إكس ريزم

في قبو المختبر، يُصدر مغناطيس بقوة 8 تسلا طنيناً. داخله، مثل جرس في برج جرس، يعلق أسطوانة نحاسية مجوفة مضبوطة على نغمة واحدة فريدة. إذا مرّ أكسيون قريباً، وهو جسيم من المادة المظلمة، تستجيب الأسطوانة برنين خافت. المشكلة أن النحاس العادي يخمد هذا الرنين: عند الترددات العالية، يسري التيار فقط في طبقة رقيقة من سطح المعدن، فتزداد الخسائر.

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.

شعاع المجهر الإلكتروني عادةً يطير في الفراغ، مثل ساعي بريد على طريق سريع فارغ. أي جزيء هواء بالنسبة له هو مطبّ يقفز عنده ويفقد اتجاهه. لذلك، في السابق، لفحص عينة، كانوا يجمّدونها أو يجففونها أو يغطونها بمعدن — ومع ذلك كانوا ينظرون فقط في الفراغ. لكن الصدأ، وانصهار الزجاج، وتنفس المحفز، وحركة أرجل العث، كلها تحدث في الهواء، عند ضغط ودرجة حرارة قاتلين للمجهر العادي.

الغابة الليلية مليئة باليراعات، لكننا في السابق كنا نرى فقط تلك التي صادف وجودها في شعاع المصباح اليدوي. هكذا كان الحال مع مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع، وهي نقاط في مجرات أخرى تتوهج في الأشعة السينية بشكل أكثر سطوعًا مما يمكن أن يشعه ثقب أسود نجمي الكتلة بشكل مستقر.

أشعة غاما هي أكثر أشكال الضوء طاقة في الكون، وهي إشعاع كهرومغناطيسي بأطوال موجية قصيرة للغاية. لكن جزءًا منها، متوسط القوة، ظل غير مرئي لفترة طويلة: لم تستطع الأجهزة التقاطه، فبقيت فجوة في السماء. يسميها العلماء "فجوة الميغا إلكترون فولت"، نسبة إلى وحدة الطاقة التي تحملها هذه الأشعة، وهي الميغا إلكترون فولت.

السماء الليلية مليئة بالأضواء الخادعة. كان الفلكيون يبحثون عن مجرات تشكلت في أول مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، وقد قطع ضوؤها إلينا ما يقرب من 13 مليار سنة. اختيرت ست بقع خافتة بناءً على صور التقطها التلسكوبان الفضائيان «هابل» و«سبيتزر». وُجّهت إليها شبكة أطباق ألما الراديوية العملاقة في صحراء أتاكاما التشيلية لالتقاط الحرارة الضعيفة للغبار البعيد.

شعاع السنكروترون الناتج عن المسرّع يشبه تيار الماء القوي من خرطوم الإطفاء: شدته عالية، لكن حجمه العرضي كبير جدًا للدراسات الدقيقة للأجسام المجهرية. لفحص عينة صغيرة، نحتاج إلى إبرة رفيعة، لا خرطومًا.

يشبه الكون هيكلًا خفيًا ضخمًا. لا نراه مباشرة، لكننا نعلم بوجوده: فالمجرات وعناقيدها تتماسك بفضله. هذا الهيكل هو المادة المظلمة، وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية. النسخة الأكثر شيوعًا تقول إنها «باردة» وتتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة.

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.

أربعة خطوط خافتة على الصورة – كل ما يراه الفلكي. هكذا يستعيد النحّات شكل الزجاج غير المرئي من أربعة ظلال. قبل نحو مئة عام، تنبأ ألبرت أينشتاين بها، واقترح فريتز زفيكي استخدام العدسات الثقالية – تلسكوبات طبيعية من المادة المظلمة، تعزز ضوء النوى المجرية النشطة البعيدة بمئات المرات.

في قلب مجرة هيدرا-أ العملاقة، يغلي العمل. يطلق الثقب الأسود فائق الكتلة نفاثتين قويتين من البلازما تُعرفان بالجيتات (jets). تخترقان سحابة الغاز الحارق المحيطة وتنفخان فيها فقاعات هائلة. ولأول مرة، أتاح التلسكوب الياباني الجديد XRISM قياس السرعة التي يرتجف بها هذا الغاز ويتحرك. XRISM مرصد للأشعة السينية أُطلق عام 2023.

يُعد ثنائية اللون الدائرية المغناطيسية للأشعة السينية (XMCD) أداة دقيقة تسمح منذ فترة طويلة بفصل العزوم المغناطيسية المغزلية والمدارية. لكن النهج التقليدي يشبه تقييم أوركسترا بناءً على شدة الصوت فقط: فهو يعتمد على قواعد الجمع التي تختزل البنية الدقيقة للطيف إلى زوج من التكاملات. لسوء الحظ، هذه الطريقة حساسة للخلفية وتتطلب تنظيفًا شاقًا للبيانات.

الكون متاهة عملاقة من المرايا الملتوية. كتلة المجرات والعناقيد تشوه ضوء الكويزارات البعيدة، وكأنها تتلاعب بإدراكنا للكون. في غرفة المرايا هذه، يختبئ حل اللغز الأعظم: الطاقة المظلمة التي تدفع الفضاء بعيدًا بسرعة متزايدة. لالتقاط أنفاسها، لطالما حلم علماء الفيزياء الفلكية بزوج من المرايا المتطابقة، الموضوعتين على مسافات مختلفة - وعندئذ، بمقارنة الانعكاسات، يمكننا إعادة بناء هندسة القاعة.

نجم صغير يدور حول ثقب أسود عملاق دوّار. يقترب منه تدريجياً بشكل حلزوني، وتستمر هذه الرقصة آلاف السنين. طوال هذا الوقت، تنتشر موجات في الفضاء — مثل تموجات على سطح الماء، لكنها موجات ثقالية. يمكن «سماعها» بواسطة كاشفات خاصة.

ليزر قوي يضرب الماس مثل مطرقة حداد. لكن السندان هو المادة نفسها. تستمر الضربة لحظة، لكنها تولد ضغطًا أعلى بمليون مرة من الضغط الجوي. الفيزيائيون حلموا طويلاً بالنظر إلى هذه اللحظة ورؤية كيف تعيد الذرات ترتيب نفسها تحت الضغط. شعاع الأشعة السينية هنا مثل ومضة كاميرا. المشكلة أن سطوع الومضة نفسها قد يتغير من تجربة إلى أخرى.

خرطوم إطفاء يصيب كومة ثلج. الماء لا يزيح الثلج فحسب، بل عند نقطة الاصطدام تتطاير رذاذ وبخار ويحدث دوي. هذا تقريبًا ما تفعله النفاثات — تيارات ضيقة من المادة تنطلق من محيط الثقب الأسود بسرعة هائلة. عندما يصطدم مثل هذا التيار بسحابة من الغاز بين النجمي، فإنه لا يخترقها، بل يولّد موجة صدمة تضغط الغاز وتجعله يتوهج.

عملة معدنية صغيرة تدور حول كرة بولينغ ثقيلة. العملة هي ثقب أسود صغير أو نجم نيوتروني، والكرة هي ثقب أسود فائق الكتلة في مركز مجرة. تُسمى هذه الأزواج بالاندماجات المتطرفة (extreme mass-ratio inspirals): الجسم الصغير يقترب تدريجيًا من الجسم الكبير بشكل حلزوني، باعثًا تموجات في نسيج الزمكان — الموجات الثقالية.

في المجرة NGC 3583 رصدت التلسكوبات مصدرًا سينيًا غير عادي: يزداد سطوعه بشكل حاد دوريًا ثم يخفت تقريبًا تمامًا. وعند تحليل هذا الإشعاع إلى طيف — توزيع الشدة حسب الطاقة، الذي يشبه قوس قزح لكن في نطاق الأشعة السينية — اكتشف الفلكيون فيه انخفاضًا داكنًا ضيقًا، يُسمى خط امتصاص.

مدينة عملاقة من آلاف المجرات محاطة بسحابة غير مرئية من الغاز شديد الحرارة. هذا الغاز مثل الهواء في الغرفة: قد يكون هادئًا، وقد يضطرب بسبب التيارات الهوائية. وجّه علماء الفلك أحدث «مقياس حرارة» يعمل بالأشعة السينية نحو هذه المدينة — عنقود المجرات Abell 1795 — وقاسوا السرعة التي يتحرك بها الغاز هناك. في المركز، يتحرك بسرعة مشاة تبلغ حوالي 110 كيلومترات في الثانية، وعند الأطراف يهدأ إلى 70 كيلومترًا في الثانية.

الاستماع إلى الكون يعني التحلي بالصبر وضبط السمع. اختار الفلكيون لذلك أكثر الأدوات حساسية عند الترددات المنخفضة: مصفوفة الهوائيات OVRO–LWA – وهي 352 هوائياً ثنائي القطب منتشرة على مساحة كيلومترين ونصف في صحراء كاليفورنيا. خلال فترة تعريض قصيرة بشكل لا يصدق تبلغ 30 ثانية، قدم هذا الجهاز أكثر من ثلاثة ملايين لقطة للسماء بأكملها، مجزئاً الضوضاء الراديوية إلى نصف مليون شريحة ترددية بعرض 10 هرتز فقط.

النجم النيوتروني هو مدينة بحجم مانهاتن، مضغوطة إلى كثافة تجعل ملعقة صغيرة من مادتها تزن مثل جبل إيفرست. لفهم ما يتكون منه داخليًا، يقيس العلماء نصف قطره. لكن هناك مشكلة: العديد من القياسات تعاني من أخطاء منهجية، كما لو كنت تحاول تحديد طول شخص يتحرك ويميل باستمرار.

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.

عندما يمر كوكب خلف حافة نجمه، يضيء النجم غلافه الجوي — تمامًا كما تضيء شمس الغروب السحب فوق الأفق. هذه اللحظة العابرة، التي تستمر بضع دقائق فقط، تحمل بصمة الغازات التي مر عبرها ضوء النجم. وجّه علماء الفلك تلسكوب SPIRou نحو نظام WASP-33: حيث يكمل كوكب خارجي من نوع المشترى الحارق دورة كاملة حول نجمه في 1.2 يوم أرضي فقط.

شعاع مصباح يدوي موجه عبر زجاج مصنفر يتحول مع كل ملليمتر إضافي من السماكة إلى بقعة ضبابية. هذا هو تقريبًا سلوك الوميضات (scintillators) — المواد التي تحول أشعة إكس إلى ضوء مرئي. وهي أساس التصوير الطبي، وتفتيش الأمتعة، وكواشف المسرعات. وميض سميك يلتقط تقريبًا كل كمات الأشعة السينية (جسيمات الضوء)، لكن الضوء المتولد داخله يتشتت جانبًا، وتفقد التفاصيل الدقيقة في الصورة.

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.

الرياح الشمسية — وهي تيار من الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس — تصطدم بالغاز المخلخل الذي يملأ الفضاء بين النجوم. وينشأ عن هذا الاصطدام توهج ضعيف في الأشعة السينية. بالنسبة لعلماء الفلك، هذا التوهج أشبه بضباب أمام مصابيح السيارة الأمامية: فهو يحجب رؤية الأجسام البعيدة.

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.

حفنة من العملات المعدنية تتسارع إلى خمس سرعة الضوء. هكذا ستكون مسابير كوراكل (Coracle) بين النجوم — أجهزة صغيرة تزن بضعة غرامات، كل منها مزود بغشاء شراعي رقيق للغاية. يدفعها شعاع ليزر قوي: الضوء يضغط على الشراع كما تدفع الريح أشرعة اليخت، لكن بدل الهواء، هناك تيار من الفوتونات.

الصخر الدافئ والرمل البارد يبردان ليلًا بشكل مختلف. جهاز في مدار المريخ يقيس هذه الحرارة، ومنها يمكن معرفة مما تتكون السطح — غبار سائب أو قشرة صلبة أو صخرة. لكن دقة الصور الحرارية 100 متر لكل نقطة: ملعب كرة قدم كامل يسع في بكسل واحد. التفاصيل الدقيقة — مجاري الجداول القديمة، حدود تدفقات الحمم — ببساطة غير مرئية.

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 قلب درب التبانة، هناك شيء يتوهج باستمرار بأشعة غاما. هذا الضوء مميز — طاقته تساوي بالضبط 511 ألف إلكترون فولت. تظهر هذه الطاقة عندما يلتقي إلكترون بجسيمه المضاد، البوزيترون، فيفنيان بعضهما معًا مخلفين وميضًا من الضوء.

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.

يقطع ضوء النجوم البعيدة ملايين السنين، لكن الأشعة السينية لا يمكن التقاطها بالزجاج العادي — فهي تخترقه كما تخترق الرصاصة الورق. لذلك تحتاج تلسكوبات الأشعة السينية إلى عدسات خاصة: أكوام من المنشورات الصغيرة التي تحرف الأشعة بانحراف لطيف وتجمعها في نقطة واحدة.

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.

في أول مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، كان الكون يشبه ناديًا صاخبًا للمراهقين: المجرات تتوهج، تتصادم، وتلد النجوم بالمئات. لكن وسط هذه الضجة، رصد تلسكوب جيمس ويب شيئًا غريبًا — أحياء كاملة من «المتقاعدين» الهادئين. إنها مجرات ضخمة توقفت عن ولادة النجوم، رغم أنها وفقًا لكل الحسابات كان يجب أن تظل تعج بالنشاط.

عندما كوكب خارجي — كوكب خارج النظام الشمسي — يحجب قرص نجمه للحظات، يخترق ضوء النجم غلافه الجوي ويمتص "نكهته" الكيميائية. هذه التقنية — طريقة العبور: رصد الانخفاضات الطفيفة في سطوع النجم عند مرور الكوكب أمام قرصه — هي أساس عمل مرصد جيمس ويب الفضائي.

بعد موت نجم ضخم، يحدث انفجار مستعر أعظم — بقوة تجعل وميضه أكثر سطوعًا من مجرة بأكملها. في هذا اللهيب، تولد مليارات الأكسيونات — جسيمات خفية لا تكاد تترك أي أثر. في كل ثانية، تمر عبر كل واحد منا تريليونات من هذه الجسيمات الدقيقة دون أن تُلاحظ أبدًا. يُعتقد أن هذه الخفايا هي المادة المظلمة — المادة الخفية التي تمنع المجرات من التشتت.