العدّائين في سباق طويل. لكن في 5 سبتمبر 2022، رصد مسبار باركر، الذي يحلّق أقرب إلى الشمس من أي مسبار آخر، أمرًا غريبًا: جسيمات متوسطة الطاقة وصلت قبل السريعة والبطيئة على حد سواء. على الرسم البياني، يبدو هذا وكأنه «أنف» — نتوء في المنتصف حيث وصلت الجسيمات مبكرًا جدًا.

تحدث على الشمس بين الحين والآخر انفجارات تقذف إلى الفضاء سحبًا هائلة من الجسيمات المشحونة. تندفع هذه السحب نحو الأرض وقد تعطل الأقمار الصناعية وتشوش الاتصالات اللاسلكية بل وتترك المدن بدون كهرباء. ظل العلماء لفترة طويلة غير قادرين على فهم سبب عدم بدء هذه الانبعاثات فورًا، بل يبدو أنها تتردد قبل الانقضاض.

تقذف الشمس من وقت لآخر سحبًا هائلة من البلازما إلى الفضاء - وهي الانبعاثات الكتلية الإكليلية. وغالبًا ما تتشابك داخل هذه السحب بارزات شمسية - وهي كتل أكثر برودة وكثافة من المادة. وهي تحتوي على الكثير من الذرات المحايدة التي تتوهج بشكل ساطع في خطوط طيفية معينة. استخدم علماء الفلك جهاز UCoMP، الذي يقيس استقطاب الضوء في خط الهيليوم تحت الأحمر عند طول موجة 1083 نانومتر.

تصرف التوهج الشمسي في 3 يونيو 2012 وكأنه أوركسترا يدخل فيها عازف منفرد ثانٍ بشكل غير متوقع بعد الأداء الرئيسي. في البداية، سجلت الأجهزة اندفاعًا حادًا لأشعة غاما بطاقة تتجاوز 100 ميغا إلكترون فولت — وكأن مليارات الرصاصات الصغيرة ضربت الكواشف دفعة واحدة. ثم، بعد فترة توقف قصيرة، اشتد الإشعاع مرة أخرى واستمر لأكثر من ثماني دقائق.

التوهج الشمسي كالرعد في سماء صافية: انفجار طاقة قصير لكنه عنيف. التقط التلسكوب الراديوي ميركات في جنوب أفريقيا أحد هذه التوهجات من الفئة M1.3 وفحصه بدقة غير مسبوقة. الأدوات المعتادة ترى إما تفاصيل ساطعة أو خافتة، لكن ليس كلاهما معًا. تمكن ميركات من رؤيتهما معًا، مثل أذن تسمع دق الطبلة وحفيف الأوراق في آن واحد. في نطاق الراديو، ظهر التوهج كمصادر منفصلة متعددة.

في المحيط، تظهر أحيانًا موجة عملاقة منفردة تنشأ من العدم ثم تختفي. هذه الموجات القاتلة نادرة لكنها خطيرة. ومضات نادرة وقوية مماثلة تحدث في أنظمة أخرى — من الأسواق المالية إلى الليزر. المشكلة أنها صعبة التنبؤ، بل وأصعب في الاستدعاء عند الطلب. في العمل الجديد، استخدم الفيزيائيون ليزر شبه موصل — مصدر ضوء صغير موجود في مشغلات DVD وخطوط الألياف البصرية.

التوهج الشمسي يشبه انفجارًا في الغلاف الجوي للنجم: في دقائق تُطلق طاقة تعادل مليارات القنابل النووية. في 4 مايو 2022، كان التلسكوب الراديوي RT-7.5 في موسكو يرصد توهجًا من الفئة M5.7. التقط الجهاز موجات راديوية ميليمترية — وهي موجات أقصر من سنتيمتر وغير مرئية للعين. بعد النبضة الرئيسية للتوهج، عندما بدأ السطوع في الانخفاض، لاحظ التلسكوب ارتفاعًا جديدًا في الإشعاع عند تردد 93 جيجاهرتز.

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.

على الشمس، تنطلق بين الحين والآخر نفاثات ضيقة من البلازما — وهي النفاثات الإكليلية. تشبه نوافير الغاز شديد الحرارة التي تُقذف من الغلاف الجوي للنجم. أحد هذه الاندلاعات، الذي حدث في 10 نوفمبر 2022، لفت انتباه العلماء: فقد كان مصحوبًا بتوهج من الفئة C1.1 وكان له مخروط عريض بشكل غير عادي.

في 31 ديسمبر 2023، حدث على الشمس توهج من الدرجة القصوى — توهج تُطلق خلاله طاقة تعادل طاقة مليارات القنابل الذرية في غضون دقائق. وبرفقة هذا التوهج، انفصل عن السطح بروز شمسي ضخم — سحابة من الغاز شديد الحرارة انطلقت بعيدًا عن الشمس بسرعة تقارب 3000 كيلومتر في الثانية. هذا الانبعاث، مثل زورق سريع يبحر بأقصى سرعة، خلق أمامه موجة صدمة في الهالة الشمسية.

التوهج الشمسي يشبه انفجارًا في الغلاف الجوي: ساطع، سريع، وله 'أصوات' مختلفة. تأتي الأشعة السينية من إلكترونات تسارعت ثم توقفت فجأة، مبددة طاقتها. لكن في عام 2017، التقطت كواشف على القمر الصناعي فيرمي إشارة أخرى — أشعة غاما لم تتناسب مع هذه الصورة.

في الأول من أكتوبر 2024، حدث على الشمس توهج من الفئة X7.1 — وهو من أقوى التوهجات. راقبت مركبتان فضائيتان، HXI وSTIX، التوهج من جهتين مختلفتين، كعينين، وبمساعدة نموذج حاسوبي، أعادتا بناء الصورة ثلاثية الأبعاد. في ذروة التوهج، ومض إشعاع الأشعة السينية مرتين، وفي كل مرة ظهرت بقع ساطعة على سطح الشمس في أماكن مختلفة.

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.

كسوف الشمس الكلي هو لحظات نادرة يغطي فيها القمر القرص الشمسي المضيء، ويصبح الغلاف الجوي الخارجي للشمس، أي الإكليل، مرئيًا. في الضوء الأبيض، يمتد الإكليل لعشرات أنصاف أقطار الشمس، وتظهر في الصور بنى دقيقة: حلقات دوامية، وموجات تشبه تموجات الماء، وانبعاثات بلازما ضخمة. في السابق، كان علماء الفلك يرونها فقط بالقرب من الشمس، لأن لقطات الكسوف محدودة بمجال رؤية الكاميرا.

القزم الأحمر V374 بيغاسوس نجم بحجم ثلث الشمس، لكنه يتمتع بطابع بركاني. كل بضع ساعات، تنفصل عن سطحه كتل ضخمة من البلازما، مثل فقاعات بخار من مرجل يغلي. هذه الانبعاثات، التي تسمى البروزات الشمسية (solar prominences)، تنطلق إلى الفضاء وتحدث موجات راديوية. لطالما التقط علماء الفلك من هذا النجم إشارات راديوية قوية تشبه نبضات المنارة.

الأشعة الكونية تشبه المطر الغزير الذي ينهال من كل جانب. لكن ما إن تهب الرياح حتى تغير القطرات اتجاهها. هكذا العاصفة الشمسية - سحابة من الغاز الممغنط من الشمس - تحرف مسار هذه الجسيمات التي تترسب عادة على الأرض بانتظام. الأشعة الكونية رسل غير مرئية من مجرات بعيدة.