طيف الأشعة السينية

حصل اثنا عشر نجمًا على جواز سفر بالأشعة السينية. الآن، لكل منها تُعرف الجرعة الدقيقة من الإشعاع التي يتلقاها الكوكب في المنطقة الصالحة للحياة، وهي المنطقة التي يمكن أن توجد فيها مياه سائلة. جُمع جواز السفر قطعة قطعة: الأرصاد الأرشيفية من التلسكوبات الفضائية XMM-Newton وChandra وHubble خُيطت مع نماذج الأغلفة الجوية النجمية.

الضوء الناشئ عند دخول إلكترون سريع إلى مادة ما يُعتبر عادةً متناحيًا (Isotropic) — أي متماثلًا في جميع الاتجاهات. لكن في البلورات، حيث تعتمد الخصائص البصرية على الاتجاه، ليس الأمر كذلك. مرر يدك على قطعة مخمل: في اتجاه واحد يكون ناعمًا ولامعًا، وفي الاتجاه الآخر يكون داكنًا وخشنًا. هكذا تتفاعل البلورة مع الضوء بشكل مختلف اعتمادًا على اتجاهها.

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.

تشبه المجرة مدينة: في المركز أضواء ساطعة وبناء كثيف، وفي الأطراف أضواء متناثرة وفراغ. لكن إذا تتبعت دوران الغاز في القرص المجري، ستجد أن السرعة عند الأطراف لا تنخفض تقريبًا. وكأن أحياء غير مرئية تواصل دعم الحركة. وجد علماء الفلك طريقة لرسم هذه المدينة غير المرئية على الخريطة.

المنارة تارة تتوهج وتارة تكاد تنطفئ، رغم أن المصباح بداخلها يضيء بثبات. هذا بالضبط ما رآه علماء الفلك عندما وجهوا التلسكوبات نحو المجرة I Zwicky 1. في مركزها يجلس ثقب أسود فائق الكتلة يلتهم الغاز والغبار بنهم شديد لدرجة أن قرصًا ملتهبًا يتشكل حوله، يتوهج أشد سطوعًا من مجرة بأكملها.

المادة المظلمة غير مرئية، لكن جاذبيتها تتحكم في حركة المجرات. مما تتكون؟ لغز. إحدى الأفكار: إنها جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. في الظروف العادية لا تظهر نفسها تقريبًا، لكن في محيط الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن تتحلل إلى فوتونين — مثل عود ثقاب لا يشتعل إلا بلهب مشتعل بالفعل.

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.

قشرة النجم النيوتروني ليست مجرد غلاف صلب. تحت وطأة مليارات الأطنان على كل سنتيمتر مربع، تفقد الذرات إلكتروناتها، وتترتب النوى المتبقية في شبكة بلورية صلبة تشبه أقراص العسل، لكنها من مادة أكثر كثافة من الفولاذ بمقدار تريليون مرة. عندما تتشقق هذه الشبكة بسبب الإجهاد المتراكم، يولد توهج الماغنتار — وهو اندلاع قصير لكنه مبهر للأشعة السينية.

عندما تُسخن المادة إلى ملايين الدرجات، تتحول إلى بلازما — خليط من الإلكترونات الحرة والأيونات، يشبه حساءً يغلي من الجسيمات المشحونة. لا يمكن النظر إلى هذا «الحساء» بميزان حرارة عادي، ولكن يمكن تسليط الأشعة السينية عليه.

تشبه المجرة فطيرة مضيئة مرصعة بالنجوم. إذا نظرت إليها بشكل مسطح، ترى كل شيء دفعة واحدة — الأذرع الساطعة والطبقات الداكنة من الغبار. لكن بمجرد إمالة الفطيرة، يتغير المشهد: تتراكب الطبقات ويختلط الضوء. هذا التأثير بالذات، كما اتضح، يخلق وهم الارتباط الوثيق بين إشعاع الراديو وأشعة غاما في الأنظمة النجمية البعيدة.

شعاع الأشعة السينية هو تيار من حزم الطاقة الصغيرة جدًا، وهي الفوتونات. العدادات التقليدية تعدّها لكنها لا تميز بين درجاتها: فالفوتونان المتقاربان في الطاقة يبدوان متطابقين بالنسبة لها. أما الجهاز الجديد فيعمل مثل مقياس حرارة حساس: فهو يلتقط كل فوتون ويقيس مقدار ما أحدثه من حرارة في غشاء رقيق.

النجم النيوتروني 4U 1735-44 يبتلع المادة من نجم مجاور. المادة تدور في قرص مسطح، مثل الماء المنسحب في مصرف الحمام. لكن هذا القرص يضيء بأشعة إكس، ولأول مرة تمكن علماء الفلك من قياس مدى "تمشيط" هذه الأشعة، أي استقطابها. ثلاثة تلسكوبات — IXPE وNICER وNuSTAR — رصدت الجسم في نفس الوقت. وتبين أن الاستقطاب ضعيف: 1.4% فقط بهامش خطأ 0.7%.

في مركز المجرة البعيدة MCG-6-30-15 يعيش ثقب أسود هائل. حوله يدور قرص من الغاز الملتهب، وفوق القرص تعلق سحابة من جسيمات أكثر سخونة - الهالة. في فبراير 2024، نظرت ثلاثة تلسكوبات للأشعة السينية - XRISM وNuSTAR وXMM-Newton - إلى هذا النظام في وقت واحد. التقطوا الضوء المنعكس عن القرص، وبناءً عليه تتبعوا حركات الهالة. تصرفت الهالة كما لو كانت كائنًا حيًا.

مركز مجرتنا يشبه مطبخًا مزدحمًا تُطهى فيه عدة أطباق في وقت واحد، ويتصاعد بخارها مختلطًا في سحابة واحدة. أشعة إكس الصادرة عن بقايا نجم منفجر، والرياح النجمية حول الثقب الأسود فائق الضخامة، والغاز الساخن بين النجوم، كلها تتراكب فوق بعضها البعض. فصل هذه الإشارات يشبه محاولة تخمين كمية الجزر والبصل في الحساء من خلال تذوقه فقط.

يتصرف الثقب الأسود MAXI J1810-222 مثل مكنسة كهربائية عملاقة، لكن مع صمام عكسي: فهو يسحب المادة إلى داخله، ويقذف جزءًا منها مرة أخرى إلى الفضاء. هذا «التدفق العكسي» — الرياح النجمية — لاحظه علماء الفلك في وقت سابق، لكنهم رأوه فقط كبقعة ضبابية في الأشعة السينية. الآن جاءت المساعدة من مطياف RGS على متن القمر الصناعي XMM-Newton.

في مركز درب التبانة، وسط سحب كثيفة من الغاز والغبار، توجد منطقة تُعرف باسم القوس C. إنها تشبه تقاطعًا مزدحمًا: تولد النجوم هنا، وتتصادم تيارات المادة، وكل ذلك مضاء بأشعة سينية. وظل هذا التوهج لغزًا لفترة طويلة. ألقى علماء الفلك نظرة على أرشيف أرصاد تلسكوبين للأشعة السينية — "تشاندرا" و"XMM-نيوتن" — وفحصوا السحابة بالتفصيل. اتضح أن التوهج يتكون من جزأين.

في النظام الثنائي 4U 1700-37، يفقد النجم العملاق الفائق HD 153919 رياحًا نجمية قوية. هذه الرياح، مثل تيار غير مرئي، تندفع نحو الجار المضغوط — على الأرجح النجم النيوتروني. عند سقوطها، تسخن المادة إلى ملايين الدرجات وتتوهج في نطاق الأشعة السينية. وجه علماء الفلك تلسكوب NuSTAR المداري نحو هذا الثنائي لفحص تفاصيل التوهج.

عندما ينفجر توهج سيني على نجم نيوتروني، ترتفع حرارة غلافه الجوي إلى ملايين الدرجات. الضوء الذي نلتقطه بالتلسكوبات يمر عبر هذه الطبقة الكثيفة من الغاز، ويتغير بشدة في طريقه. يصبح الطيف مختلفًا عن طيف الفرن المثالي: بعض الألوان تزداد قوة، وبعضها يخفت. بنى علماء من لوس ألاموس نموذجًا حاسوبيًا يكرر هذه الرحلة خطوة بخطوة.

ظل تلسكوب أشعة سينية في المدار لسنوات يسجل كيف تتوهج الأنظمة الثنائية، حيث يدور نجم عادي حول ثقب أسود أو نجم نيوتروني. تسقط المادة من النجم المرافق على الجسم المضغوط، وتسخن إلى ملايين الدرجات، وتصدر أشعة سينية. تراكمت في الأرشيف آلاف الأطياف — رسوم بيانية توضح مقدار الضوء القادم عند كل طاقة.