نبضة الأشعة السينية

النباض PSR J0614-3329 يدور 318 دورة في الثانية. نقطة على خط استوائه تتحرك بسرعة تعادل 10% من سرعة الضوء تقريباً. من الخارج، يبدو النجم كمنارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن شعاعها يندمج في حلقة متصلة. لكن تلسكوب NICER على محطة الفضاء الدولية يلتقط ومضات فردية من الأشعة السينية، ومن خلال نمطها يعيد بناء شكل الجسم غير المرئي.

تمر الموجات الراديوية من نجم نابض بعيد عبر الوسط بين النجمي، وفي طريقها تصادف بنى مغناطيسية غير مرئية بحجم المسافة من الشمس إلى الأرض. إحدى هذه البنى هي طبقة تيار، حيث يغير المجال المغناطيسي اتجاهه فجأة، مثل إبرة بوصلة قفزت من الشمال إلى الجنوب.

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.

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.

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.

المنارة لا تومض بشكل منتظم، بل بنبضات قصيرة ساطعة. النجم النيوتروني في النظام 4U 1323-62 هو مثل هذه المنارة في نطاق الأشعة السينية. فهو يجذب الغاز من نجم مجاور، وعندما يتراكم ما يكفي من المادة على سطحه، يحدث انفجار نووي حراري — وميض من الأشعة السينية.

تضيء المنارة لجزء من الثانية ثم تنطفئ. يلتقط تلسكوب ميركات في جنوب أفريقيا مثل هذه الومضات في نطاق الراديو. وخلال فترة الرصد، التقط 27 مصدرًا جديدًا لم يرها أحد من قبل. النجوم النيوترونية هي بقايا نجوم منفجرة، انضغطت حتى صارت بحجم مدينة. وبعضها، مثل كشاف ضوئي تالف، يرسل أشعة راديوية ليس باستمرار، بل على دفعات قصيرة.

ضوء المنارة البعيدة لا ينطفئ فجأة: أولاً يتوهج بشدة، ثم يغرق ببطء في الظلام. هكذا يتصرف النجم النابض بالأشعة السينية 4U 0115+63 — نجم نيوتروني يشتعل من وقت لآخر عندما يسقط عليه غاز من نجم عادي مجاور. النجم النيوتروني هو بقايا نجم ضخم انفجر، وانضغط حتى أصبح بحجم مدينة، ويملك مجالاً مغناطيسياً أقوى بمليارات المرات من مجال الأرض.

النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران، وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة، تصدر نبضات راديوية مثل المنارة. لكن بعضها يظل صامتًا معظم الوقت، ولا يطلق سوى نبضة واحدة من حين لآخر. تُعرف هذه الأجسام بالعابرات الراديوية الدوارة (RRAT). اكتُشفت قبل حوالي عشرين عامًا، لكنها ما تزال لغزًا.

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.

89 ميلي ثانية. هذه هي المدة التي يستغرقها انهيار جليدي دوامي يعمل على تسريع دوران النجم النابض Vela فجأة – أحد أشهر النجوم النابضة القافزة. النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية سريعة الدوران تنشأ من انهيار مستعرات عظمى.

على الشمس تتردد الضربات بين الحين والآخر — إعادة الاتصال المغناطيسي في البلازما يطلق طاقة، مما يجعل الإكليل يتوهج. بعد كل ضربة من هذا القبيل، لا تزال الأمواج المغناطيسية الهيدروديناميكية تتردد في الحلقات البلازمية لفترة طويلة — مثل رنين الجرس المتلاشي.

لأكثر من قرن، حيّر السلوك المتقلب لنجوم نوع RR القيثارة علماء الفلك: يزداد سطوعها وينخفض بشكل دوري بسعة لا يمكن التنبؤ بها، مثل منارة بآلية معطلة. ظل تأثير بلاجكو، الذي اكتُشف عام 1907، يثير فضول العلماء لعقود. ولم يتمكن سوى تلسكوب كيبلر الفضائي، بدقته البالغة، من إيجاد مفتاح هذا اللغز.

شلال لا يسخن من السقوط، بل يتجمد — هكذا تقريبًا يتصرف الغاز المتدفق نحو النجم النيوتروني في النجم النابض بالأشعة السينية عندما يكون النجم خافتًا. عادةً، تسخن المادة المتساقطة حتى التوهج الأبيض، لكن العمل الجديد يُظهر العكس.

يستمر الوميض جزءًا من ألف من الثانية، لكنه في هذه اللحظة يقذف من الطاقة ما تشعه الشمس في يوم كامل. تُلتقط هذه الإشارات، وهي ومضات راديو سريعة، بواسطة التلسكوبات منذ عام 2007، ولا يزال مصدرها لغزًا. يقدم العمل الجديد إجابة أنيقة: الأمر كله يتعلق بمضخم كوني. النجم المغناطيسي هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بمقدار كوادريليون مرة من مجال الأرض.

في عام 1967، التقط علماء الفلك أول إشارة راديوية من منارة كونية بعيدة — النباض. منذ ذلك الحين، اكتُشفت آلاف من هذه البقايا النجمية، تقطع الفضاء بأشعتها كما تقطع الطلقات المتتالية الهواء. لكن العابرين الراديويين البطيئين المكتشفين مؤخرًا، مثل PSR J0901-4046 بفترة 75.9 ثانية، زعزعوا هذه الصورة المتناسقة.

الدوامة: تدوير الخفيفة أسهل من الثقيلة. هذا ما تفعله النجوم النيوترونية تقريبًا — وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. نظر علماء الفلك إلى نحو خمسين نظامًا ثنائيًا يدور فيه نجم نيوتروني حول آخر، فلاحظوا: كلما زادت كتلة النجم، طال زمن دورانه. العلاقة ليست حتمية، لكنها ملحوظة إحصائيًا. معامل الارتباط (مقياس العلاقة الإحصائية) حوالي -0.26، ومع احتمال 96% يكون أقل من الصفر.

النجوم النيوترونية، التي تولد في لهيب المستعرات العظمى، لا تكف عن إدهاشنا حتى بعد قرن تقريبًا من توقع وجودها. أشار كل من فريتز زفيكي وفالتر بادي في ثلاثينيات القرن الماضي إلى إمكانية وجودها، ثم اكتشفت جوسلين بيل بورنيل في عام 1967 النجوم النابضة — المنارات الكونية…

النجم الضخم لا ينطفئ ببساطة — إنه ينفجر على هيئة مستعر أعظم، تاركًا وراءه بقايا متوسعة و نجمًا نيوترونيًا يدور بسرعة جنونية — نجمًا نابضًا. في هذه العاصفة الكونية تولد أنماط مذهلة، وكان نظام «نيمبوس» — «الرعد» مثالاً مبهرًا عليها. تتدلى البقايا كسحابة مطر، ويخترقها النجم النابض الفائق الصوت كصاعقة برق.

سلك الهاتف الملتوي بشدة ينقطع وينثر الشرر. هكذا تسلك الحقول المغناطيسية على الشمس: تلتف، تنقطع، وتتصل مجدداً، مغذية الانفجارات. رأى الفلكيون هذه العملية مباشرة لأول مرة. كانت إحدى الحلقات ملتوية بزاوية 540 درجة — دورة كاملة ونصف. هذا أقوى بثلاث مرات مما كان يُعتقد أنه ممكن.

المقراب الراديوي ليس مجرد هوائي، بل آلة حاسوبية تبني صورة من ملايين المعادلات. هذا المنشور الرياضي هش كأنه زجاجي: رقم واحد خاطئ في المعايرة، فإذا بالسماء الحقيقية تنقسم، مولدة مصادر شبحية. وهذا بالضبط ما حدث في ليلة من ديسمبر 2019، حين حوّل عطل نجمًا نابضًا مجريًا عاديًا إلى إحساس: أول تدفق راديوي سريع دوري في التاريخ FRB 20191221A.

المصباح العادي يضيء إلى الأمام والخلف بالتساوي. أما في البلورات المغناطيسية، فينشأ أكسيون — إثارة شبحية تشبه الموجة في المدرج: تنقل الذرات بينها دافعًا مغناطيسيًا. عندما يلتقي الضوء بالأكسيون، يتكون هجين يعتمد مصيره على المجالين الكهربائي والمغناطيسي.

حتى جوسلين بيل بورنيل، التي سجلت لأول مرة الدورية الصارمة للإشارات الراديوية، لاحظت أن بعض النبضات تختفي فجأة. اليوم نعرف أن التغير ليس نزوة، بل صوت كهروديناميكية معقدة.

في عام 2022، بدأ علماء الفلك في اكتشاف منارات كونية غريبة — العابرات الراديوية طويلة الدورة. على عكس النجوم النابضة السريعة، التي اكتشفتها جوسلين بيل بورنيل في عام 1967، كانت هذه الأجسام تنفجر بدورات تصل إلى عشرات الدقائق والساعات.

منذ اكتشافها في عام 2007، تُثير الانفجارات الراديوية السريعة (FRB) حيرة علماء الفيزياء الفلكية بطبيعتها المراوغة. تأتي هذه الإشارات التي تدوم أجزاءً من الثانية من مجرات بعيدة، وتحمل طاقة هائلة: في لحظة تُطلق قدرًا من الطاقة يعادل ما تطلقه الشمس في شهر. مصدرها، على الأرجح، هو النجوم النيوترونية — البقايا فائقة الكثافة لـالمستعرات العظمى.

مصباح شارع يومض عندما يمر به شخص. هذا تقريبًا ما يفعله أقرب نجم إلينا، بروكسيما سنتوري، إذ يشتعل استجابةً لحركة كواكبه. رصد علماء الفلك هذا النجم باستخدام أداة حساسة للغاية تُدعى المطياف ESPRESSO، الذي يلتقط الضوء ويحلله إلى ألوانه مثل المنشور. لاحظ العلماء أن الكوكب الصغير بروكسيما d (بحجم المريخ) يجعل النجم يومض في لحظات محددة بدقة من مداره.

قمة الغزال تدور بسرعة هائلة وبدلاً من الطنين المنتظم تصدر أزيزًا هادئًا — لأنها مشوهة قليلاً. هكذا تعمل النجوم النيوترونية تقريبًا: كرات بحجم مدينة، مضغوطة إلى كثافة تجعل ملعقة صغيرة من مادتها تزن مثل جبل. إذا لم يكن هذا النجم كرة مثالية، بل لديه "نتوء" صغير على جانبه، فإنه يصدر موجات جاذبية مستمرة — تموجات في الفضاء نفسه تنتشر عبر الكون. من الصعب جدًا التقاط هذه التموجات.

اكتُشف أول كوكب خارج المجموعة الشمسية حول منارة كونية غريبة: نجم نيوتروني يُعرف بالنجم النابض. هذه البقايا فائقة الكثافة لنجوم ميتة تدور بسرعات هائلة وتصدر نبضات راديوية منتظمة. في عام 1967، التقطت جوسلين بيل بورنيل مثل هذه الإشارات، واعتقد الباحثون في البداية أنها رسالة من كائنات فضائية.

المنارة تومض بدقة مرة كل ثانية. إذا كانت تتحرك في مدار دائري، فإن ومضاتها تصل إما أبكر قليلًا أو متأخرة قليلًا — مما يكشف عن رفيق غير مرئي. هكذا كشف علماء الفلك عن الرفيق الخفي للنجم IY Lyrae. IY Lyrae هو نجم متغير نابض في القرص السميك للمجرة. يتغير لمعانه بفترة تبلغ حوالي نصف يوم: يتمدد النجم وينكمش بإيقاع منتظم. لكن ظهرت خلل في هذا الإيقاع.

منارة تغير لون كل ومضة مع إيقاع دورانها — هكذا يمكن وصف ما رآه الفلكيون عندما وجهوا أحدث تلسكوب للأشعة السينية XRISM نحو النجم النابض هرقل X-1. هذا الجسم هو نجم نيوتروني يسحب المادة من نجم عادي مجاور. أثناء السقوط، تلتف المادة في أعمدة ضيقة على طول الخطوط المغناطيسية وتصطدم بالقطبين بسرعة هائلة — عشرات آلاف الكيلومترات في الثانية.

في أعماق الفضاء، نجم نيوتروني سريع الدوران، نجم نابض يُلقّب بـ«المنارة»، يندفع عبر غاز متخلخل. وكأنه زورق سريع يشق الماء، يترك خلفه أثرًا مضيئًا من الجسيمات المشحونة. يُرى هذا الأثر في الأشعة السينية كذيل ساطع وخيط رفيع يمتد لسنوات ضوئية عديدة. النجم النابض هو بقايا فائقة الكثافة لنجم منفجر، يدور عشرات المرات في الثانية ويطلق حزمًا ضيقة من الإشعاع.

د النجوم النيوترونية هي بقايا بالغة الكثافة لنجوم ميّتة، كل منها بحجم مدينة لكنها أثقل من الشمس. في عام 1934، تنبأ بوجودها فريتز زفيكي. ملعقة شاي من هذه المادة تزن مليارات الأطنان. عندما يقترب اثنان من هذه الأجرام قبل الاندماج، تلتف حقولهما المغناطيسية وتتمزق مثل أوتار مشدودة.

عندما يدور ثقبان أسودان فائقا الكتلة حول بعضهما قبل الاندماج، فإنهما يهزان نسيج الفضاء نفسه — مثل قارب يجري في بحيرة تاركًا وراءه أمواجًا. تُسمى هذه الموجات بالثقالية. إنها تعبر الكون وتخترق كل شيء، حتى الأرض. لكن رصدها مباشرة صعب: نحتاج منشآت عملاقة مثل LIGO، التي تلتقط فقط دفقات قصيرة من ثقوب سوداء صغيرة.

البقعة الشمسية — جزيرة مظلمة على السطح الملتهب — تتنفس. كل ثلاث دقائق تنطلق منها موجة، تجري على طول قوس مغناطيسي غير مرئي وتجعل البلازما فوق البقعة المجاورة تومض بإشارة راديوية. التقطت التلسكوبات الراديوية سبعًا من هذه الومضات متتالية في 14 فبراير 2024. تكررت سلسلة الانفجارات بفترة زمنية تبلغ حوالي 160 ثانية.

التوهج الشمسي يشبه شريطًا مطاطيًا عملاقًا تم لفه ثم إطلاقه. تتشابك الخطوط المغناطيسية على الشمس، تتمزق ثم تعود لتتصل من جديد — وتسمى هذه العملية إعادة الاتصال المغناطيسي (magnetic reconnection). في موقع التمزق، تنطلق الطاقة: تتسارع الجسيمات، وتسخن البلازما، ونرى أشرطة مضيئة على السطح. في مارس 2022، حدث توهج متوسط الشدة على الشمس.

تبدو السماء ليلًا هادئة، لكن إذا أنصتنا إلى نطاق الراديو، نجدها مليئة بالطقطقات والهمسات القصيرة. يمشط علماء الفلك السماء بحثًا عن نبضات راديوية منفردة (single radio pulses) — رشقات تدوم ميلي ثانية تأتي من زوايا مختلفة من المجرة وخارجها. أحد هذه المسوحات يجري على التلسكوب الراديوي الذي يبلغ قطره 100 متر في إيفلسبيرغ (ألمانيا).

المنارة في سديم السرطان تومض ثلاثين مرة في الثانية. هذا نجم نابض (pulsar) — نجم ميت يطلق حزمًا ضيقة من الضوء أثناء دورانه، وتسقط الأرض في مسارها كما تسقط سفينة في شعاع منارة. لهذه المنارة شعاعان: النبضة الرئيسية والنبضة البينية.

عندما يغلي الماء في الغلاية، تنتشر موجات البخار في أرجاء المطبخ. وفي الفضاء، تجري عملية مشابهة في البلازما — الغاز المسخن بشدة لدرجة تنفصل فيه الإلكترونات عن الذرات. حول الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، هذه البلازما ليست مجرد ساخنة: فجسيماتها تندفع بسرعة تقارب سرعة الضوء.