مصدر أشعة كونية فائقة الطاقة

تبدو السماء الليلية هادئة، لكنها في الحقيقة ممطورة بمطر غير مرئي من الجسيمات المشحونة، وهي الأشعة الكونية. يحاول العلماء منذ زمن طويل فهم أين تولد أكثرها طاقة. حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن مجرتنا تزود الجسيمات حتى طاقة تبلغ نحو 4 إلكترون فولت (EeV)، وهي ما يُسمى "الكاحل" في الطيف. لكن البيانات الجديدة تفرض إعادة النظر في هذا الحد.

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.

الغابة الليلية مليئة باليراعات، لكننا في السابق كنا نرى فقط تلك التي صادف وجودها في شعاع المصباح اليدوي. هكذا كان الحال مع مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع، وهي نقاط في مجرات أخرى تتوهج في الأشعة السينية بشكل أكثر سطوعًا مما يمكن أن يشعه ثقب أسود نجمي الكتلة بشكل مستقر.

في مركز درب التبانة، حيث يحرك الثقب الأسود الهائل "القوس A*" سحب الغاز كما تحرك الطاحونة أحجارها، رصد علماء الفلك نبضًا غير منتظم. أشعة غاما، وهي أكثر أشكال الضوء طاقةً في الكون، تصل إلينا من هناك ليس كموجة منتظمة، بل مع انكسار، وكأن قلب المجرة ينبض بعدم انتظام.

في السماء الجنوبية، خلف حجاب كثيف من الغبار الكوني، يختبئ مصدر لأشعة غاما — وهي أكثر أشكال الضوء طاقةً في الكون. إنه يضيء بسطوع شديد لدرجة أن إشعاعه يخترق هذا الحجاب، لكن الجسم نفسه يظل غير مرئي للتلسكوبات البصرية. وجّه علماء الفلك تلسكوب ALMA الراديوي نحو السحب الغازية المجاورة ورصدوا نمطًا كشف النقاب عن هذا الجسم الخفي.

تبدو السماء ليلًا هادئة، لكن في الواقع تمر عبرنا باستمرار جسيمات غير مرئية — الأشعة الكونية. من بينها إلكترونات وجسيماتها المضادة — البوزيترونات. عندما تصطدم بالكاشفات على الأقمار الصناعية أو البالونات، تسجل الأجهزة طاقتها. وهنا تبدأ اللغز: على الرسم البياني حيث يمثل المحور الأفقي الطاقة والمحور الرأسي عدد الجسيمات، لا نرى خطوطًا ناعمة بل انكسارات وتحدبات.

النجم النابض PSR J1740+1000 هو نجم نيوتروني بحجم مدينة، يدور أسرع من خلاط المطبخ. بعد انفجار المستعر الأعظم، بقيت منه نواة فائقة الكثافة تعمل على تسريع الجسيمات المشحونة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هذه الجسيمات تنطلق إلى الفضاء، وكان يُعتقد سابقًا أنها تتطاير في كل الاتجاهات مثل رذاذ حجر يُلقى في الماء.

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.

كرة البلياردو تصطدم بأخرى في ظلام دامس. صوت الاصطدام وقعقعة الكرات الساقطة في الجيوب — هذا كل ما يُسمع. هكذا تقريبًا يدرس الفيزيائيون تفاعلات الجسيمات الأولية عند طاقات لا يستطيع أي مسرع أرضي إنتاجها. في العمل الجديد، حوّل الفيزيائيون الفلكيون مجرات بأكملها إلى مختبرات عملاقة، وأصبحت الكيلومترات المكعبة من الجليد في القارة القطبية الجنوبية ومياه البحر الأبيض المتوسط كواشف.

في مراكز العديد من المجرات لا تختبئ فقط الثقوب السوداء فائقة الضخامة، بل أيضًا سحب هائلة من المادة غير المرئية. إذا كانت هذه المادة تتكون من جسيمات فائقة الخفة، فإنها قادرة على التجمع في كتل كثيفة — نوع من "النجوم" المصنوعة من المادة المظلمة.

لطالما بحث علماء الفلك عن 'مصانع' لأكثر الأشعة الكونية طاقة - جسيمات تحمل في طياتها عالما كبيرا مضغوطا إلى حجم نواة الذرة. كانت الشبهات تدور حول مناطق تشكل النجوم الضخمة مثل الدجاجة OB2، حيث تتصادم رياح العمالقة الشباب. لكن الطبيعة، كمحتال، أخفت قلب المسرع في مكان آخر - داخل نظام ثنائي ضيق.

في مكان ما في أعماق الفضاء، يومض منارة راديوية لجزء من الثانية ثم ينطفئ. تُعرف هذه الإشارات بالومضات الراديوية السريعة. تأتي من مجرات أخرى وتستمر من ميكرو ثانية إلى ميلي ثانية. في هذه اللحظة الوجيزة، يطلق الوميض طاقة تعادل أقوى الانفجارات على النجوم النيوترونية في مجرتنا درب التبانة.

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.

قبل حوالي عقد ونصف من الزمان، سجل مقراب فيرمي لأشعة غاما «فقاعات» غامضة – تجمعات بلازمية عملاقة، كما لو نُفخت بمنافيخ خفية، ترتفع لعشرات آلاف السنين الضوئية من مركز المجرة. أثارت طبيعتها جدلاً محتدماً فوراً: رأى فيها البعض أثراً لنفاثات الثقب الأسود الهائل الرامي A*، ورأى آخرون صداها لعصر عنيف من تشكل النجوم.

يسقط حجر في بركة ماء، فتنتشر دوائر على سطحها. هكذا ينتشر الضوء القادم من المجرات البعيدة في كل الاتجاهات — بهدوء وانتظام. لكن في مركز بعض المجرات لا يختبئ حجر، بل مدفع حقيقي: يطلق جسيمات بقوة هائلة. يطلق علماء الفلك على هذه الأجسام اسم HSP BL Lac. وهي نوى مجرّات نشطة، حيث يقوم الثقب الأسود فائق الضخامة بلفّ المادة في قرص ويقذف نفاثات ضيقة من البلازما موجهة نحونا تقريبًا.

في أعماق البحر المتوسط، حيث يضغط الماء بقوة مئات الأجواء، كانت شبكة من الكرات الحساسة للضوء تنتظر ضيفًا نادرًا. وقد جاء — نيوترينو حمل عبر سمك الأرض طاقة تعادل ضربة طوبة طائرة. لكن بدلاً من الطوبة، جسيم صغير، شبه غير محسوس، لكنه قادر على إخبارنا عن أكثر زوايا الكون اضطرابًا. سُمي هذا الجسيم KM3-230213A. وهو الأول في التاريخ الذي تتجاوز طاقته 100 إلكترون فولت (PeV).

في قلب درب التبانة، هناك شيء يتوهج — لكن ليس بضوء النجوم، بل بأشعة غاما غير المرئية للعين.

الأشعة الكونية هي جسيمات أولية ونوى ذرية تأتي من أعماق الفضاء، وقد تسارعت إلى طاقات لا يمكن بلوغها في المختبرات الأرضية. عندما يصطدم مثل هذا الجسيم بذرة في الغلاف الجوي للأرض، يتولد زخة هوائية واسعة — سلسلة من الجسيمات الثانوية التي تولّد بدورها موجات راديوية. هذه الإشارات الراديوية هي بمثابة «بصمات أصابع» للجسيم الأولي: فمن خلالها يمكن استعادة طاقته الأصلية واتجاه وصوله.

في كل ثانية، تخترقنا مقذوفات غير مرئية قادمة من أعماق الكون. هذه هي الأشعة الكونية — نوى ذرية تم تسريعها إلى سرعات لا تكاد تختلف عن سرعة الضوء. طاقتها أكبر بمئات الملايين من المرات من تلك المتاحة في أقوى مسرعاتنا.

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.

أجهزة الكشف التقليدية عن المادة المظلمة تشبه حارس مرمى كرة القدم الذي ينتظر تسديدة قوية بينما الكرة تتدحرج ببطء. فالجسيمات غير المرئية التي تملأ مجرتنا غالبًا ما تتحرك ببطء شديد بحيث لا تلتقطها أجهزة الاستشعار الحساسة.

النيوترينوات جسيمات خفية تقريبًا: تعبر الكواكب دون أن تلاحظها الذرات. لذلك كل رصدٍ هو حظ موفق. مؤخرًا، رصد كاشف تحت الماء KM3NeT نيوترينو بطاقة تفوق ملايين المرات ما تنتجه أقوى مسرعات الجسيمات على الأرض. وتقول دراسة جديدة: إنه ليس ضيفًا من مجرة بعيدة، بل رسالة من الكون المبكر.

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).

عندما يصطدم نواة ثقيلة بسرعة هائلة بالغاز بين النجمي، تتحطم إلى قطع. بعد ذلك، تطير هذه القطع — الليثيوم والبريليوم والبورون — إلى الأمام، وتعتمد كميتها في تدفق الأشعة الكونية على كيفية حدوث التحطم بالضبط. كان يُعتقد عادةً أنه مع زيادة الطاقة، يجب أن تتغير النسب تدريجيًا، مثلما يتغير طعم الحساء إذا أضفت الماء.

أشعة غاما ذات طاقة تتجاوز مئة تريليون إلكترون فولت — مثل حجارة تُقذف بقوة لا تصدق. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن هذه «الحجارة» لا يمكن أن تُطلق إلا بواسطة البروتونات — جسيمات ثقيلة معجلة في مسرعات كونية. لكن العمل الجديد يُظهر: في بعض الأحيان تكفي الإلكترونات الخفيفة.

في أعماق كوكبة العقاب، يختبئ سديم يشبه فقاعة منتفخة. تنفخه نجمة صغيرة بحجم مدينة، وهي نجم نابض يدور عدة مرات في الثانية ويفقد طاقة دورانه. عادةً، تتوهج هذه الفقاعات بقدر قوة نجمها النابض. لكن هذه الفقاعة، التي أطلق عليها اسم «مسرّع العقاب»، أظهرت سطوعًا يفوق المتوقع. التقط تلسكوب LHAASO في جبال الصين أشعة غاما من هذا السديم بطاقة تتجاوز مئة تيرا إلكترون فولت.

في ديسمبر 2024، وجد الكوازار PG 1211+143 نفسه تحت مرمى مرصدين للأشعة السينية في آن واحد: أجهزة التحليل الطيفي في XRISM وXMM-Newton كانتا تراقبانه في نفس الوقت. الكوازار هو نواة شديدة السطوع لمجرة بعيدة، حيث يقوم ثقب أسود فائق الكتلة بابتلاع الغاز المحيط به.

في قلب جبال الألب، على عمق نحو مئة متر، يقع مصادم الهادرونات الكبير (LHC) — أكبر مسرّع للجسيمات المشحونة في العالم. من وقت لآخر، تسجل كاشفاته ارتفاعات مفاجئة وغير مفسرة في الإشارات، أطلق عليها الباحثون اسم UFO (أجسام متساقطة غير محددة).

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يختبئ ثقب أسود. عندما يبتلع الغاز، يقذف تدفقات قوية إلى الخلف — مثل تنين لا يستطيع ابتلاع كامل فريسته فيزفر النار. تتسارع هذه "الرياح" إلى آلاف الكيلومترات في الثانية ويمكنها أن تبعثر مخزون الغاز الذي تولد منه النجوم. نظر تلسكوب جيمس ويب إلى مجرتين متصادمتين — F11119+3257 وF05189-2524.

في مركز المجرة NGC 4278 يوجد ثقب أسود يقذف نفاثتين من البلازما، وكأنه مدفع عملاق يطلق جسيمات في الفضاء. تعمل هذه النفاثات على تسريع الجسيمات إلى طاقات لم تحلم بها أي معجلات أرضية. مؤخرًا، رصد مرصد LHAASO إشعاعًا شديد الصلابة من هذه المجرة، وهو إشعاع ينشأ عندما تصطدم الجسيمات في النفاثة بشيء ما وتنقل طاقتها إلى الضوء.

في الليل، تندفع رصاصات غير مرئية عبر السماء — إنها الأشعة الكونية. وهي نوى ذرية تسارعت إلى سرعات تقترب من سرعة الضوء. المجالات المغناطيسية للمجرة تخلط مساراتها، لذا من الصعب تحديد مكان ولادتها بدقة. لطالما كانت بقايا النجوم المنفجرة هي المشتبه به الرئيسي، لكن بالنسبة لأسرع الجسيمات لم تكن الأدلة كافية.

تتحرك المجموعة الشمسية عبر المجرة، وتغوص أحياناً في سحب بينجمية كثيفة – تجمعات من الهيدروجين المخلخل والغبار.

بعد ولادتها مباشرةً إثر الانفجار العظيم، كان الكون يغلي مثل مشروب غازي طازج. امتلأ الفضاء كله بالفقاعات – وهي مناطق من الفراغ الجديد الذي يخضع لـالنموذج القياسي – التي أزاحت الحالة غير المستقرة السابقة. تسارعت جدران هذه الفقاعات إلى ما يقارب سرعة الضوء، وعند الاصطدامات المباشرة، كانت تنهار وتنفجر، مطلقةً طاقة هائلة.

الأشعة الكونية هي جسيمات أولية تحمل طاقة هائلة، وتخترق الفراغ بين المجرات. عندما يصطدم جسيمان من هذه الجسيمات وجهًا لوجه، قد تكون كثافة الطاقة عند نقطة الاصطدام كافية لتنهار لتشكل ثقبًا أسود بحجم نواة الذرة. لا يشكل أي خطر: فكما تختفي قطرة الماء فورًا على مقلاة محمّاة، فإن الثقب الأسود المجهري يتبخر بسرعة.

يوميًا، تخترق جسيمات ذات طاقة هائلة الغلاف الجوي للأرض، وكأنها رسائل مجهولة المصدر. ظل مصدرها لغزًا لفترة طويلة. دراسة جديدة تمكنت من تحديد: هؤلاء "الزوار" يشيرون إلى مجرات مجاورة، حيث تقع كوارث من وقت لآخر — اصطدام نجوم نيوترونية (أجسام فائقة الكثافة بحجم مدينة وكتلة مماثلة لكتلة الشمس).

على مسافة 8.58 ميغابارسك منا، تدور المجرة الحلزونية M51 أذرعها، بينما ينظر إليها التلسكوب الراديوي VLA في أوسع تكوين له بدقة 0.16×0.14 ثانية قوسية. هذا يعادل رؤية عملة معدنية على سطح القمر من الأرض. وبهذه الدقة العالية، أظهرت ثلاث مجرات قريبة، وهي M51 وNGC 4449 وNGC 4631، لأول مرة مصادرها الراديوية المدمجة منفصلة عن الخلفية الضبابية.

الأشعة الكونية هي نوى ذرية تم تسريعها إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. تصل إلى الأرض من جميع الاتجاهات، ومن خلال تركيبها يمكننا معرفة ما يحدث في زوايا بعيدة من المجرة. جمع القمر الصناعي نوكلاون (NUCLEON) هذه الجسيمات لعدة سنوات، والآن أظهرت بياناته نمطًا غريبًا: كلما كان النواة نادرًا في الطبيعة، كان طيفه أكثر صلابة.

مثل المتسابقين في سباق طويل، تتسابق نوى الذرات - من الهيليوم الخفيف إلى الحديد الثقيل - عبر المجرة بأكملها نحو الأرض. عند خط النهاية، في الكاشف الموجود على منطاد على ارتفاع عالٍ، نرى أن النوى الثقيلة تصل أكثر إرهاقًا قليلًا من النوى الخفيفة. الفرق صغير، لكنه يتكرر من رحلة إلى أخرى.

طيف الإلكترونات الكونية يشبه بصمات الأصابع في مسرح الجريمة. الجسيمات القادمة من أعماق المجرة تحمل في طاقاتها آثار من أنتجها. لفترة طويلة، كانت الصورة ضبابية: أجهزة ذات نطاقات طاقة واسعة، مثل صور غير واضحة، لم تسمح برؤية التفاصيل. لكن مؤخرًا، حصل العلماء على صورة واضحة — طيف عالي الدقة قاسه جهاز ATIC بدقة تبلغ حوالي 3%. وظهرت عليه خطوط غير متوقعة.