أشعة غاما فائقة الطاقة

على الطاولة قطعة من الغرافيت نُمّيت من الغاز، مثل الترسب على جدار المفاعل. عادةً، هذا النوع من المواد لا يصلح لتحويل الحرارة إلى كهرباء: بداخله، تجري الإلكترونات والثقوب في اتجاهين متعاكسين وتلغي بعضها البعض. لكن إذا وُضعت هذه القطعة في مجال مغناطيسي وسُخّنت من أحد أطرافها، تبدأ الشحنات بالتحرك في اتجاه واحد، مثل حشد يوجّهه شرطي إلى مخرج واحد.

على خط الإنتاج في مصنع، تُخرج القطع واحدة تلو الأخرى بدقة في كل دورة. إذا كانت الدورة قصيرة وكان معدل العيوب منخفضًا، يعمل الخط بسرعة. في البصريات الكمومية، يلعب مصدر الفوتونات المفردة دور هذا الخط: يجب أن يُصدر كمًا واحدًا من الضوء بالضبط في كل دورة، وكلما زادت الدورات، زاد عدد الفوتونات التي تخرج إلى الألياف البصرية.

يتلقى رسام الخرائط ورقة تحتوي على مسافات بين مئات الجزر المجهولة. لا جزيرة موسومة، لكن المسافات تتكرر وتتراكم في مثلثات ورباعيات. من هذه التكرارات، يعيد رسام الخرائط بناء خريطة الأرخبيل دون معرفة اسم أي جزيرة. هذا تقريبًا ما تقوم به دراسة جديدة في التحليل الطيفي الجزيئي. مطياف SCALS هو مرنان طوله 42 سم، يقطع فيه الضوء مسافة 28 كم، مثل مسافة ماراثون.

هدف الغاز يشبه القمع: كلما كانت جدرانه أكثر انحدارًا، كان التدفق أقوى. فقط في هذا القمع لا يتدفق الماء، بل الضوء فوق البنفسجي، الذي يولد عندما تمر نبضة ليزر قوية عبر سحابة من الأرجون. كفاءة هذا التحويل عادة ما تكون ضئيلة، حوالي 0.001%: من بين ألف فوتون ليزر، يتحول واحد فقط إلى أشعة فوق بنفسجية مفيدة.

التوهج الأزرق في الماء حول المفاعل النووي هو ضوء يُولَد عندما يتجاوز جسيم مشحون سرعة الضوء في ذلك الوسط. اكتشف هذا التأثير بافيل شيرينكوف عام 1934، وقدم النظرية إيغور تام وإيليا فرانك. منذ ذلك الحين، أصبح إشعاع شيرينكوف أداة عمل: من كواشف الجسيمات إلى الفيزياء الفلكية.

في عام 1054، اشتعل نجم في كوكبة الثور. كان ضوء موته ساطعًا لدرجة أنهم رأوه نهارًا لمدة شهر تقريبًا، وسجّله علماء الفلك الصينيون في سجلاتهم. اليوم، ينتشر في ذلك المكان سديم السرطان سديم، وكلّيبتاه هما سُحب غازية ما زال النجم الميت في مركزه يسرّعها. يدور النجم ثلاثين دورة في الثانية، ويقذف جسيمات في الفضاء بقوة تجعلها تتوهج مثل سلك محمّى.

تخيّل ملعبًا ضخمًا مكتظًا بأشخاص يرتدون الأسود. أنت تقف في الخارج وتحاول أن تفهم ما يحدث في الداخل، رغم أنك لا ترى أي شخص. لكن إذا تصادم اثنان وتبادلا قمصانًا زاهية الألوان — ستلاحظ وميض اللون. هكذا بالضبط يبحث علماء الفلك عن المادة المظلمة — وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصّه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تمدد الكون بسرعة هائلة — هذه المرحلة تُسمى التضخم الكوني. حتى الفراغ لم يكن هادئًا حينها: هزّات كمية كانت تُرجّح الحقول، مثلما تُحرك الريح سنابل الحقل. أحد هذه الحقول — حقل هيغز المظلم — ربما انحرف عشوائيًا عن وضعه الأكثر استقرارًا. عندما انتهى التضخم، بدأ هذا الحقل يتأرجح ويتحلل، مولّدًا جسيمات — فوتونات مظلمة.

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 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.

العنقود المجري العملاق المجرات Abell S1063، الواقع على بعد 4 مليارات سنة ضوئية، لا يعمل كمجرد عدسة، بل كبئر جاذبية زمنية. كتلته تحني الفضاء بشدة لدرجة أن الفوتونات القادمة من حقبة كان عمر الكون فيها 500 مليون سنة فقط، تنزلق عبر مسارات منحنية كأشعة في تصوير بطيء، وتتجمع لدينا مكبرةً 43 مرة.

الموجات الثقالية هي تموجات في نسيج الزمكان نفسه، تشبه اهتزازات وتر كوني عملاق. أجهزة الكشف التقليدية، مثل LIGO وVirgo، تلتقط "النغمات" منخفضة التردد — وهي اضطرابات ناتجة عن اندماج ثقوب سوداء ضخمة بكتل نجمية. ومع ذلك، توجد أيضًا موجات ثقالية عالية التردد — وهي ارتجافات فائقة السرعة بترددات في نطاق الميغاهرتز والغيغاهرتز.

منافيخ الحداد تنفخ النار بقذف الهواء بقوة. في الفضاء، تلعب موجة الصدمة من المستعر الأعظم — وهو مفهوم قدمه فريتز زفيكي — دور هذه المنافيخ: فهي تدرك فقاعة عملاقة من الجسيمات المشحونة والمجالات المغناطيسية، المتشكلة حول النجم النيوتروني الدوّار — النباض، فتضغطها ويعزز المجال المغناطيسي.

في قلب المجرة، على بُعد نحو 7 آلاف فرسخ فلكي، يختبئ مسارع طبيعي حقيقي. إنه نجم نيوتروني يدور بسرعة جنونية — نجم نابض يُدعى PSR J1849-0001، تخلّف عن انفجار مستعر أعظم. اكتُشفت هذه النجوم قبل نصف قرن على يد جوسلين بيل بورنيل، وتنبأ بها من قبل فريتز زفيكي.

لأول مرة، تم تحويل ليزر مصنعي، يُستخدم في المصانع لقطع ولحام المعادن، إلى مسرّع جسيمات. أخذ الفيزيائيون ليزر إتيربيوم قياسيًا — قلبه بلورة بحجم كف اليد — وحوّلوا ومضاته إلى أداة لتسريع الإلكترونات حتى接近 سرعة الضوء. في السابق، كانت مثل هذه الحيلة تتطلب أنظمة ليزر فريدة بحجم غرفة كاملة، أما هنا فيكفي جهاز صناعي عادي.

المجرات الإهليلجية هي مدن نجمية هادئة في مرحلة التقاعد. وفق كل القوانين، ينبغي أن يكون ضوؤها هادئًا مائلاً للحمرة، مثل الغروب. لكن أطيافها تصرخ بعكس ذلك: في الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، تتوهج هذه العجائز كأنها أضواء زينة الأعياد. طوال ثلاثة عقود، حار علماء الفلك في أمر هذا 'الارتفاع فوق البنفسجي' (UV upturn).

المادة المظلمة — مادة غير مرئية لا تكشف عن نفسها إلا من خلال تأثيرها الجاذبي: فهي تحني ضوء المجرات البعيدة، مثل نافذة خفية تغيّر مسار الأشعة. أول من أظهر وجودها بشكل مقنع كانت فيرا روبين، التي قاست سرعات دوران النجوم في المجرات واكتشفت أنها تتحرك بسرعة كبيرة — وكأن كتلة إضافية غير مرئية تمسك بها.

الكشاف يضيء أكثر فأكثر، لكن عند حد معين تحترق المصباح فجأة ولا يعود الضوء يتدفق. شيئًا مشابهًا رصده علماء الفيزياء الفلكية في النواة المجرية النشطة البعيدة ماركاريان 421. هذه مجرة نشطة ينطلق نفاثها البلازمي الساخن (jet) نحو الأرض تقريبًا تمامًا، مثل شعاع منارة كونية.

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.

كاشف مملوء بالهيليوم-4 فائق الميوعة يشبه بحيرة هادئة تمامًا. السائل لا يتموج، لا يفققع — إنه متجمد في حالة كمومية واحدة. عبره يطير ضيف غير مرئي — جسيم من المادة المظلمة. هو نفسه لا يضيء ولا يترك أثرًا. لكنه أحيانًا يصطدم بنواة ذرة الهيليوم. تتلقى النواة دفعة ضعيفة وتتحرك. الإلكترون الذي يدور حولها لا يلحق بالحركة المفاجئة — فينخلع من المدار.

جسيم ألفا هو نواة الهيليوم التي تنطلق عند اضمحلال الذرات الثقيلة. عندما يصطدم ببلورة نيتريد الغاليوم، يمنحها طاقته ويولد نبضة كهربائية. من ارتفاع النبضة يمكن معرفة مقدار الطاقة التي كانت لدى الجسيم. لكن في طريقه إلى المنطقة الحساسة، يفقد الجسيم جزءًا من قوته في ما يسمى الطبقة الميتة — وهي طبقة رقيقة غير فعالة قرب السطح.

الليزر العادي يضيء بخطوط ضيقة، مثل وتر يصدر نغمة واحدة فقط. هذا غير مريح للتحليل الطيفي: إذا كانت المادة تمتص الضوء بين الخطوط، فقد لا نلاحظها. ليزر التيراهرتز الكمي المتتالي (quantum cascade laser) هو شريحة شبه موصلة بحجم الظفر، يصدر موجات بتردد من 1 إلى 6 تيراهرتز (تريليونات الاهتزازات في الثانية).

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.

سرعة الضوء في الفراغ هي إيقاع الفيزياء: تضبط نسق جميع العمليات. إذا اختل هذا الإيقاع، ينهار الانسجام المألوف. والنيوترينوات — تلك الجسيمات المنتشرة في الكون لكنها شبه خفية — قادرة على اختبار ما إذا كان هذا الإيقاع يضطرب في الظروف القاسية. ستصطاد كواشف المستقبل GRAND و POEMMA أعلى طاقات النيوترينو، حيث يظهر أي انحراف بشكل أوضح.

في مجرة بعيدة، على مسافة يقطعها الضوء في 11 مليار سنة، انفجر شيء ما. رصد تلسكوب الأشعة السينية Einstein Probe وميضًا قصيرًا كوخزة إبرة، استمر بضع عشرات من الثواني فقط. لكن الأمر الأكثر إثارة بدأ بعد ذلك: بعد أيام، في الضوء المرئي العادي، زاد سطوع الجسم تدريجيًا مرة أخرى. هذا يشبه سيارتي سباق انطلقتا من خط واحد لكن بسرعتين مختلفتين.

انفجار أشعة غاما GRB 221009A توهج بسطوع هائل لدرجة أنه وُصف بأنه «الأكثر سطوعًا على الإطلاق». رصد مرصد LHAASO منه كمات غاما بطاقة تصل إلى 13 تيرا إلكترون فولت — أي أكبر بآلاف المرات من طاقة الجسيمات في أجهزة الأشعة السينية.

أحياناً تسلك الإلكترونات في البلورة سلوك الجمهور في الملعب الذي يصنع «موجة»: مناطق ذات كثافة أعلى تتناوب مع مناطق شبه خاوية. تسد هذه الموجة طريق الحركة الحرة للشحنات — فلا تكون المادة موصلاً فائقاً في الظروف العادية. لكن بمجرد تطبيق الضغط، تختفي الموجة وتبدأ الإلكترونات في الحركة دون فقدان.

تبدو السماء ليلًا ساكنة، لكن العديد من النجوم تهتز مثل طبل بعد ضربة. ظل القمر الصناعي TESS يراقب نفس المناطق من السماء لمدة سبع سنوات متتالية، والتقط هذا الاهتزاز من 19,151 عملاقًا أحمر — نجومًا قديمة منتفخة. في السابق، كان عدد هذه العمالقة "الناطقة" المعروفة أقل بكثير، والآن ارتفعت القائمة بنسبة 80% دفعة واحدة.

حزمة الإلكترونات في المسرّع تشبه سربًا من الطيور: تطير في مجموعة متماسكة، لكنها مع الوقت تتفرق. عادةً، لإبقاء الجسيمات معًا، تُستخدم مغناطيسات ثقيلة. هنا استغنوا عنها — الحزمة ضغطت نفسها بنفسها. في تجربة على منشأة FACET-II، تم تمرير حزمة من 10 مليارات إلكترون (شحنة 1 nC) بطاقة 10 GeV عبر كومة من رقائق معدنية رقيقة. عندما تمر الحزمة عبر الرقاقة، ينعكس مجالها المغناطيسي عنها ويعود إليها.

الضوء في الألياف البصرية هو تدفق من الفوتونات، وللاتصالات الكمومية نحتاج فوتونات مفردة يمكن إرسالها واحدًا تلو الآخر. لكن جعلها تنطلق بسرعة وتكون في نفس الوقت غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض مهمة صعبة. في العمل الجديد، أخذ الفيزيائيون نقطة كمومية شبه موصلة - بلورة صغيرة تعمل كمصيدة للإلكترونات - ووضعوها في مرنان دقيق.

تشبه الموجة الصدمية في الهالة الشمسية الدوي الصوتي الناتج عن طائرة، لكن بدل الهواء هناك بلازما شديدة الحرارة، وبدل الصوت هناك قفزة في الكثافة والمجال المغناطيسي. في 10 مارس 2024، مرت هذه الموجة عبر الجزء الغربي من القرص الشمسي. كانت ضعيفة لدرجة أن سرعتها تجاوزت السرعة المحلية للموجات المغناطيسية بنصف بالمائة فقط (عدد ماخ حوالي 1.005).

لمدة سبعة عشر عامًا متتالية، سجل تلسكوب فيرمي الفضائي ضوء المجرة البعيدة 4C 76.03. في معظم الوقت، كانت هادئة كمدينة ليلية لا تضيء فيها سوى نوافذ قليلة. لكن في أرشيف الرصد وُجدت لحظتان قصيرتان اشتعلت فيهما المجرة في أشعة غاما — وهي أعلى أشكال الضوء طاقة في الكون. استمر الوميض الأول حوالي شهر، والثاني ثلاثة أسابيع. وفصل بينهما عامان ونصف من الهدوء.

يتصرف الثقب الأسود في نظام V4641 Sagittarii مثل مكنسة كهربائية تعمل بكامل قوتها، لكن الجيران لا يرون سوى ضوء مؤشر خافت. التقط تلسكوبا LHAASO وHAWC منه أشعة غاما بطاقة تصل إلى 0.8 بيتا إلكترون فولت (PeV) — أي أكبر بملايين المرات من طاقة الأشعة السينية المستخدمة في المستشفيات.

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.

انفجار غاما هو مثل طلقة من مدفع كوني: وميض قصير لكنه مبهر، يخفت لمدة ثوانٍ ضوء مجرة بأكملها. لكن عند النظر إليه في أشد نطاقات غاما طاقةً (فوتونات ذات طاقة أعلى من غيغا إلكترون فولت)، غالبًا ما يضيع الإشارة في الضوضاء، مثل همس خافت في قاعة صاخبة. ابتكر علماء الفلك حيلة: جمع 330 من هذه "الهمسات" معًا لسماع الجوقة الجماعية.

يشبه العلاج الإشعاعي إطلاق النار من بندقية كبيرة العيار على هدف صغير: حتى الطلقة الدقيقة تصيب مساحة واسعة حول الهدف. سمك "الأثر" — الذي يسمى شبه الظل — في الأجهزة القياسية يتراوح بين 2 إلى 3 مليمترات. بالنسبة لورم في الرئة، هذا ليس مشكلة كبيرة، ولكن بالقرب من عصب أو وعاء دموي، هذه المليمترات تحدد ما إذا كان الشخص سيبقى بصحة جيدة.

ثمانٍ وعشرون ثانية — هذا هو الوقت الذي استغرقته كاميرا آلية لتوجيه نفسها نحو ومضة في كوكبة استغرق ضوءها أكثر من تسعة مليارات سنة للوصول إلينا. عمل التلسكوب في مرصد أوندريوف التشيكي مثل جهاز إنذار الحريق: بمجرد أن رصد القمر الصناعي انفجار أشعة غاما، دوّر الروبوت الأنبوب وبدأ بتصوير السماء كل بضع ثوانٍ.

يُعرف النظام الثنائي الثقب الأسود SS433 بأن ثقبًا أسود فيه يسلخ المادة عن نجم مجاور. جزء من الغاز يسقط في الثقب، وجزء يُقذف في نفاثين ضيقين يدوران مثل قمة الغزل. تُرى هذه النفاثات في نطاق الراديو والأشعة السينية. مؤخرًا، رصدت تلسكوبات H.E.S.S. وHAWC وLHAASO إشعاع غاما في مكان غير متوقع: ليس عند المصدر نفسه، بل على بعد مائة سنة ضوئية منه.

يشبه ليزر الإلكترون الحر العادي آلة موسيقية ذات وتر واحد: لا يمكنه العزف إلا على نغمة واحدة ما لم تغير بنيته. للحصول على طول موجي مختلف، يتعين إعادة ضبط المغناطيسات أو تسريع الإلكترونات بقوة أكبر. هذا مكلف وضخم. وجد الفيزيائيون في الفريق الذي نشر العمل طريقة لجعل الآلة تعزف النغمات التوافقية — تلك التوافقيات التي تجعل صوت الكمان أكثر ثراءً.