استقطاب الأشعة السينية

المترجم في غرفة الاجتماعات يلتقط تغيّر النبرة قبل أن تُلفظ بصوت عالٍ. إنه يلاحظ تغييرات طفيفة في التنفس والتوقفات ونبرات الصوت، فيعرف مسبقاً أن الحديث سيرتفع خلال دقائق. والثنائي الأشعاعي السيني 4U 1705-44 يدير حديثاً مماثلاً منذ ثلاثين عاماً: تدفقه الإشعاعي تارة يهدأ وتارة يتوهج، وحتى الآن لم يستطع أحد التقاط اللحظة التي تتحول فيها المرحلة الهادئة إلى مرحلة عاصفة.

الكرة الأرضية تقف على الطاولة، والمسطرة بجانبها: واحدة منحنية والأخرى مستقيمة. عاشت تلسكوبات الأشعة السينية لسنوات مع هذا التناقض. مراياها تجمع الضوء على سطح منحنٍ، مثل الكرة الأرضية، بينما الكواشف التي تلتقط هذا الضوء كانت مسطحة، مثل المسطرة. كان المهندسون يغطون السطح المنحني بفسيفساء من العديد من أجهزة الاستشعار المسطحة الصغيرة، متحملين الفجوات بينها وتعقيد البناء. الآن أمكن ثني المسطرة.

نحات يشكل الجبال من المجالات المغناطيسية والحرارة، لكن الحجر يقاوم. النجم النيوتروني — بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم — في نظام ثنائي يسحب المادة من النجم المجاور. هذه المادة الساقطة تسخن قشرة النجم بشكل غير متساوٍ، بينما يسحبها المجال المغناطيسي من الداخل.

مايو 2022. تثبّتت عيون مستقطب الأشعة السينية IXPE ومطياف NuSTAR ومراقب NICER بشكل متزامن على نقطة واحدة في السماء — على ثقب أسود في نظام الدجاجة إكس-1، حيث يدور حول تطور النجوم في نجم ثنائي بفترة قدرها 5.6 يومًا. مرت الساعات وتجمعت الفوتونات، لكن بين الحين والآخر كان التدفق ينخفض فجأة. وكأن أحدًا يغطي الضوء بحاجب.

المصباح اليدوي العادي يعطي ضوءًا تتذبذب موجاته في جميع الاتجاهات في آن واحد. لكن إذا مررنا الضوء عبر مرشح خاص، يمكننا الحصول على شعاع يتذبذب في مستوى واحد بدقة — وهذا هو الضوء المستقطب. عندما يمر هذا الشعاع عبر نسيج بيولوجي، فإن بنيته الداخلية تغيّر اتجاه التذبذب قليلًا. سابقًا، كانت هذه التغيرات توصف بكميات بسيطة مثل متوسط الالتواء أو فقدان الاستقطاب.

ليلة في لا بالما. تلسكوب ويليام هيرشل الذي يبلغ قطره 4,2 مترًا موجه نحو الزهرة. في بؤرته، مقياس الاستقطاب (polarimeter) التجريبي ExPo، المصمم لالتقاط الضوء الشبح للكواكب الخارجية كوكب خارجي (exoplanet).

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.

في نظام ثنائي متقارب، يضيء النجم الساخن، ككشاف ضوئي، رفيقه الأكثر برودة. يتشتت جزء من الضوء على الإلكترونات الحرة في غلافه الجوي — وهذا هو تشتت تومسون — ويكتسب استقطاباً خطياً. مع تحرك النجمين في مدارهما، يدور هذا الاستقطاب، كعقرب بندول إيقاع كوني عجيب.

ميكروفونان حساسان يستمعان إلى الكون. أحدهما يسمع طنينًا منخفضًا، والآخر لا يسمع شيئًا تقريبًا. الأمر ليس عطلًا، بل يتعلق بطريقة توجيههما. مراصد الموجات الثقالية مثل LIGO لا تلتقط فقط الاندفاعات الصاخبة الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء. إنها تحاول أيضًا سماع خلفية هادئة ومستمرة — صدى الأحداث البعيدة المختلط في طنين عام.

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.

كاشفات الأشعة السينية مبنية على غرار أقراص العسل: في الخلايا السداسية، تُسجَّل هنا وهناك ومضات — آثار اصطدام فوتونات فردية. تضطر الخوارزميات التقليدية إلى تمديد هذا البنية السداسية الطبيعية إلى شبكة مستطيلة، مما يولد قطعًا أثرية — أشباحًا زائفة للاستقطاب الاستقطاب تشوه الصورة الحقيقية.

حجر صغير يسقط في بركة — فتنتشر دوائر على الماء. لكن إحدى الموجات فجأة لا تتباعد، بل تلتصق بطية غير مرئية على السطح وتجري على طولها فقط. شيئًا مشابهًا اكتشفه الفيزيائيون عندما أعادوا حساب لقاء الضوء مع جدار مجال أكسيوني — منطقة ضيقة حيث يتغير المجال إشارته، مثل سلسلة جبلية تفصل بين منحدرين.

قمة دوارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنها تجعل الضوء حولها يلتف في حلزونات — هذه صورة معبرة لما يحدث عند أفق الثقب الأسود. البلازما شديدة الحرارة تسقط فيه وتصدر موجات راديو. استقطاب هذه الموجات (أي المستوى الذي تتأرجح فيه الموجة) يصبح سهمًا يشير إلى اتجاه تدفق الطاقة.

العمالقة الحمراء هي نجوم متقدمة في العمر ومنتفخة، استنفدت الهيدروجين في نواتها. في أعماقها يغلي محيط من البلازما: تندفع الحرارة من النواة إلى السطح، مولدة موجات تشبه المد العاتي. يعمل الحقل المغناطيسي داخل النجم كتضاريس تحت الماء غير مرئية – فهو يوجه هذه الموجات، ويغير ارتفاعها وسرعتها.

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.

الموجات الثقالية هي اهتزازات في نسيج الزمكان نفسه، كما تنبأت النظرية النسبية العامة. حتى وقت قريب، كانت أجهزة الكشف مثل LIGO وVirgo تسجل فقط الشدة الكلية للإشارة، أي "جهارتها"، لكن لكل موجة أيضًا استقطاب، وهو الاتجاه الذي يهتز فيه الزمكان المنحني.

رصاصات صغيرة غير مرئية تخترق الشمس من جانب إلى آخر، دون أن تكاد تلاحظ مادتها. هذه هي الأكسيونات – جسيمات افتراضية خفيفة جدًا ومراوغة لدرجة أنها تُشبَّه بالأشباح. يفترض الفيزيائيون أنه في أعماق النجم الحارة يمكن للفوتونات الحرارية (جسيمات الضوء) أن تتحول إلى أكسيونات، وهذه الأخيرة عند خروجها إلى الخارج تعود لتتحول إلى فوتونات – لكن في نطاق الأشعة السينية.

حول نار غير مرئية يدور غاز متوهج. النار نفسها مخفية، لكن ملامحها تُستشف من طريقة رقص اللهب. هكذا تقريباً "يرى" علماء الفلك الثقوب السوداء — ليس الجسم نفسه، بل المادة شديدة الحرارة التي تتسارع إلى سرعات هائلة قبل سقوطها في الهاوية وتتوهج.

تصل موجات الراديو من المستعر الأعظم — الموت الكارثي لنجم ضخم، الذي يخفت توهجه للحظات مجرة بأكملها — إلى الأرض مستقطبة. وهذا يعني أن مجالها الكهربائي يهتز بشكل أساسي في مستوى واحد، مثل إبرة بوصلة ثابتة في مجال مغناطيسي.

زوج من المتزلجين الفنيين يدوران ممسكين بأيدي بعضهما. إذا كان المسار دائرة مثالية، تكون كل دفعة من الشريك متوقعة. لكن بمجرد أن يتمطط إلى شكل بيضاوي، تصبح الجهود غير متساوية: عند الاقتراب تكون دفعة قوية، وعند الابتعاد هدوء. هكذا تقريبًا يتصرف ثقبان أسودان في الدقائق الأخيرة قبل الاندماج.

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.

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.

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.

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%.

النجم النيوتروني هو نواة مضغوطة لنجم ميت، جسم بحجم مدينة لكن بكثافة هائلة. بعض هذه النجوم تصبح نجومًا نابضة — منارات كونية تصدر نبضات إشعاعية دورية بدقة متناهية. مجالها المغناطيسي أقوى بمليارات المرات من مجال الأرض؛ وعند القطبين المغناطيسيين ينفجر إلى الخارج كنافورة بلازما عاتية.

قدرٌ من الماء المغلي على الموقد: كلما زادت النار، زادت حرارة الماء وزاد البخار المتصاعد. هكذا تقريبًا يتصرف الغاز الساخن في عناقيد المجرات. لكن في مجموعات المجرات الصغيرة، يتسرب هذا «البخار» أسرع مما يمكن توقعه بناءً على درجة الحرارة. أخذ علماء الفلك كتالوجًا يضم 155 مجموعة وعنقودًا من المجرات، مسافاتها معروفة بدقة عالية (انزياحات حمراء من 0,07 إلى 0,2).

غالبًا ما تكون الألياف في المواد المركبة أو الورق أو الأنسجة البيولوجية مخفية عن العين، لكن اتجاهها يحدد قوة المادة وخصائصها. سابقًا، لتحديد اتجاهات الألياف، كان يلزم التقاط العديد من الصور بزوايا مختلفة وتجميع صورة ثلاثية الأبعاد — كما لو أننا نقطع رغيف خبز إلى شرائح رفيعة. بالنسبة للعينات الرقيقة، لا تصلح هذه الطريقة: لا يمكن تقطيع شرائح. الطريقة الجديدة تعمل بشكل مختلف.

ضوء الليزر يشبه صفًا مثاليًا من الجنود في عرض عسكري: كل الموجات تهتز في مستوى واحد. هذا النوع من الضوء يُسمى مستقطبًا. في الدراسة الجديدة، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من الحصول على أشعة غاما مستقطبة عن طريق تصادم الإلكترونات مع نبضة ليزرية قوية.

قمع عملاق في الفضاء يمتص الغاز من الفضاء المحيط. جزء من هذا الغاز لا يسقط إلى الداخل، بل يُقذف إلى الخارج — مثل رذاذ الماء المغلي. هكذا يتصرف المصدر فائق السطوع للأشعة السينية NGC 5204 X-1: جسم مضغوط (غالبًا ثقب أسود) يبتلع المادة بنهم شديد بحيث ينفجر الفائض إلى الخارج في تدفقات قوية.

الثقب الأسود البجعة X-1 هو أحد أكثر الثقوب السوداء دراسةً في مجرتنا. وهو في نظام ثنائي مع نجم عادي، يسحب منه المادة. ويتشكل الغاز في قرص مضيء، مثل الماء في دوامة، وفوق القرص يعلق إكليل حارق — سحابة من الإلكترونات بدرجة حرارة مئات الملايين من الدرجات.

نجم نيوتروني بحجم مدينة يدور ثلاثين دورة في الثانية. مجاله المغناطيسي أقوى بتريليونات المرات من مجال الأرض. هذه الظروف قادرة على توليد سحابة من الأكسيونات حول النجم — جسيمات خفيفة لم يلتقطها أي كاشف حتى الآن، لكنها تفسر جيدًا الكتلة الخفية للكون. تتفاعل الأكسيونات مع الضوء: في مجال مغناطيسي قوي، تُدير قليلًا مستوى اهتزاز الموجة الكهرومغناطيسية.

النجم النيوتروني هو مدينة بحجم مدينة كبرى، مضغوطة إلى حجم كويكب صغير. حوله تغلي بلازما — غاز من جسيمات مشحونة، تمر عبره موجات مثل تموجات على سطح بركة. هناك ثلاثة أنواع من الموجات: ألففين (A)، وعادية (O)، وغير عادية (X). يمكن أن تتحول إلى بعضها البعض، وهذا التحول يتحكم في كيف نرى الضوء القادم من النجوم النابضة.

إذا قرّبت مسمارًا حديديًا من مغناطيس، فسوف ينجذب إليه. داخل المغناطيس، تشير الإبر المغناطيسية الصغيرة للذرات في اتجاه واحد — مثل جنود في طابور. لكن في بعض البلورات، يكون الطابور مختلفًا: الإبر المتجاورة موجهة في اتجاهين متعاكسين. هذا الترتيب يُسمى المغناطيسية التبادلية (alternagnetism)، ومن الصعب رؤيته مباشرة. في بلورة فلوريد النيكل (NiF₂)، تكون الإبر المغناطيسية لذرات النيكل موجهة بهذه الطريقة تمامًا.

الشمس ليست كرة هادئة. ففي داخلها تنتشر موجات باستمرار، كما في الجرس بعد قرعه. تصل هذه الاهتزازات إلى السطح وتكشف ما يحدث على الجانب البعيد غير المرئي. لطالما أتقن علماء الفلك «الاستماع» إلى هذا الرنين وتمكنوا من العثور على مجموعات كبيرة من البقع هناك. لكنهم حتى الآن لم يستطيعوا قول الشيء الأهم: أين يقع القطب المغناطيسي الشمالي للبقعة وأين يقع الجنوبي. يقترح العمل الجديد طريقة لتصحيح هذا الأمر.

النجم النابض بالأشعة السينية قنطورس X-3 هو نجم نيوتروني يدور بسرعة ويصدر نبضات من الأشعة السينية مثل المنارة. وجّه العلماء إليه ثلاثة تلسكوبات فضائية ودرسوا استقطاب الإشعاع — أي كيفية اهتزاز المجال الكهربائي لموجة الضوء. وتبين أن هذا الاستقطاب يتصرف بشكل متقلب للغاية: زاويته تتغير مع طاقة الفوتونات ومع طور النبض.

استيقظ الثقب الأسود GS 1354-64 في كوكبة الذبابة عام 2025 وبدأ يلتهم المادة من نجمه المجاور بشراهة. التقطه التلسكوب المداري IXPE في لحظة نادرة: كان التوهج قد خمد بالفعل، لكن النظام لم يهدأ بعد. وكأنه شخص توقف على عتبة الباب، ظل يتردد بين حالتين: الهدوء والاضطراب. اتضح أن الضوء القادم من محيط الثقب الأسود مستقطب، أي أن موجاته لم تتأرجح عشوائيًا بل في اتجاه واحد.

رصد التلسكوب الراديوي VLA سديم بوميرانج — سحابة نفختها الرياح القادمة من نجم نيوتروني سريع الدوران. في الصور الجديدة ظهرت تفاصيل بحجم قرص القمر في السماء: نواة ممدودة حول النجم النابض وقوس طويل يلتف حولها من الشمال. القوس لا يلامس النواة — بينهما فجوة مظلمة، مثل المسافة بين الشاطئ والموجة.

في السحابة المظلمة L43، حيث تولد النجوم، تدور حبيبات الغبار مثل بوصلات صغيرة. ضوء النجم الشاب يدفعها، بينما المجال المغناطيسي يصطفها في اتجاه معين. عندما تكون الحبيبة موجهة نحونا بجانبها، يصلنا دفؤها مستقطبًا — مثل الضوء الذي يمر عبر شق ضيق. من خلال هذا الاستقطاب، يقرأ علماء الفلك خريطة الخطوط المغناطيسية.

يمر ضوء النجم HD 163296 عبر القرص الغباري المحيط به، كما يمر شعاع مصباح يدوي عبر ماء عكر. تعمل جزيئات القرص على تشتيت الضوء، فيكتسب خاصية خاصة وهي الاستقطاب (polarization): تبدأ الموجات بالاهتزاز في مستوى واحد، مثل حبل يُهزّ عموديًا تمامًا.