فيزياء الفضاء physics.space-ph

الكيوبت، قلب الحاسوب الكمومي، يشبه فقاعة صابون: أدنى نسمة هواء تجعلها تنفجر. على الأرض، تسحب الجاذبية الفقاعات إلى الأسفل مسببة اهتزازات، ويضيف الاضطراب الحراري للذرات ارتجاجاً. الانتروبيا — مقياس هذه الفوضى — تدمر المعلومات الكمومية.

الرياح الشمسية ليست جدولًا هادئًا، بل حساءً فقاعيًا من الجسيمات المشحونة. مسبار باركر، الذي غاص إلى الشمس نفسها، التقط نوعين من موجات الخلط. الموجات الملتفة يسارًا، مثل مخفقة في يد طبّاخ، تخفق المادة عندما تختلف درجة الحرارة على طول الحركة وعبرها. تعصف هذه الموجات قرابة ثلث الوقت قرب النجم، مما يزيد نسبة أسرع الجسيمات - تمامًا كخلاط يدفع الرغوة إلى السطح.

منكب الجوزاء هو عملاق أحمر فائق، ومصيره أن ينتهي قريبًا بانفجار هائل كمستعر أعظم. لكن يبدو أن النجم ليس وحيدًا: فحول مدار قريب يدور رفيق صغير أُطلق عليه اسم سيفارخا. كل 2000 يوم يخترق هذا الرفيق الطبقات الخارجية الرقيقة لمنكب الجوزاء، مثل قارب يشق صفحة الماء، فيثير موجات من الغاز الملتهب.

في البلازما شديدة الحرارة — وهي غاز من الجسيمات المشحونة — تعمل الحقول الكهربائية الفوضوية كنوع من المنخل. الجسيم البطيء يحيط نفسه بسحابة من الجسيمات ذات الشحنة المعاكسة — "معطف" من الاستقطاب يحجب الحقل الخارجي ويمنعه من التأثير على الجسيم. أما الجسيم السريع فيتحرك بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يستطيع الاحتفاظ بهذه السحابة، فيتخلص من "درعه" ويقع تحت التأثير المتسارع المباشر للحقل.

يشبه الغبار القمري الرمل الرمادي، لكنه لا يحتوي على نَفَس هواء واحد. الأكسجين موجود فيه، لكنه مرتبط بشدة داخل الصخور، مثل السكر في الكراميل. لإخراجه، يجب كسر الروابط الكيميائية، ويبحث العلماء عن أبسط طريقة. في المختبر، أخذوا تربة قمرية اصطناعية، صُنعت وفقًا لعينات من بعثات "أبولو" والصينية "تشانغ آه".

لا يمكن التقاط أشعة إكس القادمة من النجوم بمرآة عادية، فهي تخترق الزجاج كما يخترق الضوء زجاج النافذة. لتعكسها، تحتاج إلى مرآة شبه موازية للشعاع: عندها ينزلق إكس على السطح مثل حجر مسطح على الماء، ولا يغير اتجاهه إلا قليلًا.

التوهج الشمسي يشبه إطلاق قذيفة من مدفع ضخم: فهو يقذف في الفضاء تيارًا من الجسيمات المشحونة. عندما يصل هذا التيار إلى الأرض، عادةً ما يحرفه المجال المغناطيسي للكوكب، لكن في المناطق القطبية تخترق الجسيمات الغلاف الجوي. وهناك تصطدم بذرات الهواء وتنتج وميضًا من أشعة غاما، وهو ما تلتقطه الكاشفات.

في 30 مارس 2022، شعر مسباران فضائيان — BepiColombo وSTEREO-A — في الوقت نفسه بموجة صادمة قادمة من الشمس. كان الأول على مسافة 0,6 من المسافة بين الأرض والشمس، والثاني على مسافة وحدة فلكية واحدة بالضبط. كانا يقفان تقريبًا على خط واحد، مثل ميكروفونين على طريق الصوت، مما سمح بسماع كيف يغير الرياح الشمسية صوته في الطريق.

تحلق المركبتان الفضائيتان Parker Solar Probe وSolar Orbiter بالقرب من الشمس وتقيسان الرياح الشمسية — تدفق الجسيمات المشحونة الذي ينبعث باستمرار من نجمنا. في هذه الرياح توجد تعرجات حادة في المجال المغناطيسي تشبه حرف Z. في البداية بدا أن هذه التعرجات تظهر فقط حيث تكون الرياح سريعة، بينما تختفي في المنطقة البطيئة.

في سحابة تولد فيها نجوم ضخمة، توجد نواة كثيفة ساخنة. وكما يحدث في مطبخ مزدحم حيث تتصاعد الروائح من حرارة الموقد، هنا أيضًا تسبب حرارة النجوم الفتية تبخر الجزيئات من سطح حبيبات الغبار الكوني. وجّه علماء الفلك مصفوفة الهوائيات الكبيرة ALMA في صحراء أتاكاما التشيلية نحو مثل هذه النواة — G358.93-0.03 MM1 — ورصدوا لأول مرة إشارة راديوية لحمض النمل.

يطير جهازان قديمان، أُطلقا في عام 1977، عبر الفضاء بين النجمي — المنطقة التي ينتهي عندها تأثير الشمس. الشمس لا تضيء فحسب؛ بل تنفث باستمرار تيارًا من الجسيمات المشحونة يشكل حول نظامنا فقاعة عملاقة تُعرف بالغلاف الشمسي (heliosphere).

تحدث على الشمس بين الحين والآخر انفجارات تقذف إلى الفضاء سحبًا هائلة من الجسيمات المشحونة. تندفع هذه السحب نحو الأرض وقد تعطل الأقمار الصناعية وتشوش الاتصالات اللاسلكية بل وتترك المدن بدون كهرباء. ظل العلماء لفترة طويلة غير قادرين على فهم سبب عدم بدء هذه الانبعاثات فورًا، بل يبدو أنها تتردد قبل الانقضاض.

في كل ثانية، تصطدم بالغلاف الجوي للأرض جسيمات غير مرئية قادمة من الفضاء — وهي الأشعة الكونية. وعند اصطدامها بجزيئات الهواء، تولّد زخات من الجسيمات الثانوية، ومن بينها الميونات بكثرة. الميون — قريب ثقيل للإلكترون — يعيش بضع ميكروثوانٍ فقط، لكنه ينجح في الوصول إلى الأرض. في مرصد GRAPES-3 جنوب الهند، يوجد تلسكوب ضخم بمساحة 560 مترًا مربعًا يعدّ هذه الميونات على مدار الساعة.

تقذف الشمس أحيانًا سحبًا كاملة من الجسيمات المشحونة في الفضاء. عادةً، تصل أسرعها — تلك ذات الطاقة الأعلى — إلى المسبار أولاً، مثل العدّائين في سباق طويل. لكن في 5 سبتمبر 2022، رصد مسبار باركر، الذي يحلّق أقرب إلى الشمس من أي مسبار آخر، أمرًا غريبًا: جسيمات متوسطة الطاقة وصلت قبل السريعة والبطيئة على حد سواء. على الرسم البياني، يبدو هذا وكأنه «أنف» — نتوء في المنتصف حيث وصلت الجسيمات مبكرًا جدًا.

العاشر من أكتوبر 2024. أطلقت الشمس سحابة من البلازما الممغنطة باتجاه الأرض — وقامت أربعة مركبات فضائية، تقف عند نقطة واحدة بين الشمس والأرض، بتسجيل كيفية غليان هذه السحابة في وقت واحد. المسافة بين المسبارين الأقصىين هي 80 نصف قطر أرضي فقط، أي حوالي نصف مليون كيلومتر. وبالمقاييس الكونية، هذا مثل أربعة عوامات في ميناء واحد. لكن تسجيلات العوامات كانت مختلفة.

تبعث الشمس باستمرار تيارًا من الجسيمات المشحونة — الرياح الشمسية. ومن بينها العديد من الإلكترونات، وبعضها يطير عائدًا نحو الشمس. لكن الملاحظات تُظهر أن عدد الإلكترونات العائدة أقل مما ينبغي. كان يُعتقد سابقًا أن السبب هو المجال الكهربائي للشمس الذي يبطئ الجسيمات. يقترح بحث جديد تفسيرًا مختلفًا.

البلازما ليست مجرد غاز ساخن، بل خليط من الجسيمات المشحونة التي تتحرك باستمرار وتنشئ مجالات مغناطيسية. عندما تغلي البلازما، تتشابك هذه المجالات مثل المعكرونة في قدر يغلي. حاكى العلماء على الحاسوب ما يحدث عندما يهدأ الغليان ويخمد الاضطراب.

في البلازما التي تبقى فيها بعض الذرات محايدة، يمكن للخطوط المغناطيسية أن تعيد ترتيب نفسها بسرعات مختلفة. هذا يشبه شريطين مطاطيين متشابكين، ثم ينفصلان فجأة وينكمشان، محررين الطاقة. في العمل الجديد، قام الفيزيائيون لأول مرة بمسح معلمتين في وقت واحد: نسبة الجسيمات المتأينة وتكرار التصادمات بين الأيونات والجسيمات المحايدة.

في أربعينيات القرن العشرين، قبل وقت طويل من ظهور أجهزة الاستشعار الحديثة، كانت توجد على الأرض أجهزة تلتقط الجسيمات القادمة من الفضاء. عندما يحدث توهج قوي على الشمس، يقذف تيارًا من الجسيمات المشحونة، وهي جسيمات شمسية نشطة (solar energetic particles). كانت تصل إلى الأرض وتترك أثرًا في غرف التأين القديمة، التي تشبه العلب المعدنية الحساسة للشحنة.

في عام 2017، سقط حجر من السماء في قرية موخوندبورا الهندية. كان نيزكًا كربونيًا نادرًا — قطعة من مادة كونية قديمة تحمل في طياتها آثار ولادة النظام الشمسي. سرعان ما جمع السكان المحليون الشظايا، ووصلت إلى المختبر. تحت المجهر الإلكتروني القوي، عُثر داخل النيزك على بلورات ألماس متناهية الصغر — يبلغ حجمها 3–5 نانومتر فقط.

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.

أمام موجة الصدمة التي تُحدثها الأرض في الرياح الشمسية، تظهر أحيانًا فقاعات عملاقة من الغاز منخفض الكثافة. داخلها، تنخفض كثافة الجسيمات عدة مرات، وتبدأ المجالات الكهربائية بالاهتزاز مثل وترٍ بعد نقرته. أربعة أقمار صناعية من بعثة MMS، تحلق في تشكيل، قامت بقياس هذه التذبذبات بدقة غير مسبوقة. اتضح أن شدة التذبذبات تزداد مع عمق انخفاض الكثافة.

تيتان، أكبر أقمار زحل، محاط بضباب برتقالي كثيف. يتكون من الهيدروكربونات وجزيئات عضوية أخرى تولد عندما يقوم ضوء الشمس بتفكيك الميثان والنيتروجين في الطبقات العليا من الغلاف الجوي. يسمي الكيميائيون هذه العملية فوتوكيمياء — الضوء يعمل مثل طباخ غير مرئي يجمع من المكونات البسيطة أطباقًا متزايدة التعقيد.

لمدة ثماني سنوات متتالية، تعطي طريقتان مختلفتان لقياس درجة حرارة الهالة الشمسية إجابتين مختلفتين. جهاز واحد — تلسكوب راديوي في نانسي — يرى 600 ألف درجة. أما النهج الآخر — الحساب بناءً على توزع الغاز مع الارتفاع — فيتطلب 1.5 مليون درجة. كلاهما ينظر إلى الإلكترونات نفسها، لكنهما يختلفان بعامل 2.4. الهالة الشمسية هي الطبقة الخارجية الرقيقة من الغلاف الجوي للشمس.

فوق قطبي المشتري تشتعل الشفق القطبي — حيث تتسارع الإلكترونات بفعل الحقول الكهربائية وتصطدم بالطبقات العليا من الغلاف الجوي، مما يجعل الغاز يتوهج. لكن ليست كل الإلكترونات تتجه نحو الأسفل. فقد تبين أن بعضها يتلقى دفعة في الاتجاه المعاكس — بعيدًا عن الكوكب، إلى أعماق الفضاء.

غاليليو، حسب الأسطورة، ألقى كرات من برج بيزا ليثبت أن الأجسام الثقيلة والخفيفة تسقط بالتساوي. أصبح هذا القانون أساس نظرية الجاذبية لـأينشتاين. اليوم، حوّل العلماء محطة فضائية كاملة إلى برج مماثل. لكن بدلاً من الكرات الحجرية — سحابتان من ذرات الروبيديوم: نوع من الذرات أخف قليلاً، والآخر أثقل قليلاً.

على أطراف النظام الشمسي، تدور أجسام جليدية بحجم مدينة خلف نبتون، وُجدت حولها حلقات من غبار وجليد. غالبًا ما ترافقها أقمار صغيرة. أظهر التحليل الرياضي أن جاذبية القمر تتأرجح بالحلقة كالأرجوحة، مما يجعلها تميل. فبدلًا من أن تبقى في مستوى دوران الجسم (كما هو الحال مع زحل)، قد تقف الحلقة بزاوية.

على الألواح الفوتوغرافية القديمة من خمسينيات القرن العشرين، اكتشف علماء الفلك مئات الآلاف من الومضات اللحظية. القياسات الفوتومترية أكدت أن هذه ليست عيوبًا في المستحلب، بل أحداث حقيقية ترتبط بـ النشاط الشمسي.

تنتقل الإشارة الراديوية من المريخ إلى الأرض، لكنها في طريقها تضطر إلى اختراق «رياح» غير مرئية من الجسيمات المشحونة المنبعثة من الشمس. هذه الرياح، مثل تموجات على سطح الماء، تشوه موجات الراديو قليلاً. في أكتوبر 2021، وجد المسبار الصيني «تيانوين-1» نفسه خلف الشمس، ومرت إشارته على بُعد 4.5 أنصاف أقطار شمسية فقط — حيث تكون الرياح كثيفة بشكل خاص.

الرياح الشمسية ليست تيارًا منتظمًا، بل هي أشبه برياح عاصفة. داخلها، لا تطير البروتونات ونوى الهيليوم بسرعة واحدة، بل بتوزع، مثل قطرات الماء في خرطوم. عادةً ما يُوصف هذا التوزع بمنحنى بسيط على شكل جرس. لكن الأجهزة الدقيقة على المسبار Solar Orbiter أظهرت أن توزع السرعات في الواقع متعرج بدرجات صغيرة وتلال صغيرة. هذه التعرجات ليست تفاصيل هامشية.

القمر ليس مجرد جرم معلق في السماء، بل يترك خلفه ذيلًا طويلًا من الرياح الشمسية المضطربة. تدفق الجسيمات المشحونة من الشمس ينحرف حول الكتلة الصخرية، وتتشكل خلفها منطقة تكاد تخلو من الجسيمات. لكن هذا الفراغ ليس بسيطًا: ففيه تنشأ حقول كهربائية تعمل على تنافر الإلكترونات والأيونات المتبقية. قياس هذه الحقول مباشرة أمر صعب، لذلك لجأ العلماء إلى طريق غير مباشر.

ستتباعد ثلاثة أقمار صناعية في الفضاء الهليوسنتري الفارغ، مشكلة مثلثًا طول ضلعه ثلاثة ملايين كيلومتر. هذا هو مرصد تايجي المستقبلي، الموجه نحو الموجات الثقالية بترددات ميلي هرتز — وهي تموجات في نسيج الزمكان ناتجة عن اندماج الثقوب السوداء فائقة الكتلة وأحداث كونية هائلة أخرى.

إنسيلادوس قمر صغير لكوكب زحل، يغطيه قشرة جليدية سميكة. وتحتها يتلاطم محيط مالح، وربما تعمل في الأعماق نواة حارة مسامية – مثل إسفنجة مشبعة بالماء والحرارة. لكن كيف ننظر عبر عشرات الكيلومترات من الجليد؟ لن نحتاج إلى الحفر: يمكننا استخدام «صدى» كهرومغناطيسي. شخص يحمل جهاز كشف المعادن يمشي على الشاطئ. يرسل الجهاز إشارة، ومن خلال الاستجابة يحدد ما هو مخفي في الرمال – عملة معدنية أم أنبوب صدئ.

ميلاد الكون لا يشبه انفجارًا، بل يشبه ازدحامًا مروريًا. في البداية، خلال جزء ضئيل من الثانية بعد الانفجار العظيم، تمدد الفضاء بتثاقل، تمامًا كالسيارات في الزحام المروري. ثم تبع ذلك تسارع مفاجئ — التوسع المتسارع، الذي يسميه علماء الكونيات التضخم. هذا الانتقال المتناقض يفسر اللغز القديم: لماذا لا توجد بقع كبيرة في صورة 'الصدى' الميكروي للكون.

إذا غمست مقياسي حرارة متطابقين في قدر به ماء ساخن، فسيشيران إلى نفس القراءة — ونطمئن: درجة الحرارة قيست بشكل صحيح. لكن في غاز مخلخل مسخن إلى ملايين الدرجات، لم تعد هذه الحيلة تعمل. هنا، نادرًا ما تتصادم الجسيمات مع بعضها، لذا تهرب الإلكترونات الأسرع بعيدًا بينما تتجمع البطيئة في المركز.

الشفق القطبي مثل مسرح بعيد: قد يكون العرض مستمرًا، لكن رؤيته تعتمد على الستار. هنا، الستار هو الغيوم وضوء القمر. سابقًا، حاولت التوقعات تخمين حقيقة الشفق وظروف الرؤية معًا، خالطةً كل شيء في كومة واحدة. هذا مثل التنبؤ بما إذا كان العرض سيعجبك دون الفصل بين أداء الممثلين والرؤية من الصف الأخير. مؤلفو الدراسة فعلوا الأمر بشكل مختلف. بنوا نظامًا من خطوتين.

حجر صغير بحجم حبة عنب يدخل الغلاف الجوي بشكل شبه مماسي ويندفع فوق الأرض دون أن يسقط. هذا ما حدث تمامًا لنيزك كتلته حوالي 45 غرامًا. دخل الغلاف الهوائي للكوكب بزاوية منخفضة لدرجة أنه قطع 164 كيلومترًا على ارتفاع 92 كيلومترًا — حيث الهواء أرق بمليون مرة مما هو عند السطح. التقطت عشرات الكاميرات وثلاث محطات للرصد تحت الصوتي رحلته والموجة الصادمة التي أحدثها.

في صمت المختبر، يطفو بتلة جرافيت فوق شبكة مغناطيسية. ليس هذا مجرد عرض لسحر النفاذية المغناطيسية المعاكسة - بل هو إصغاء للكون. كالعنكبوت الذي يبسط شبكته لالتقاط اهتزازات العالم الخفي، تحولت هذه الرقيقة إلى شبكة جاذبية. خيطًا بعد خيط، تشدها خطوط المجال المغناطيسي برقة حتى إن أقل نسمة من جاذبية القمر تجعل الشبكة ترتجف.

الشمس مرجل يغلي من الهيدروجين والهيليوم، حيث يُحتجز الغاز المتوهج في شرك مغناطيسي. عندما تعيد الحبال غير المرئية الاتصال، تتحرر طاقة تضاهي مليارات الانفجارات النووية الحرارية. أين تذهب هذه الطاقة؟ تحليل جديد لأرشيف هينودي يرسم صورة غير متوقعة: عند قاعدة التوهج، تصطف أيونات العناصر الثقيلة كالنمل على درب.

لطالما حيرت مفارقة الرياح الشمسية الفتية علماء الفيزياء الشمسية. أظهرت القياسات أن حزم البروتونات قرب الشمس ليست متشتتة، بل مضغوطة وكأن شخصًا ما شكلها بعناية على هيئة رأس مطرقة.