مادة فائقة الكثافة

خلف مدار نبتون، يمتد محيط من الجزر الجليدية التي لم تتغير كثيرًا على مدى أربعة مليارات سنة. هذه الجزر، التي تسمى الأجسام الواقعة وراء نبتون، تحفظ وصفة نشأة الكواكب. حتى وقت قريب، لم يكن علماء الفلك يرون إلا الكبير منها، بينما ظلت الصغيرة، بحجم مدينة، غير مرئية. الآن، نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي في هذا الظلام أعمق من أي وقت مضى، وأعاد حساب حتى الجليد الذي يبلغ عشرة كيلومترات.

في سحابة كثيفة من الغاز والغبار، حيث تولد النجوم الضخمة، مرّ نجمان شابان قريبين جدًا من بعضهما مؤخرًا. رقصتهما تستمر حوالي ستين عامًا فقط، ولأول مرة تمكن علماء الفلك من رؤيتها بالتفصيل. يقع النظام IRAS 07299−1651 على بعد 1.4 كيلو فرسخ فلكي منا، وخلال ثماني سنوات من الرصد، تحرك مكوناه في السماء مسافة لا تستطيع العين تمييزها، لكن الأجهزة سجلتها بدقة تصل إلى جزء من عشرة آلاف من الثانية القوسية.

في أعماق النجم النيوتروني، حيث تكون المادة مضغوطة إلى كثافة النواة الذرية، تشكل النيوترونات سائلًا فائق الميوعة، بينما تشكل البروتونات موصلًا فائقًا. الدوامة النيوترونية هي دوامة كمية في السائل فائق الميوعة، تشبه دوامة مائية مصغرة لا يمكن أن تتوقف. أنبوب التدفق البروتوني هو خيط كمي من التدفق المغناطيسي، أنبوب رفيع يخترق المجال المغناطيسي من خلاله الموصل الفائق.

النجم النيوتروني هو بقايا فائقة الكثافة بعد انفجار نجم ضخم. المادة فيه مضغوطة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته قد تزن مليارات الأطنان. في هذه الظروف القاسية، يمكن للبروتونات والنيوترونات المألوفة أن تعيد ترتيب نفسها، منتجة جسيمات جديدة تُعرف بالهايبرونات.

النجم النيوتروني هو بقايا مضغوطة لنجم ضخم بعد انفجار مستعر أعظم. المادة فيه مضغوطة إلى الكثافة النووية: ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن مثل جبل. في هذه الظروف القصوى، تكون البروتونات والنيوترونات متراصة، وتحت ضغط هائل قد تولد هيبرونات — وهي باريونات تحتوي على كوارك غريب.

«فرجار» فضائي سيقيس قريبًا النجم النيوتروني بدقة تصل إلى مئة متر. بالنسبة لجسم يبلغ قطره عشرين كيلومترًا أو نحو ذلك، هذا يعادل قياس سُمك شعرة إنسان من مسافة كيلومتر. النجم النيوتروني هو بقايا مستعر أعظم منفجر. المادة فيه مضغوطة بشدة لدرجة أن ملعقة صغيرة منها تزن مليارات الأطنان.

مئة وأربعون فرسخًا فلكيًا — مسافة يقطعها الضوء في أربعة قرون ونصف — تفصلنا عن سحابة الثور الجزيئية. في أعماقها تختبئ تكثفات مظلمة: نوى ما قبل نجمية، حيث يتقلص الغاز والغبار الكوني ببطء تحت ثقلهما. كل ذرة غبار هنا هي نواة تكثف مجهرية، ترتدي عباءة من جليد الماء. هذا الجليد هو الخزان الرئيسي للأكسجين ومواد البناء المستقبلية للكواكب.

حفنة من الرمل في قبضة اليد: حبيبات الرمل تتكئ على بعضها البعض، ولا تنغلق اليد أكثر. المادة العادية تتصرف بشكل مشابه. لكن في النجم النيوتروني، يكون الضغط أقوى بمليارات المرات — الذرات مسحوقة، والإلكترونات مضغوطة في البروتونات، وتقريبًا كل الفضاء مليء بالنيوترونات. ومع ذلك، هذه ليست مجرد تعبئة كثيفة للكرات. عند عمق معين، تبدأ النيوترونات في "الإحساس" بمكوناتها — الكواركات.

ملعقة صغيرة ممتلئة — والميزان يشير إلى مليار طن. هذا تقريبًا وزن مادة النجم النيوتروني لو أمكننا غرفها ووزنها. تولد هذه الأجرام بعد انفجار مستعر أعظم: ينضغط لب النجم إلى كرة بقطر مدينة، وتصبح الكثافة أعلى من كثافة النواة الذرية. داخل هذه الكرة، تختفي الذرات المألوفة لدينا. تنضغط البروتونات والإلكترونات في بعضها البعض، مشكّلة سائلًا نيوترونيًا.

في عام 2017، سجل كاشفا LIGO وVirgo ارتعاش الزمكان الناتج عن اصطدام نجمين نيوترونيين اندماج النجوم النيوترونية — الحدث GW170817. بعد التموج الأول، تبعته ترددات لاحقة: تذبذبات كيلوهرتزية من البقايا فائقة الكثافة التي تشكلت حديثاً. هذه الإشارة ليست مجرد ضوضاء، بل هي صوت المادة نفسها، المضغوطة إلى حدود لا يمكن تصورها.

في مركز كل ذرة توجد نواة — كرة كثيفة من البروتونات والنيوترونات. هذه الجسيمات لا تتزاحم عشوائيًا، بل تملأ مستويات طاقة صارمة تشبه طوابق ناطحة سحاب. عندما يمتلئ طابق معين بالكامل، تصبح النواة مستقرة بشكل خاص — يسمي الفيزيائيون هذا العدد السحري. أثقل هذه الأعداد في النوى المستقرة هو 126 نيوترونًا.

في أعماق النجم النيوتروني، تكون المادة مضغوطة بشدة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات المألوفة تفسح المجال للاعبين جدد. هناك تولد الهايبرونات (hyperons) — وهي جسيمات يعيش داخلها كوارك غريب. السؤال عن مقدار الطاقة اللازمة لإخراج مثل هذا الهايبرون من الوسط النووي ليس سؤالاً عابراً: فالإجابة عليه تحدد ما إذا كان النجم سيصمد أم ينهار ليتحول إلى ثقب أسود.

كرتان فائقتا الكثافة، كل منهما بحجم مدينة، تدوران في رقصة. كتلتهما أقل من كتلة الشمس، لكن بداخلهما مادة مضغوطة إلى حدود لا يمكن تصورها. إحداهما نجم نيوتروني، والأخرى نجم غريب يتكون بالكامل من الكواركات (الجسيمات الأولية التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات). عندما يصطدمان، يصبح الفرق مسموعًا. النجم الغريب يحافظ على شكله حتى اللحظة الأخيرة.

عندما يموت نجم هائل، ينكمش قلبه، ويحدث انفجار مستعر أعظم. ويولد هذا الحدث الكارثي تيارات من الجسيمات، مثل تموجات من حجر ألقي في الماء. تصل النيوترينوات السريعة أولاً، وتخترق الأرض دون أن تتفاعل معها تقريباً. ثم، بعد تأخير بضع ساعات، تظهر جسيمات شبحية بشحنة صغيرة جداً.

النجم النيوتروني هو عدسة جاذبية تتركز فيها محاولاتنا لرؤية المادة المظلمة. عبر مادته فائقة الكثافة، كما لو كنا ننظر عبر زجاج غريب، نبحث عن الأكسيون - ذلك الجسيم المراوغ القادر على تفسير الكتلة الخفية للكون.

النجوم النيوترونية أجسام كونية بكثافة لا يمكن تصورها: تخيل أن ملعقة طعام من مادتها تزن أكثر من جبل إيفرست. ظل لغزًا لفترة طويلة ما الذي يخفيه في أعماقها: مادة نيوترونية عادية، تشبه نواة ذرية عملاقة، أم مادة كواركية غريبة، حيث الجسيمات لم تعد مرتبطة في نيوترونات.

في مكان ما في الانتفاخ المجري، يتربص نجم ضخم خامل، على وشك استبدال احتراقه الهادئ بانهيار. يستنفذ لبّه وقوده، وفي جزء من الثانية يولد نجم نيوتروني أو ثقب أسود، قاذفًا 10⁵⁸ نيوترينو – أي معظم طاقة الانفجار تقريبًا.

في أعماق نجم نيوتروني هائل، حيث تزن ملعقة صغيرة من المادة وزن جبل، تنضغط الكواركات إلى مسافات لا تُصدق. قبل اكتشاف هذه الأجرام بزمن طويل، حسب سوبرامانيان تشاندراسيخار حد الأقزام البيضاء، وتنبأ فريتز زفيكي بجرأة أن المستعرات العظمى تُخلف وراءها كتلًا من النيوترونات.

نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى عصر كان عمر الكون فيه أقل من مليار سنة، واكتشف هناك مئات الأجسام الغريبة. صغيرة لكنها شديدة السطوع، تتألق بلون أحمر عميق — كالجمرات الملتهبة المتناثرة على مخمل الفضاء الأسود. هذه «النقاط الحمراء الصغيرة» (LRDs) تتحدى الصورة المتناسقة لنشأة النجوم والمجرات الأولى.

داخل النجم النيوتروني، تُضغط المادة بشدة حتى تتوقف النوى الذرية عن كونها كتلًا منفصلة. تقترب النيوترونات والبروتونات من بعضها البعض، وتبدأ مكوناتها الداخلية — الكواركات — في الإحساس بجيرانها عبر جدران «أكياسها». النجم النيوتروني هو كرة نصف قطرها بحجم مدينة صغيرة، لكن كتلتها تعادل كتلة الشمس ونصف.

في عام 2017، التقطت الكواشف ارتجاجًا في الفضاء — موجات ثقالية ناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين. وسرعان ما عثرت التلسكوبات على وميض ضوئي: انفجار كوني أطلق عليه الفلكيون اسم كيلونوفا. في هذا المرجل الناري، كما اتضح، تولد أثقل عناصر الجدول الدوري — الذهب والبلاتين واليورانيوم. ولكن لفهم كيفية حدوث ذلك بالضبط، نحتاج إلى النظر داخل المادة نفسها.

في عائلة البقايا فائقة الكثافة للنجوم الميتة، ظلّت فجوة شاسعة زمنًا طويلًا. النجوم النيوترونية — وهي قمم دوّارة بحجم مدينة — نادرًا ما تتجاوز كتلتها كتلتين شمسيتين. أما الثقوب السوداء فتبدأ من حوالي خمس كتل شمسية. وبينهما توجد «فجوة» لم يُعثر فيها على أي جرم لعقود.

قاعة مكتظة بالراقصين ينزلقون دون أدنى احتكاك — يمرون عبر بعضهم البعض دون أن يتلامسوا. هذا هو السائل فائق السيولة. في قشرة النجم النيوتروني، يمكن للنيوترونات أن تتصرف بهذه الطريقة، لكن شبكة صلبة من الأيونات تعيقهم — كما لو أن حلبة الرقص امتلأت فجأة بأعمدة كثيفة. كان يُعتقد عادةً أن الشبكة ثابتة تمامًا، وأن السيولة الفائقة تكاد تختفي.

حفنة من الرمل تزن بقدر جبل صغير — هكذا تقريبًا تُوصف السترانجليتات، وهي كتل صغيرة من "مادة الكواركات الغريبة"، حيث تُضغط الجسيمات إلى كثافات لا يمكن تصورها. في دراسة جديدة، اختبر الفيزيائيون الفلكيون ما إذا كانت هذه الأجسام يمكن أن توجد في الطبيعة، وكيف ستبدو. اعتمدوا كنموذج أساسي على فكرة أن الكواركات محبوسة داخل "كيس" — هكذا يسمي الفيزيائيون القوى التي تمنع الكواركات من التفرق.

مترجم في مفاوضات مهمة يتحول فجأة إلى لغة أخرى، فيتغير المعنى كليًا. هذا ما تفعله النيوترينوات في أعماق نجم يحتضر. تولد هذه الجسيمات الخفية بأعداد هائلة عندما ينضغط قلب النجم إلى كتلة بحجم مدينة. لكن في طريقها إلى الخارج، قد تغير النيوترينوات نوعها — يسمي الفيزيائيون هذا بتحول النكهة (flavor). ومن كيفية تحولها يعتمد ما إذا كان النجم سينفجر أم ينهار بصمت إلى ثقب أسود.

المستعر الأعظم هو الانفجار النهائي لنجم ضخم، يقذف المادة عبر سنوات ضوئية حوله. داخل الغلاف المتوسع يبقى نجم نيوتروني، ويستمر الغلاف نفسه في الاندفاع عبر الغاز بين النجمي لآلاف السنين. وفي مثل هذا الغلاف، الذي خلّفه انفجار، تمكن تلسكوب ALMA لأول مرة من رصد نوى جزيئية ساخنة — وهي كتل غازية متراصة تولد فيها نجوم جديدة.

إذا ضغطت حفنةً من الرمل في قبضة يدك، فستتماسك أولًا ثم تبدأ في المقاومة، إذ لا مجال للحبيبات للتحرك. في أعماق النجم النيوتروني يحدث شيء مشابه، لكن بدلًا من حبيبات الرمل لدينا جسيمات أولية، وبدلًا من اليد لدينا جاذبية هائلة.

تشبه النواة الذرية قطرة ذات غلاف رقيق — جلد نيوتروني. داخل القطرة، يتوزع البروتونات والنيوترونات بالتساوي، بينما يتجمع على السطح الخارجي، مثل رغوة الحليب، طبقة يكون فيها النيوترونات أكثر بشكل ملحوظ. سماكة هذه الرغوة — أجزاء من عُشر الفيمتومتر (أي أصغر بمليون مرة من حجم الذرة نفسها) — تختلف من نواة إلى أخرى وتعتمد على مدى قوة تنافر النيوترونات فيما بينها.

القشرة الخارجية للنجم النيوتروني النجم النيوتروني تشبه كعكة ذات طبقات، حيث كل طبقة هي نوع محدد بدقة من الحشوة. إنها شبكة بلورية من النوى الذرية مغموسة في بحر من الإلكترونات. كلما تعمقنا، زاد الضغط — وأثقل النوى التي يمكن أن توجد هناك دون أن تتفكك.

قشرة النجم النيوتروني ليست مجرد غلاف صلب. تحت وطأة مليارات الأطنان على كل سنتيمتر مربع، تفقد الذرات إلكتروناتها، وتترتب النوى المتبقية في شبكة بلورية صلبة تشبه أقراص العسل، لكنها من مادة أكثر كثافة من الفولاذ بمقدار تريليون مرة. عندما تتشقق هذه الشبكة بسبب الإجهاد المتراكم، يولد توهج الماغنتار — وهو اندلاع قصير لكنه مبهر للأشعة السينية.

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

داخل النجم النيوتروني — وهو جسم مضغوط إلى قيم لا يمكن تصورها — لا تتوزع الكثافة بشكل سلس. بل تنخفض بشكل حاد على شكل درجات، يسميها الفيزيائيون بالدرجات الكثافية. على هذه الدرجات، يحدث تأثير كمومي لافت: الفراغ، الذي يبدو لنا عادة كفراغ تام، يولد تلقائيًا أزواجًا من الجسيمات — النيوترينو والنيوترينو المضاد.

النجم النيوتروني هو كتلة دوارة بكتلة الشمس مضغوطة إلى حجم مدينة. يولد في لهيب مستعر أعظم وعادةً ما يتباطأ دورانه فقط. لكن أحيانًا، وبدون سبب واضح، يتسارع فجأة - وتسمى هذه القفزة 'غليتش'. تصبح العديد من النجوم النيوترونية نباضات: فهي تصدر نبضات راديوية منتظمة، مثل منارات كونية.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم منفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. على سطحه أحيانًا يندلع حريق نووي حراري: الغاز المتراكم ينفجر مثل قنبلة هيدروجينية هائلة. بعد الانفجار يبقى رماد — خليط من العناصر الثقيلة التي ترتفع إلى السطح وتشكل غلافًا جويًا حارًا.

قدرٌ يغلي فيه حساء من ثلاثة مكونات. يغيّر الطباخ النسب أثناء الطهي، ويُتابَع ذلك من خلال موقع نقطة على مقياس مثلثي. هكذا تقريبًا يتعامل الفيزيائيون مع النيوترينوات الصادرة عن انفجار مستعر أعظم. عندما ينضغط قلب النجم إلى كثافة هائلة، يتولد تيار من النيوترينوات — جسيمات خفيفة لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. وهي من ثلاثة أنواع، ويتغير تكوينها في الطريق من النجم إلى الكاشف.

داخل الموصلات الفائقة النحاسية — وهي مواد توصل التيار بدون فقدان عند درجات حرارة مرتفعة بشكل غير متوقع — توجد طور خفي. يتصرف هذا الطور كمعدن عادي، لكنه لا يظهر في القياسات القياسية. جمع العلماء بيانات من جميع أنحاء العالم عن جميع الموصلات الفائقة النحاسية المعروفة ووجدوا أنه تحت درجة حرارة معينة (خط الفجوة الزائفة) تنتقل المادة دائمًا إلى هذه الحالة المعدنية الخفية.

إذا كانت نواة الذرة بمثابة عائلة، فإن منزل الهيليوم العادي يضم بروتونين ونيوترونين يتكاتفون بقوة. تخيل الآن أن أحد أفراد العائلة غريب الأطوار يحب التجول بعيدًا عن المنزل. هذا هو شكل هايبرتريتون بالضبط: في المركز زوج عادي (بروتون ونيوترون)، وحوله على مسافة كبيرة يتجول هايبرون — جسيم يحوي كواركًا غريبًا في داخله.

الكثافة في مركز النجم النيوتروني هائلة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته تزن مثل وزن جبل. يحاول الفيزيائيون منذ زمن طويل فهم مقدار الكتلة التي يمكن أن يصل إليها مثل هذا النجم قبل أن ينهار إلى ثقب أسود. اعتمد الحد الكلاسيكي، الذي اشتُق في السبعينيات (1970)، على افتراض أن المادة في النواة تصبح غير قابلة للانضغاط (صلبة) فقط عند كثافات عالية جدًا.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده النووي وينهار ليشكل مستعرًا أعظم، يولد نجم نيوتروني — جسم بقطر مدينة صغيرة، لكن كتلته تضاهي كتلة الشمس. مادته مضغوطة لدرجة أن ملعقة شاي واحدة من هذه المادة تزن أكثر من جبل إيفرست.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده، ينهار قلبه، ويندفع جدار صدمة إلى الخارج. ولكن قبل أن يتمزق النجم، قد تولد في أعماقه جسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع المادة العادية. إذا اضمحلت هذه الجسيمات إلى ضوء، فإن الطاقة تتسرب إلى الغاز الكثيف حول النجم. هذا الغاز، مثل بطانية، يلف النجم. الطاقة المحقونة تسخنه، فيبدأ الغاز بالتوهج مثل مصباح ساخن. يمكن رصد هذا الضوء قبل الوميض الرئيسي.