وميض أشعة سينية

في قاعة مظلمة، يلتقط الوميض (الستروبوسكوب) الظلال اللحظية من بين الحشود، تلك التي لا تدركها العين. ثقب أسود بدائي بحجم فيروس، يمر أمام نجم بعيد، فيضخم ضوءه لبضع ثوانٍ، مثل عدسة مكبرة موجهة نحو مصباح. حتى الآن، لم يرصد أحد مثل هذه الومضات: فهي قصيرة جدًا بالنسبة للتلسكوبات الأرضية، وفي الحقول النجمية الساطعة تضيع بسبب اضطراب الغلاف الجوي.

رصد تلسكوب الأشعة السينية الفضائي XMM-Newton المجرة Mrk 1044 بشكل متواصل لمدة ساعتين. في مركزها يوجد ثقب أسود يدور حوله قرص تراكمي من الغاز شديد الحرارة. يصدر هذا الغاز إشعاعًا سينيًا، وسطوعه غير مستقر — فهو يتقلب: تارة يشتد، وتارة يضعف. في أول نصف ساعة من الرصد، كانت التغيرات في الإشعاع السيني الطري (ذي طاقة فوتونات أقل) والصلب (ذي طاقة أعلى) متزامنة.

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.

إسفنجة تُروى ببطء من إبريق تتبلل بالكامل. لكن إذا سكبت عليها نفس دلو الماء دفعة واحدة، فسوف تتبلل في المنتصف بينما تبقى الأطراف جافة تقريبًا. هذا تقريبًا ما تفعله مادة تمتص الطاقة بشكل غير خطي: كلما كان التدفق أقوى، زاد احتباسه في نقطة الإصابة. في العمل الجديد، تحولت هذه الصورة إلى نموذج بسيط.

على سطح القمر والكويكبات توجد حفر أصغر من رأس الدبوس، لكن بحواف لامعة منصهرة. تترك هذه الآثار نيازك دقيقة، لكن السرعة اللازمة لتكوّن الذوبان ظلت غير واضحة. لمعرفة ذلك، استبدل الباحثون الصخرة الفضائية بالليزر: نبضة قصيرة تسخّن نقطة على الصخرة تمامًا كما يفعل اصطدام ذرة غبار سريعة. أتاح الليزر ضبط الطاقة بدقة. عرّض العلماء عينات من الصخور للإشعاع وقاسوا الحفر الناتجة.

يُصوِّب الرامي نحو الهدف، يضغط على الزناد — ويسمع طلقتين: واحدة عالية والأخرى خافتة. هكذا تعمل المنشأة الجديدة، لكن بدل الرصاصات لدينا حزمة إلكترونية، وبدل الطلقات وميضان من الضوء. أحدهما بأشعة إكس والآخر بتيراهرتز. يطيران إلى نقطة واحدة بفاصل زمني مثالي. عادةً تُنتَج هذه الوميضات في آلات مختلفة، ومزامنتها أشبه بجعل عازفي طبول يعزفان بنفس الإيقاع دون أن يرى أحدهما الآخر.

في يوليو 1969، بينما كانت مركبة «أبولو-11» متجهة إلى القمر، لاحظ رواد الفضاء شيئًا غير معتاد: ومضات ضوئية قصيرة تظهر حتى وأعينهم مغلقة. في البداية، عُزي الأمر إلى الإرهاق، لكن الومضات تكررت مع أطقم مختلفة. تدريجيًا، اتضح أن السبب هو الأشعة الكونية — تيار من الجسيمات المشحونة التي تندفع عبر الفضاء بسرعات هائلة. تمر هذه الجسيمات عبر المركبة، وعبر الجفون، وتصل إلى العين.

يعمل الثقب الأسود في زوج وثيق مع نجم مرافق كمضخة جاذبية: يسحب الغاز من جارته، ويلفه في قرص تراكم متوهج، ومن وقت لآخر يقذف جزءًا من المادة بعيدًا في نفاثين نسبيين ضيقين. في عام 2021، أقام النظام الثنائي الأشعّي 4U 1543-475 مثل هذا العرض.

وميض ضوئي يستغرق جزءاً من ألف من الثانية لا يسخّن الجسم — على عكس الوميض العادي الذي يستمر لثانية كاملة. اكتُشف تأثير مشابه في العلاج الإشعاعي: عندما تُعطى الجرعة الإشعاعية خلال ميلي ثانية بدلاً من دقائق، تتضرر الأنسجة السليمة بدرجة أقل. وقد سُمي هذا تأثير فلاش (FLASH).

المجهر العادي عاجز عندما يتعلق الأمر برؤية فيروس منفرد بكل تفاصيله. إنه صغير جدًا. لكن هناك أداة تضرب بومضات أكثر سطوعًا بمليارات المرات من ضوء الشمس — ليزر الأشعة السينية ذو الإلكترونات الحرة. إنه مصمم بحيث يتمكن من "التقاط صورة" للجسيم قبل أن يتبخر من شعاعه نفسه. وبهذه الطريقة، درس العلماء فيروس العاثية PR772، الذي تم رشه في الهواء.

الكون عبارة عن أوركسترا هائلة تعزف سيمفونية التوسع. تتباعد المجرات على إيقاع موسيقى غير مسموعة لـ الطاقة المظلمة. لكن المشكلة أن عصا القائد التي يحملها إدوين هابل وآدم ريس وفيرا روبين تحدد إيقاعين غير متوافقين.

مرجل هائل يكاد يكون خامدًا في أغلب الأحيان، لكنه أحيانًا يقذف حزمًا من الشرارات. هذا تقريبًا سلوك الثقب الأسود الهائل في مركز مجرتنا — الجسم الرامي القوس A*. تبلغ كتلته أربعة ملايين ضعف كتلة الشمس، ويبعد عنا مسافة 26 ألف سنة ضوئية.

يعمل الغلاف الأيوني على ارتفاع 70 كيلومتراً كمرآة عملاقة لموجات الراديو. ترسل الهوائيات الأرضية إشارة إليه باستمرار وتستمع إلى الانعكاس. عندما يحدث توهج شمسي على الشمس، يصل تدفق الأشعة السينية إلى الأرض في 8 دقائق ويُكثف الطبقة السفلى من الغلاف الأيوني. هذا يشبه إمالة المرآة قليلاً — حيث يتغير طور الشعاع المنعكس (زمن وصول الموجة).

خرطوم الحديقة يضرب بنفث رفيع وقوي. إذا حرّكته فوق قطعة الأرض، يمكنك ريّ الحديقة كلها دون إغراق الممرات. تقريبًا هكذا يعمل النهج الجديد لعلاج الأورام العميقة: بدلًا من تيار إشعاع عريض، نأخذ حزمة ضيقة من الإلكترونات المسرّعة إلى سرعة تقارب سرعة الضوء، ونمسح بها الورم كما لو كانت نفث ماء.

عادةً ما يختبئ الثقب الأسود GRS 1915+105 خلف ستار غازي كثيف، إذ تُمتص أشعته السينية بشدة في طريقها إلينا. لكن في أبريل 2023، انفجر فجأة: زاد تدفق الأشعة السينية نحو عشرة أضعاف. تابع تلسكوبا NICER وSwift الوميض وسجلا كيف تغير الطيف، أي توزيع طاقة الأشعة السينية عبر الأطوال الموجية.

يعمل تحليل التألق بالأشعة السينية التقليدي مثل ناسخ دقيق: لمعرفة تكوين الصورة، يمر على كل سنتيمتر مربع ويسجل في دفتره إن كان هناك رصاص أو نحاس. بالنسبة لصفيحة مسطحة، هذا مقبول، لكن بالنسبة لجسم حجمي، فهو عذاب. يتطلب التصوير المقطعي تكرار المرور تحت زوايا متعددة، فيتضخم عدد القياسات مثل كرة الثلج.

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.

في عام 2017، رصد كاشف IceCube نيوترينو قادمًا من المجرة البعيدة TXS 0506+056. الأمر يشبه سماع رنين هاتف من عبر المحيط: الإشارة جاءت من حيث تولد الجسيمات الأكثر طاقة في الكون. بالتزامن مع النيوترينو، لاحظ علماء الفلك ومضة من أشعة غاما، وبعد سنتين إلى ثلاث سنوات، موجات راديوية.

جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي يشبه كاميرا تلتقط صورًا للداخل، لكنها بطيئة جدًا. يجب على المريض أن يبقى ساكنًا لعدة دقائق، بينما يستمر القلب في النبض. إذا تحرك الشخص أو اختلّ الإيقاع، تصبح الصورة ضبابية. يضطر الأطباء إلى تكرار الفحص، مما يهدر الوقت والجهد. الطريقة الجديدة تحل هذه المشكلة بطريقة غير تقليدية.

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.

كاشف المادة المظلمة يشبه ميكروفونًا شديد الحساسية يستمع إلى الصمت. يلتقط دفعات حرارية متناهية الصغر — فونونات (phonons) — تنشأ عندما تصطدم جسيم ببلورة الكاشف. لكن بدلًا من الصمت، تسمع الأجهزة ضجيجًا لسنوات: عدد كبير من الإشارات الضعيفة التي تقل عن بضع مئات من الإلكترون فولت.

مدينتان: واحدة بشوارع مستقيمة ومنظمة، وأخرى بأزقة متشابكة. إذا أطلقنا تيارًا مائيًا قويًا في كلتيهما، ففي الأولى سيغادر الماء بسرعة عبر القنوات، بينما في الثانية سيغرق كل شيء. هذا تقريبًا ما يحدث للأنسجة أثناء العلاج الإشعاعي فائق السرعة المعروف باسم FLASH. في الأنسجة السليمة، تُرتَّب الخلايا بشكل منتظم، مثل المنازل على شوارع مستقيمة.

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.

يشبه التوهج الشمسي قصر الدارة في لوحة إعلانية نيون عملاقة. داخل الشمس، تلتف المجالات المغناطيسية في حلقات كأنها أربطة مطاطية، وعندما تعيد الاتصال، تنطلق الطاقة إلى الفضاء. جزء منها يتحول إلى أشعة سينية صلبة تنتجها جسيمات تسارعت إلى سرعة تقارب سرعة الضوء.

مصادر الضوء السيني الحديثة تشبه أوركسترا بلا قائد: الإلكترونات في الحزمة تطير بشكل عشوائي، فيكون الإشعاع غير واضح. الفكرة الجديدة هي جعل الإلكترونات تصطف في صفوف منتظمة بمسافات تبلغ بضعة نانومترات. عندها يصبح الضوء المنبعث منها مترابطًا (coherent)، مثل شعاع الليزر. لتحقيق ذلك، يتم توجيه ليزرين ضعيفين إلى بلازما (غاز من الجسيمات المشحونة) بحيث يتقاطعان.

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 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.

سجّل التلسكوب الفضائي Einstein Probe عاصفة سماوية: بعد وميض غاما قصير (0,4 ثانية) — وهو بمثابة برق كوني — تبع ذلك قصف رعدي طويل من الأشعة السينية. استمر هذا الرعد نحو 10 دقائق. هذا هو أول دليل مباشر على أن مثل هذه الانفجارات تترك أثرًا سينيًا طويل الأمد.

لاحظ علماء الفلك سبع مرات كيف يمزق ثقب أسود نجماً عابراً. وقاسوا الومضات بدقة عالية باستخدام الأشعة السينية, ولاحظوا أن الإشعاع الأعلى طاقة كان دائماً يسبق الإشعاع اللين بـ500 ثانية. يشبه هذا الصدى الصوتي في الجبال، حيث يُسمع الصوت المباشر أولاً ثم انعكاسه عن الصخر. هنا، يلعب دور الصخرة قرص الغاز الحار المحيط بالثقب.

لطالما حيّرت التشويشات الراديوية القصيرة والقوية القادمة من أعماق الفضاء العلماءَ. يُعتقد أن مصدرها هو أنوية نجوم ميتة فائقة الكثافة، حيث المجالات المغناطيسية قوية بشكل لا يُتصوّر. وها قد التُقِط في الإشارة FRB 20190122C تركيبٌ غير متوقع: ثماني نبضات، تفصل بينها ميلي ثانية واحدة، تتضاءل سطوعًا تمامًا كرنين جرس بعد طرقه.

المغناطيس المثبت على الثلاجة يعتمد على إبر داخلية صغيرة جدًا، كل منها يشبه بوصلة مصغرة. إذا ضربنا المعدن بومضة ضوء قصيرة جدًا، تبدأ هذه الإبر في التحرك بشكل عشوائي، وتختفي المغناطيسية خلال جزء من مليون من مليار جزء من الثانية. في السابق، كان هذا "الاختفاء" أسرع من أن يُرى. الآن ظهرت أشعة ليزر سينية تُطلق ومضات أقصر من الزمن الذي يستغرقه خطوة واحدة للذرة.