فيزياء الطاقة العالية astro-ph.HE

في تدفق الأشعة الكونية — الجسيمات القادمة إلينا من أعماق المجرة — يُعد التيتانيوم نادر الوجود. فنواته لا تكاد تُفرَّق عن الحديد: فكلاهما ثقيل، وكلاهما يترك آثارًا متشابهة في الكواشف. لكن في تجربة ATIC، وباستخدام مصفوفة سيليكونية، أمكن فصل التيتانيوم عن الحديد وتتبع كيفية تغير نسبتهما مع الطاقة.

عالياً فوق الغطاء الجليدي لأنتاركتيكا، ظل بالون يحمل كاشفًا معلقًا لمدة عشرين يومًا. كان يلتقط جسيمات صغيرة جدًا، ظلت تحلق نحونا لملايين السنين قادمة من انفجارات نجمية بعيدة. الآن، فك العلماء حمولته وأخبرونا عن الطاقة التي حملتها البروتونات ونوى العناصر المختلفة. اتضح أن الجسيمات ليست كلها متشابهة.

عالياً فوق القارة القطبية الجنوبية، رفع بالون جهازًا لالتقاط الإلكترونات القادمة من الفضاء. تصل هذه الجسيمات من انفجارات نجوم بعيدة وأحداث قوية أخرى. قام الجهاز بقياس طاقتها — أي قوة اصطدامها. وفي أحد نطاقات الطاقة، وُجد أن عدد الاصطدامات أكبر مما توقعته الحسابات. أظهر التحليل الأول للبيانات حدبة عريضة على الرسم البياني: كما لو كان هناك تيار إضافي في تدفق الجسيمات. الآن، تمت معالجة نفس البيانات مرة أخرى بطرق مختلفة.

في المرفأ الهادئ للفقاعة المحلية — وهي تجويف مخلخل من الغاز الساخن حول الشمس — دوى انفجار مؤخرًا. اشتعل مستعر أعظم على بعد عشرات الفراسخ منا، ولا يزال صداه يتردد في الأرجاء، مغيرًا صورة الأشعة الكونية. لطالما اعتُقد أن تدفق الجسيمات من المجرة منتظم، كضوء مصابيح بعيدة متعددة.

ارتفع بالون ATIC فوق القارة القطبية الجنوبية والتقط جسيمات أقدم من الأرض نفسها. من بينها نوى ذرية من الكبريت إلى الكروم، وكلما زادت طاقتها، زادت نسبتها مقارنة بالحديد. النموذج القياسي "الصندوق المثقوب" توقع العكس: كان يجب أن تذوب النوى الثقيلة مثل الملح في الماء. لكن البيانات أصرت على الارتفاع.

في تدفق الجسيمات المشحونة القادمة إلينا من أعماق المجرة، تبين أن الحديد هو الخروف الأسود. جهاز ATIC-2، الذي رُفع على منطاد فوق القارة القطبية الجنوبية، قارن كيف تتغير نسبة النوى من الكبريت إلى الكروم بالنسبة للحديد مع تغير الطاقة.

طيف الإلكترونات الكونية يشبه بصمات الأصابع في مسرح الجريمة. الجسيمات القادمة من أعماق المجرة تحمل في طاقاتها آثار من أنتجها. لفترة طويلة، كانت الصورة ضبابية: أجهزة ذات نطاقات طاقة واسعة، مثل صور غير واضحة، لم تسمح برؤية التفاصيل. لكن مؤخرًا، حصل العلماء على صورة واضحة — طيف عالي الدقة قاسه جهاز ATIC بدقة تبلغ حوالي 3%. وظهرت عليه خطوط غير متوقعة.

عالياً فوق الأرض يحلّق قمر صناعي، وبداخله جهاز بحجم خزانة صغيرة. يلتقط جسيمات ظلت تندفع عبر المجرة لمليارات السنين حتى اصطدمت أخيرًا بالكاشف. تُسمى هذه الجسيمات بالأشعة الكونية، وهي تحمل إلينا أخبارًا عن انفجارات نجوم بعيدة. جهاز NUCLEON على القمر الصناعي «ريسورس-بي» ظل ستة أشهر يجمع هذه «الرسائل من الفضاء».

مثل المتسابقين في سباق طويل، تتسابق نوى الذرات - من الهيليوم الخفيف إلى الحديد الثقيل - عبر المجرة بأكملها نحو الأرض. عند خط النهاية، في الكاشف الموجود على منطاد على ارتفاع عالٍ، نرى أن النوى الثقيلة تصل أكثر إرهاقًا قليلًا من النوى الخفيفة. الفرق صغير، لكنه يتكرر من رحلة إلى أخرى.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة تصل إلينا من أعماق المجرة. إذا رسمنا رسمًا بيانيًا يوضح عدد الجسيمات التي تصل عند كل طاقة، نجد الخط مستقيماً ثم ينخفض فجأة بشكل حاد. تسمى هذه الانحناءات "الركب" (knees). وهي تشير إلى أن مسرعًا للجسيمات في الفضاء بلغ حده الأقصى ولم يعد قادرًا على تسريعها أكثر.

في الليل فوق التايغا السيبيرية، يظهر أحيانًا وميض ضوء أزرق خافت. ليس هذا هو الشفق القطبي، بل زخة كونية: جسيم واحد من الفضاء البعيد يصطدم بالغلاف الجوي ويتفتت إلى ملايين الجسيمات الثانوية. تتجه هذه الجسيمات إلى الأرض في جبهة عريضة، مثل موجة من حجر أُلقي في الماء، وتجعل الهواء يتوهج. رصدت منشأتا «تونكا-133» وTAIGA-HiSCORE هذه الوميضات لمدة سبع سنوات.

الأشعة الكونية هي نوى ذرية تم تسريعها إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. تصل إلى الأرض من جميع الاتجاهات، ومن خلال تركيبها يمكننا معرفة ما يحدث في زوايا بعيدة من المجرة. جمع القمر الصناعي نوكلاون (NUCLEON) هذه الجسيمات لعدة سنوات، والآن أظهرت بياناته نمطًا غريبًا: كلما كان النواة نادرًا في الطبيعة، كان طيفه أكثر صلابة.

في كل ثانية، تمر عبر كل واحد منا عشرات الجسيمات القادمة من الفضاء. معظمها بروتونات خفيفة، لكن توجد أيضًا نوى ذرات أثقل: الكربون والأكسجين والحديد. تولد هذه الجسيمات في انفجارات النجوم وتطير نحو الأرض لملايين السنين. طاقتها قد تكون هائلة: جسيم واحد قد يحمل طاقة تعادل طاقة كرة تنس عند الإرسال. لكن في تدفق هذه الجسيمات يوجد انحناء غريب.

إلى الشمال من الميكروكويزار SS 433، في نطاق الأشعة السينية اللينة، ظهر قوس. خافت، ضبابي، لكنه يعيد بإصرار رسم ملامح كانت معروفة بالفعل من رصد الموجات الراديوية. درس علماء الفلك طيفه، فرأوا غازًا مسخنًا إلى أحد عشر مليون كلفن. غاز لا يمكن أن تصل حرارته إلى هذا المستوى لا بالنفاثات ولا برياح قرص التراكم. هذا الغاز هو موجة صدمة متجمدة.

يرسل اليراع ومضة تستمر واحدًا على عشرة مليارات من الثانية في مكان ما فوق التايغا السيبيرية. من المستحيل رؤية ذلك، لكن منشأة TAIGA-HiSCORE، المنتشرة على وادٍ في منطقة تونكينسكي في بورياتيا، حاولت التقاط مثل هذه الومضات بالضبط — ليس من الحشرات، بل من أعماق الفضاء. عادةً، يلتقط هذا النظام المكون من العديد من الكواشف الحساسة للضوء جسيمات أشعة الكون التي تصطدم بالغلاف الجوي للأرض.

على مسافة 8.58 ميغابارسك منا، تدور المجرة الحلزونية M51 أذرعها، بينما ينظر إليها التلسكوب الراديوي VLA في أوسع تكوين له بدقة 0.16×0.14 ثانية قوسية. هذا يعادل رؤية عملة معدنية على سطح القمر من الأرض. وبهذه الدقة العالية، أظهرت ثلاث مجرات قريبة، وهي M51 وNGC 4449 وNGC 4631، لأول مرة مصادرها الراديوية المدمجة منفصلة عن الخلفية الضبابية.

ليلة الرابع من مارس 2024. التلسكوب الراديوي ميركات (MeerKAT) في جنوب أفريقيا يلتقط نبضة تدوم أجزاء من الألف من الثانية، وهي تدفق راديوي سريع قادم من عمق 17.4 جيجا فرسخ فلكي. هذا ضوء استغرق وصوله إلى الأرض 10.5 مليار سنة. في تلك اللحظة، كان عمر الكون ثلاثة مليارات سنة فقط، أي في شبابه، عندما كانت المجرات تلد النجوم بوتيرة جنونية.

في مركز بقايا المستعر الأعظم SN 1987A، على بعد 168 000 سنة ضوئية من الأرض، يختبئ جسم يبحث عنه علماء الفلك منذ 37 عامًا. إنه أقرب مستعر أعظم انفجر أمام أعين التلسكوبات الحديثة، والوحيد الذي لم يُرَ بقاياه المدمجة مباشرة حتى الآن. في عام 2022، ميّز تلسكوب جيمس ويب لأول مرة خطوطًا ضيقة للأرجون والكبريت صادرة من قلب المقذوف.

يلتقط التلسكوب الراديوي إشارة تدوم بضعة أجزاء من الألف من الثانية، وفي هذه اللحظة الوجيزة تُطلق طاقة تعادل ما تشعه الشمس خلال أيام. هذا هو التدفق الراديوي السريع، نبضة راديوية في جزء من الألف من الثانية قادمة من مجرة بعيدة. منذ اكتشافه في عام 2007، يختلف علماء الفيزياء الفلكية حول مصدره. النموذج الجديد يقدم إجابة غير متوقعة: تفريغ مكثف.

في عام 2017، التقط كاشفا LIGO وVirgo موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج نجمين نيوترونيين. وقد تلا ذلك وميض كيلونوفا (kilonova)، وهو انفجار كوني ساطع يُعتقد أنه مهد ولادة أثقل العناصر في الجدول الدوري. الذهب في المجوهرات، والبلاتين في المحفزات، واليوروبيوم في شاشات الهواتف الذكية، كل ذلك، وفق الأسطورة الجميلة، جاء إلينا من مثل هذه الكوارث. لكن عندما أعاد علماء الفلك حساب المخزون، تصدعت الأسطورة.

في 9 أكتوبر 2022، قدّم الكون عرضاً لم يشهد علماء الفلك مثله في تاريخ الرصد بأكمله. انفجار أشعة غاما GRB 221009A، وهو أقوى انفجار كوني يُصدر وميضاً من أشعة غاما، أبهر الكواشف في المدار وعلى الأرض. أُطلق عليه لقب «الأكثر سطوعاً على الإطلاق».

في أبريل 2023، التقطت كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA موجة ثقالية من اندماج ثقبين أسودين. الكتلتان، 137 و103 كتلة شمسية، جعلتا الحدث GW231123 الأكثر ضخامة في تاريخ الملاحظات. كلا الثقبين يقعان في "فجوة عدم الاستقرار الزوجي"، وهو النطاق الذي لا يجب أن يترك فيه التطور النجمي العادي ثقوبًا سوداء. دوران المكونين، 0.90 و0.80، مرتفع أيضًا بشكل شاذ لمثل هذين العملاقين.

في المختبرات على الأرض، يُنتَج تكاثف بوز-أينشتاين بتبريد سحابة من الذرات إلى أجزاء من المليار من الكلفن. تفقد الذرات فرديتها وتندمج في موجة كمومية واحدة تتصرف ككل واحد. لكن في الفضاء، ليست هناك حاجة لمثل هذه الظروف: فالجاذبية نفسها تحفر آبارًا عميقة تنضغط فيها المادة وتبرد إلى حالة من الضباب الكمومي. يتكاثف هذا الضباب في أماكن مختلفة تمامًا.

في 23 نوفمبر 2023، التقطت كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA موجة ثقالية من اندماج ثقبين أسودين كتلتاهما 137 و103 كتلة شمسية. كلاهما وقع في فجوة عدم الاستقرار الزوجي، وهو النطاق من 69 إلى 139 كتلة شمسية حيث لا يترك التطور النجمي العادي سوى غاز متطاير. تبين أن دوران هذين الثقبين مرتفع بشكل مثير للريبة: 0.9 و0.8 من القيمة القصوى الممكنة. من أين جاء هذا الزوج؟ لغز ظل يؤرق الفيزيائيين الفلكيين.

ينظر تلسكوب أفق الحدث إلى M87* ولا يرى مجرد حلقة ضوء حول هاوية مظلمة. هذا الضوء ملتوٍ مثل البرغي. تحمل جبهة الموجة بنية حلزونية يسميها الفيزيائيون الزخم الزاوي المداري. في السابق، لم يُولَ هذا الأمر اهتمامًا، لكنه الآن أصبح أداة: من خلال التواء الضوء يمكن الاستدلال على خصائص الثقب الأسود نفسه. يعمل الثقب الأسود مثل لوحة q الضوئية.

تتشقق قشرة النجم المغناطيسي في غضون أجزاء من الثانية. يؤدي انزياح عميق إلى توليد موجات زلزالية تجري على السطح وتهز المجال المغناطيسي. هذا الزلزال النجمي يشبه الزلزال الأرضي، لكن على نجم نيوتروني بمجال أقوى بمقدار كوادريليون مرة من المجال الأرضي. حتى الآن، كانت نماذج الاضطرابات تقريبية: دوران واحد للسطح أو نبضة مثالية.

ظل الثقب الأسود في النسبية العامة يُعتبر مرآة مثالية: مهما سقطت عليه من حقول، فإنه لا يتشوه. أعداد حب المدية، وهي مقياس تشوه الجسم تحت تأثير حقل مدي خارجي، كانت تساوي صفرًا بالنسبة للاضطرابات القياسية والكهرومغناطيسية والجاذبية. بدا ذلك قاعدة حديدية، حتى جاءت الفرميونات.

رياح تهب عكس دوران الكوكب تنفخ مسبك الكربون. هكذا يبدو الغلاف الجوي للجسم PSR J2322-2650b، وهو رفيق شبيه بالمشتري لنجم نابض ميلي ثانية. في مساءين من نوفمبر 2024، راقب تلسكوب جيمس ويب الفضائي هذا النظام، ملتقطًا طيفًا في المدى من 0.6 إلى 5.3 ميكرومتر. ظهرت في البيانات نطاقات امتصاص واضحة أمكن نسبتها إلى جزيئات C3 وC2.

في قاعة المحكمة، لا تتوفر دائمًا تسجيل فيديو للجريمة. أحيانًا يُصدر الحكم بناءً على شهادات الشهود: ما كان قبل، وما أصبح بعد. هذا بالضبط ما فعله الفيزيائيون مع الإشارة GW250114، التي رُصدت في 14 يناير 2025. اندماج ثقبين أسودين هو أقوى حدث في تاريخ علم الموجات الثقالية: نسبة الإشارة إلى الضوضاء بلغت 80.

ثقبان أسودان يدوران في رقصة متقاربة، وحولهما يولد شيء مذهل: جزيء ثقالي. سحابة من البوزونات فائقة الخفة، وهي جسيمات كتلتها أقل من إلكترون فولت، تغلف الزوج مثل سحابة إلكترونية في أيون H2+. لكن الدور الذي تلعبه النوى هنا تلعبه الثقوب السوداء، والدور الذي يلعبه الإلكترون يلعبه حقل موزع على عشرات الكيلومترات.

على بُعد حوالي 25,000 سنة ضوئية من الأرض، في كوكبة الرامي (القوس)، تلتف حول النجم النيوتروني GX 13+1 ستارة كثيفة. إنها تشتت فوتونات الأشعة السينية كما يشتت الضباب ضوء مصباح الشارع، وظلت لفترة طويلة تخفي عن علماء الفلك القوة الحقيقية للمصدر.

في 9 أكتوبر 2022، رصدت كواشف أرضية انفجار غاما بقوة غير مسبوقة. كان GRB 221009A شديد السطوع لدرجة أن إشعاعه أيّن الطبقات العليا من الأيونوسفير، بينما تعمّت أجهزة الأقمار الصناعية مؤقتًا. في طيف هذا الانفجار، ميّز علماء الفلك لأول مرة بشكل موثوق سلسلة من خطوط الانبعاث التي تغيّرت طاقتها مع الزمن وفق قانون أُسّي.

في عام 1181، سجل علماء الفلك الصينيون واليابانيون ظهور "نجم زائر"، وهو نجم ساطع أضاء لمدة ستة أشهر في كوكبة ذات الكرسي ثم اختفى. اليوم، يوجد في هذا الموقع Pa 30: سديم يحتوي على مصدر مركزي حار يقذف المادة بسرعة 16,000 كم/ثانية.

انفجار غاما 230307A اشتعل في السماء كصوت الرعد: في ثوانٍ أطلق طاقة أكثر مما تطلقه الشمس خلال مليارات السنين. ثلاثة كواشف، وهي GECAM-B وGECAM-C وFermi/GBM، كانت تنظر في تلك اللحظة إلى الاتجاه الصحيح. وسط فوضى فوتونات غاما، رصد أحد الأجهزة إيقاعًا لمدة 160 ميلي ثانية: 909 نبضة في الثانية.

في قلب المجرة البعيدة SDSS J1335+0728، على بعد 2.5 مليار سنة ضوئية من الأرض، يضرب ثقب أسود فائق الكتلة إيقاعًا. كل بضعة أيام، يشتعل في نطاق الأشعة السينية مثل ميترونوم كوني، لكن في عام 2025، غيّر هذا الميترونوم فجأة إيقاعه من أليجرو إلى أندانتي.

في عام 2017، التقط كاشفا الجاذبية LIGO وVirgo تموجات في نسيج الزمكان ناتجة عن اندماج ثقبين أسودين على بُعد 540 ميغابارسك منا. حصل الحدث على اسم GW170814. لكن ماذا بقي بعد هذا التصادم الكوني؟ إلى جانب تشوه الزمكان، ربما وُلدت ثقوب سوداء صغيرة للغاية تُعرف بـ"الفتات". وفقًا لحسابات هوكينج، هذه الأجسام ليست أبدية: فهي تتبخر، باعثةً الطاقة.

تصادم نجمين نيوترونيين هو ضربة تُسمع في جميع أنحاء الكون. تلتقط كاشفات موجات الجاذبية تموجات الزمكان، لكن الصوت الأكثر إثارة للاهتمام يبدأ بعد الضربة: بقايا الاندماج، وهو نجم نيوتروني شديد الكتلة وسريع الدوران، يستمر في الاهتزاز، باعثًا موجات لبضع ميلي ثوانٍ إضافية. هذه الإشارة القصيرة ولكن الغنية بالمعلومات يسميها الفيزيائيون الرنين الطويل.

في عام 1936، اكتشف عالما الفيزياء فيرنر هايزنبرغ وهانز أويلر، أثناء عملهما على معادلات الديناميكا الكهربائية الكمومية، أمرًا غريبًا. في مجال مغناطيسي قوي بما فيه الكفاية، يجب أن يتوقف الفراغ عن كونه فارغًا. يجب أن يصبح مشابهًا للبلورة: الضوء ذو الاستقطاب الأول سيسير فيه أسرع قليلًا، والضوء ذو الاستقطاب الآخر أبطأ قليلًا.

الثقب الأسود ليس مجرد سلة مهملات في الكون، بل هو أقرب إلى خزنة برمز سري. لعقود، كان يُعتقد أن أي إشارة تُرسل نحو أفق الحدث تنعكس جزئيًا إلى الخلف: فالزمكان المنحني يعمل كمرآة مشوهة، وجزء من الطاقة يعود دائمًا. بدا الامتصاص الكامل مستحيلًا بسبب الحاجز الطارد المركزي (centrifugal barrier) الذي يصد الموجة، مثل باب دوّار يصد زائرًا غير حذر.

لمدة سبع ساعات متواصلة، سجل تلسكوب غاما الفضائي ومضات لم تكن تريد أن تنتهي. هكذا بدأت قصة GRB 250702B، أطول انفجار غاما في تاريخ المراقبة. الانفجارات النموذجية تستمر لثوانٍ، ونادرًا لدقائق. لكن هذا واحد امتد إلى 25,000 ثانية، محطمًا الرقم القياسي السابق بمرتين.