نبضة فائقة القصر

ضبط الوتر على النغمة الصحيحة: تُضبط نبضة الليزر بحيث تتوافق التوافقيات على ترددات كيلو إلكترون فولت. الضوء الذي نراه يهتز بمعدل مئات التريليونات من المرات في الثانية. إذا أخذنا نبضة ليزر قصيرة جداً ووجهناها نحو غاز، فإن ذرات الغاز تبدأ بإعادة إصدار الضوء عند ترددات مضاعفة، مثل وتر يصدر بعد نقرته النغمة الأساسية بالإضافة إلى النغمات التوافقية.

ينفخ الحدّاد في منفاخه، فيتحول تيار الهواء البطيء إلى نفثة حادة قادرة على إشعال اللهب. وبطريقة مماثلة، يتعامل الفيزيائيون مع الضوء: يأخذون نبضة ليزر طويلة ويضغطونها إلى وميض قصير قوي. في العمل الجديد، ضغط علماء فرنسيون نبضة ليزر تجاري من الإتيربيوم 65 مرة، ليصل طولها إلى 6.2 فيمتوثانية. وهذا يعادل 1.8 تذبذب فقط من موجة الضوء.

هذا مثل رقم قياسي في سباق المسافات القصيرة: لكسره، تحتاج إلى اندفاعة مثالية. لكن النوابض دون الميلي ثانية النجوم النابضة مسافة اندفاعها قصيرة جدًا. أسرع نابض معروف، PSR J1748-2446ad، يدور 716 دورة في الثانية، أسرع من خلاط المطبخ. لو كان بحجم الأرض، لتحركت نقطة على خط استوائه بسرعة تعادل 0.24 من سرعة الضوء.

على الشاطئ ليلًا تقف منارة. مصباحها شبه مُطفأ معظم الوقت، لكنه كل بضعة أيام، لجزء من الثانية، يومض بضوء يُرى من وراء الأفق. هذا بالضبط ما يفعله PSR J2108+5055: نجم نيوتروني في مجرتنا يظل صامتًا لسنوات، ثم يُطلق نبضة راديوية واحدة قادرة على أن تُطغى على أسراب النجوم.

لمدة ثلاثة أيام متتالية، ضرب الليزر نفثًا من الغاز، وفي كل ثانية وُلدت حزمة إلكترونات بطاقة تعادل طاقة برق صغير. في السابق، كانت هذه الحزم لا تُنتَج إلا في قاعات ضخمة حيث يشغل المسرّع مبنى بأكمله. الآن، الجهاز بأكمله يتسع في غرفة واحدة وعمل دون انقطاع لمدة 72 ساعة. السر يكمن في أن نبضة الليزر تضغط في الغاز موجة — مثل قارب يترك خلفه أثرًا.

عندما تصطدم نبضة ليزر قوية بوسط غازي، فإنها تؤين الذرات — أي تنتزع الإلكترونات — وتسرعها إلى سرعات نسبية قريبة من سرعة الضوء. هذه الإلكترونات عالية الطاقة، أثناء مرورها عبر البلازما، تصدر إشعاعًا سينيًا، أشبه بأثر مضيء لجسيم سريع. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون نبضة ليزر واحدة تُنشئ أثرين من هذا القبيل تباعًا، لا أثرًا واحدًا.

إلكترونان ينبعثان من طرف إبرة معدنية في نفس الوقت تقريبًا يبدآن بالتنافر، وهذا مظهر من مظاهر التنافر الكولومبي بين الشحنات المتشابهة. تشبيه: شخصان يحاولان الدخول من باب ضيق في نفس الوقت؛ كلما كانا أقرب إلى بعضهما، زاد إعاقة كل منهما للآخر. تمكن العلماء لأول مرة من قياس هذا التنافر بشكل كامل في ثلاثة أبعاد، باستخدام إبرة ذات طرف رفيع جدًا ونبضات ليزر فائقة القصر لإخراج الإلكترونات.

الكيوبت الكيوبت فائق الموصلية — العنصر الأساسي في المعالج الكمومي — يُشبه آلة موسيقية حساسة: ما لم تضبطها، لن تحصل على نغمة نقية. ولكن حتى بعد الضبط، يتغير الصوت. المسؤول عن تدهور الحالة الكمومية هي عيوب مجهرية في المادة، يعرفها الفيزيائيون باسم الأنظمة ذات المستويين (two-level systems). تتصرف هذه العيوب مثل شقوق غير مرئية تظهر وتختفي تلقائيًا، معطلة الإيقاع المتماسك للمعالج.

المجرة ليست بحيرة هادئة، بل بركة تعلوها تموجات. هذه التموجات تُحدثها المادة المظلمة فائقة الخفة (جسيمات أخف بمليارات المليارات من الإلكترون). تذبذبات مجالها تخل بتوقيت النجوم النابضة البعيدة — وهي منارات كونية تلتقط إشاراتها التلسكوبات الراديوية الأرضية.

في المحيط الصامت للمجرة، لربما اختارت الحضارات الناضجة منذ زمن استراتيجية غير متوقعة: فبدلاً من المنارات الصاخبة، تنثر يراعات هادئة — منارات ليزرية بين نجمية ذاتية التشغيل، تنجرف في الفراغ وتُسقط ومضات ميكروثانية. هذه «بذور الاتصال» غير مرتبطة بنجومها الأم ولا تخبو في ضيائها.

الليزر العادي هو رنان (resonator) يتردد فيه الضوء بين مرآتين ويتضخم. لكن يمكن الاستغناء عن المرايا وجعل الضوء يدور في جسيم متناهٍ في الصغر أصغر من موجة الضوء نفسها. هكذا تعمل الليزرات الجديدة المصنوعة من جسيمات نانوية لفوسفيد الإنديوم الهيدروجين موضوعة على ذهب أملس تمامًا.

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.

في كوكبة العقرب، على بعد 3000 سنة ضوئية من الأرض، يسرق نجم ميت المادة من نجم حي. القزم الأبيض في نظام IGR J17014-4306 — كرة كربون-أكسجين فائقة الكثافة، بكتلة تعادل الشمس لكن بحجم الأرض — يجذب الهيدروجين من نجم رفيق عادي.

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.

في جزيء البنزين، تدور الإلكترونات حول الأنوية مثل سرب نحل حول خلية. لكن هذا السرب لا يطن فحسب — بل ينبض: كل 856 أتوسكند، تكمل السحابة الإلكترونية دورة تذبذب كاملة. أما الخلية نفسها — أنوية ذرات الكربون — فتهتز ببطء أكبر، بفترة 36 فيمتوثانية. مهمة التقاط الحركتين معًا تشبه محاولة تصوير رفرفة جناح طنان وانقباض عضلة صدره في لقطة واحدة.

الكون مليء بمادة غير مرئية — المادة المظلمة — التي تأثيرها الثقالي واضح، لكن تكوينها يظل لغزًا. إحدى الفرضيات تقترح أنها تتكون من جسيمات فائقة الخفة، كتلتها صغيرة جدًا لدرجة أنها تظهر خصائص موجية، مكوّنةً نوعًا من التموجات الكونية. لرصد هذه التموجات، لجأ العلماء إلى أكثر الساعات الطبيعية استقرارًا — النجوم النابضة.

يتأرجح البندول بدقة مذهلة، فلو كان يعدّ الثواني منذ الانفجار العظيم، لما أخطأ حتى اليوم سوى نصف ثانية. هذا هو استقرار الليزر فوق البنفسجي المحمول الجديد — قلب ساعات الألومنيوم الذرية. يعمل هذا الليزر كمسطرة فائقة الدقة لقياس تردد الانتقال الذري.

عادةً ما تُفصل النظائر بالاعتماد على الفرق في وزن النواة. هذا الفرق ضئيل للغاية — وكأننا نفرز حبيبات رمل يبلغ الفرق بينها واحدًا على مئة من المليمتر. أما الطريقة الجديدة فلا تنظر إلى الوزن بل إلى دوران النواة — أي لفها المغزلي. يوجه الليزر نبضتين إلى الجزيئات بفاصل زمني قصير.

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).

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.

ومضة الكاميرا العادية تستمر لأجزاء من الألف من الثانية. النبضة الأتوسيكندية أقصر بمقدار تريليون مرة — فخلال زمنها، يقطع الضوء مسافة أصغر من حجم الذرة. تعمل هذه الومضات كغالق فائق السرعة: فهي تجمد حركة الإلكترونات، مما يتيح رؤية كيف تقفز بين المدارات أو تشارك في تفاعل كيميائي. حتى الآن، كانت مشكلة هذه "الغواقل" هي الضوء الضعيف.

ومضة الكاميرا العادية تتجمد في أجزاء من مئة من الثانية، لكنها بالنسبة للذرات أشبه بالخلود. فداخل الجزيئات، تقفز الإلكترونات خلال زمن يُقاس بالأتوثانية: أي أجزاء من مليار من مليار جزء من الثانية. ولتصوير مثل هذه الأحداث، نحتاج إلى نبضة ضوئية أقصر من الحدث نفسه. يأخذ الفيزيائيون حزمة إلكترونات في مسرّع خطي ويضغطونها بحيث تصبح الحزم المفردة أرقّ من الشعرة — من حيث الزمن.

تبدو ورقة الفوسفور الأسود العادية وكأنها كعكة طبقات من الذرات. إذا سلطت عليها ضوء مصباح عادي، فلن يحدث شيء مميز: تبقى الإلكترونات في أماكنها بهدوء، مثل جمهور في قاعة مظلمة. لكن وميض ليزر قصير، يدوم أجزاء من المليون من مليار الثانية، يهز هذه القاعة. الضوء المستقطب على طول «المقعد» — وهو أحد الاتجاهات في البلورة — يزيح السحب الإلكترونية للحظات.

يمكن للضوء أن يحمل المعلومات أسرع من أي إلكترونيات. لكن عادةً ما يكون بين الحاسوب والليزر محول رقمي-تناظري (digital-to-analog converter) — جهاز يحول الأصفار والواحدات إلى إشارات كهربائية. وهذا الجهاز هو ما يبطئ العملية برمتها. جهاز الإرسال الجديد يستغني عن هذا الوسيط. يمر شعاع الليزر عبر عدسة مسطحة بطور قابل للتحكم — صفيحة رقيقة تلوي موجات الضوء.

ومضة ليزر مدتها 50 فيمتوثانية (femtosecond) تشبه طلقة تدوم جزءًا من مليار من الثانية. خلال هذا الزمن، يقطع الضوء 15 ميكرومترًا فقط — أقل من سمك شعرة الإنسان. لكن إذا مررت هذه الومضة عبر مضخم، فإنها تبدأ بالتمدد مثل شريط مطاطي وتفقد حدتها. وجد الفيزيائيون من مجموعة ياشا سوهل-ديكشتاين (رغم أنه معروف بأعمال أخرى) طريقة لتجاوز ذلك.

تستمر ومضة الليزر بضع فيمتو ثوانٍ (femtoseconds) – وكأن لحظة واحدة قُسّمت إلى مليون جزء. في هذه الومضة، تمتزج ألوان متعددة معاً، من الأحمر إلى البنفسجي. الأجهزة التي تقيس شكل الومضة كثيراً ما تخطئ: فهي ترى بعض الألوان جيداً وبعضها الآخر بشكل سيئ. ولهذا السبب، تكون الصورة الناتجة غير واضحة. يقترح مؤلفو المقال حلاً بسيطاً. يُمرَّر ضوء الومضة عبر مرشحات ملونة، مثل الزجاجات الملونة.

يحول ليزر الألماس ما يقرب من نصف طاقة الضخ إلى ضوء أصفر ساطع — بكفاءة 47.7% وهي رقم قياسي لهذه الأجهزة. لكن الميزة الأساسية ليست في القدرة، بل في نقاء اللون الاستثنائي: الشعاع أحادي اللون لدرجة يمكن تشبيهه بآلة موسيقية تصدر نغمة واحدة دون أدنى ارتعاش.

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).

تضرب شعاع الليزر غشاءً من الذهب والفضة لبضع نانوثوانٍ فقط — خلال هذا الوقت يقطع الضوء مسافة أقل من متر. عند نقطة الاصطدام، يغلي المعدن ويتناثر ويتجمد في نمط عشوائي من جسيمات صغيرة. كل نمط من هذه الأنماط فريد مثل الشقوق على الجليد أو أغصان الأشجار. لا يمكن تكراره عمدًا: أدنى اهتزاز في الشعاع أو ذرة غبار تغيّر الصورة.

قمة دوارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنها تكمل 220 دورة في ثانية واحدة — هذا هو بالضبط ما التقطه التلسكوب الراديوي الصيني FAST. إنه النجم النابض PSR J1810-0623، نجم نيوتروني بحجم مدينة لكن كتلته أكبر من كتلة الشمس. كل 4.55 ميلي ثانية، يمر شعاعه الراديوي بالقرب من الأرض مثل منارة في محيط كوني. هذا النجم النابض ليس وحيدًا.

التلسكوب الراديوي EDA2 في عمق الريف الأسترالي — كأذن عملاقة ملتصقة بالسماء. يستمع إلى الكون عند ترددات منخفضة جدًا، من 50 إلى 250 ميجاهرتز، حيث لا تميز التلسكوبات العادية شيئًا تقريبًا. هنا تحديدًا تبدو النجوم النابضة — نجوم نيوترونية سريعة الدوران — مثيرة للاهتمام بشكل خاص: إذ تتمدد نبضاتها وتتشوه وتحكي عن ما اعترض طريقها. في هذا المسح الجديد، التقطت هذه الأذن 120 نجمًا نابضًا.

ومضات إيقاعية لمنارة وسط ضباب كثيف — هكذا يبدو البحث عن النجوم النابضة. المنارة تدور، وشعاعها يصل إلى التلسكوب بشكل دوري. لكن الضباب يشتت الضوء، فتبدو الفترة مختلفة قليلًا. إذا رُصدت نفس المنارة مرتين، يمكن المقارنة: يجب أن تتطابق الفترات تقريبًا، وأن يكون التشتت متشابهًا. هذا بالضبط ما تفعله الخوارزمية الجديدة للبحث عن النجوم النابضة — نجوم نيوترونية سريعة الدوران تُصدر نبضات راديوية.

في مركز العديد من المجرات تختبئ ثقوب سوداء هائلة — أجسام ذات جاذبية قوية لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الإفلات منها. بين الحين والآخر، تصدر هذه الثقوب "صرخات": توهجات قوية من الأشعة السينية، ظلت طبيعتها لغزًا لفترة طويلة. تُعرف هذه الأحداث باسم الانفجارات شبه الدورية — وهي انبعاثات طاقة متكررة لكنها ليست منتظمة تمامًا.

الكاميرا التي لا تلتقط الضوء بل تيارًا من الإلكترونات المنعكسة عن بلورة هي كاشف بكسل هجين (hybrid pixel detector). إنه قادر على عد كل إلكترون يصطدم به، دون إحداث ضوضاء خاصة به تقريبًا. في الوضع العادي، عندما يتدفق شعاع الإلكترونات بشكل مستمر، يعمل الكاشف بشكل ممتاز.

نبض الليزر الذي يجري عبر البلازما يشبه عداءًا يشق طريقه وسط حشد من الناس. فهو يدفع الإلكترونات جانبًا، تاركًا خلفه قناة منخفضة الكثافة — تمامًا كما يفسح الحشد الطريق أمام العداء السريع. داخل هذه القناة، يتحرك قمة موجة الضوء أسرع قليلًا من الضوء في الفراغ، وهذه السرعة هي التي تحدد مدى كفاءة النبض في نقل الطاقة إلى الجسيمات.

عادةً ما يرتجف شعاع الليزر قليلاً، مثل وترٍ بعد نقرته. في الساعات البصرية، يتحول هذا الارتجاف إلى خطأ في ضبط الوقت. استبدل المهندسون الضوء المرتجف بضوء ثابت — فأصبحت الساعات المعتمدة على بخار الروبيديوم تدق بشكل أكثر انتظامًا بخمس مرات. داخل معيار التردد، يجعل ضوء الليزر ذرات الروبيديوم تمتص الطاقة بكميات محددة بدقة. وبعدد هذه الامتصاصات تُحتسب الثواني.

حلقة بحجم طبق العشاء جعلت حزمة الإلكترونات تدور في مسار دائري. قطرها 22 سنتيمترًا، وتستغرق الدورة الكاملة 4.7 نانوثانية فقط. للمقارنة: في ثانية واحدة، يمكن لهذا الإلكترون أن يكمل أكثر من مئتي مليون دورة. لإدخال الجسيمات إلى الداخل، استُخدم نبضة كهربائية قصيرة مدتها 140 نانوثانية. عملت هذه النبضة كدفعة حادة تقذف كرة صغيرة في مسار منزلق.

في مرصد غوري بيدانور الراديوي الهندي، 32 هوائيًا تشبه أجهزة تلفاز ضخمة تصغي إلى السماء. تلتقط الموجات الراديوية الصادرة عن النجوم النابضة — نجوم ميتة تدور بسرعة جنونية وتومض مثل المنارات. سابقًا، كانت الإشارات القادمة من هذه الهوائيات تُعالج ببطء وبشكل غير مريح. الآن، جمع المهندسون خط معالجة جديدًا: يستقبل البيانات الخام، ينظفها من التشويش، ويخزنها في أرشيفات مرتبة.

نبضة ليزر قصيرة تضرب الهواء — فتشتعل عند نقطة الاصطدام شرارة صغيرة تشبه البرق الخاطف. تعيش هذه الشرارة أطول مما يبدو: فالتوهج الساطع يظل مرئيًا لنصف ميلي ثانية، بينما يستمر التوهج الخافت قرابة عشرين ميلي ثانية. طوال هذا الوقت، تندفع الإلكترونات الحرة داخل البلازما، ولأول مرة تمكن العلماء من قياس عددها ودرجة حرارتها بدقة.

النجم النابض هو نجم ميت يدور بسرعة جنونية ويُرسل نبضات راديوية مثل المنارة. عادةً، تأتي هذه النبضات بدقة منتظمة، لكن في بعض الأحيان تظهر بينها وحوش حقيقية — نبضات عملاقة أكثر سطوعًا بآلاف المرات من العادية. استمع علماء الفلك لمدة 174 ساعة إلى النجم النابض PSR J1227-4853 باستخدام تلسكوب راديوي عملاق في الهند. هذا النجم النابض مميز: فهو يتسارع تارة ويتباطأ تارة أخرى، منتقلًا من نمط إلى آخر.