الكرات النارية البلازمية في CERN قد تفسر الضوء المفقود في الكون

تشير الكرات النارية الكونية المصنوعة في المختبر إلى المجالات المغناطيسية القديمة التي تشكل ضوء الكون المفقود.

فريق عالمي من العلماء بقيادة جامعة أكسفورد حققت إنجازًا عالميًا من خلال الإنتاج بلازما “الكرات النارية” في بيئة المختبر. استخدام صفارة الإنذارفي مسرع Super Proton Synchrotron في جنيف، شرع الباحثون في دراسة كيفية تصرف نفاثات البلازما من البلازارات أثناء سفرها عبر الفضاء.

النتائج التي توصلوا إليها، نشرت في باناسيقدم نظرة جديدة على أحد ألغاز علم الفلك الطويلة الأمد التي تتضمن أشعة جاما المفقودة والمجالات المغناطيسية المراوغة في الكون.

الحلل وانبعاث أشعة جاما الشديد

البلازارات عبارة عن مجرات نشطة للغاية تغذيها ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مراكزها. تقذف هذه الثقوب السوداء حزمًا ضيقة من الجسيمات والإشعاعات التي تتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء، وفي بعض الحالات، تشير مباشرة نحو الأرض.

تطلق النفاثات كميات هائلة من إشعاع جاما، تصل إلى طاقات تصل إلى عدة تيرا إلكترون فولت (1 تيرا إلكترون فولت = 10)¹²/ تريليون إلكترون فولت)، والتي يتم ملاحظتها باستخدام التلسكوبات الأرضية. عندما تمر أشعة جاما عالية الطاقة هذه عبر الفضاء بين المجرات، فإنها تصطدم بضوء النجوم الخافت في الخلفية. يخلق هذا التفاعل شلالات من أزواج الإلكترون والبوزيترون.

يتوقع العلماء أن تتفاعل هذه الجسيمات مع الخلفية الكونية الميكروية وتنتج أشعة جاما منخفضة الطاقة في نطاق GeV (GeV = 10⁹ فولت). ومع ذلك، فشلت المراصد الفضائية لأشعة جاما، مثل القمر الصناعي فيرمي، في اكتشاف هذه الإشارة المتوقعة. وحتى الآن، ظل سبب هذا التناقض غير واضح.

اثنين من التفسيرات المتنافسة

أحد التفسيرات المحتملة هو أن المجالات المغناطيسية الضعيفة المنتشرة بين المجرات تعمل على انحراف أزواج الإلكترون والبوزيترون، مما يرسل أشعة جاما الناتجة في اتجاهات لا تصل إلى الأرض تمامًا.

فكرة أخرى تأتي من فيزياء البلازما. ووفقا لهذه الفرضية، تصبح حزم الجسيمات غير مستقرة أثناء تحركها عبر المادة الرقيقة للغاية الموجودة في الفضاء بين المجرات. يمكن أن تؤدي الاضطرابات الصغيرة داخل الشعاع إلى توليد تيارات كهربائية ومجالات مغناطيسية تؤدي إلى تضخيم عدم الاستقرار واستنزاف الطاقة من الطائرة.

محاكاة ظروف بليزار في CERN

لتحديد التفسير الأكثر ترجيحًا، أجرى الباحثون تجربة في منشأة HiRadMat (الإشعاع العالي للمواد) التابعة لـ سيرن. كان المشروع عبارة عن تعاون بين جامعة أكسفورد ومرفق الليزر المركزي (CLF) التابع لمجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا (STFC).

باستخدام Super Proton Synchrotron، أنشأ الفريق حزمًا من أزواج الإلكترون والبوزيترون وتمريرها عبر منطقة طولها متر من البلازما. كان هذا الإعداد بمثابة نسخة مختبرية متدرجة من سلسلة الجسيمات التي تنتجها طائرة نفاثة تتحرك عبر البلازما بين المجرات.

من خلال قياس شكل الشعاع والمجالات المغناطيسية المرتبطة به بعناية، تمكن العلماء من إجراء اختبار مباشر فيما إذا كانت عدم استقرار البلازما يمكن أن تعطل الشعاع أثناء انتقاله.

الحزم المستقرة تتحدى نظرية عدم استقرار البلازما

وكانت النتيجة مفاجأة للباحثين. بدلًا من الانتشار أو التفكك، بقي شعاع الجسيمات ضيقًا ومتوازيًا تمامًا تقريبًا. كما أظهرت أيضًا علامات قليلة جدًا على توليد مجالات مغناطيسية خاصة بها.

وعندما تمتد هذه النتائج إلى مسافات شاسعة تتعلق بالفيزياء الفلكية، فإنها تشير إلى أن عدم استقرار حزمة البلازما أضعف بكثير من أن تفسر أشعة غاما GeV المفقودة. وهذا يعزز حجة وجود المجالات المغناطيسية بين المجرات التي ربما نشأت في بداية الكون.

ربط التجارب والملاحظات

قال الباحث الرئيسي البروفيسور جيانلوكا جريجوري (قسم الفيزياء، جامعة أكسفورد): “توضح دراستنا كيف يمكن للتجارب المعملية أن تساعد في سد الفجوة بين النظرية والرصد، مما يعزز فهمنا للأجسام الفيزيائية الفلكية من التلسكوبات الفضائية والأرضية. كما أنها تسلط الضوء على أهمية التعاون بين المرافق التجريبية في جميع أنحاء العالم، وخاصة في فتح آفاق جديدة في الوصول إلى الأنظمة الفيزيائية المتطرفة بشكل متزايد.”

أسئلة مفتوحة حول الكون المبكر

وعلى الرغم من التقدم، فإن النتائج تثير تحديات جديدة. يعتقد العلماء أن الكون المبكر كان متجانسًا بشكل ملحوظ، مما يجعل من الصعب تفسير أصل المجالات المغناطيسية واسعة النطاق. ويشير الباحثون إلى أن حل هذه المشكلة قد يتطلب فيزياء تتجاوز النموذج القياسي.

ومن المتوقع أن تقدم الأدوات المستقبلية، بما في ذلك مرصد مصفوفة تلسكوب شيرينكوف (CTAO)، ملاحظات أكثر دقة يمكن أن تساعد في اختبار هذه الأفكار وتحسين النظريات الحالية.

الفيزياء الفلكية المختبرية والتعاون العالمي

قال البروفيسور المشارك بوب بينغهام (مرفق الليزر المركزي STFC وجامعة ستراثكلايد):
“توضح هذه التجارب كيف يمكن للفيزياء الفلكية المختبرية اختبار نظريات الكون عالي الطاقة. ومن خلال إعادة إنتاج ظروف البلازما النسبية في المختبر، يمكننا قياس العمليات التي تشكل تطور النفاثات الكونية وفهم أصل المجالات المغناطيسية في الفضاء بين المجرات بشكل أفضل.”

وقال الباحث المشارك البروفيسور سوبير ساركار (قسم الفيزياء، جامعة أكسفورد): “لقد كان من الممتع جدًا أن أكون جزءًا من تجربة مبتكرة مثل هذه التي تضيف بعدًا جديدًا إلى الأبحاث الحدودية التي يتم إجراؤها في سيرن – ونأمل أن تثير نتائجنا المذهلة اهتمام مجتمع فيزياء البلازما (الفلكية) بإمكانيات التحقيق في الأسئلة الكونية الأساسية في مختبر فيزياء أرضي عالي الطاقة”.

المرجع: “قمع عدم استقرار الحزم المزدوجة في نظير مختبري لشلالات زوجية من السترة” بقلم تشارلز د. أروسميث، فرانشيسكو مينياتي، بابلو ج. بلباو، باسكال سيمون، آرتشي إف إيه بوت، ستيفان برجر، هوي تشين، فيليبي د. كروز، تريستان دافين، أنتوني دايسون، إلياس إفثيميوبولوس، داستن إتش. فرولا، أليس جويلوت، جون تي. جودموندسون، دان هابربيرجر، جاك دبليو دي هاليداي، توم هودج، بريان تي هوفمان، سام ياكوينتا، جي مارشال، بريان ريفيل، سوبير ساركار، ألكسندر إيه. شيكوتشيهين، لويس أو. سيلفا، راسبيري سيمبسون، فاسيليكي ستيرجيو، راؤول إم جي إم ترينز، تيبولت فيو، نيكولاوس شاريتونيديس، روبرت بينغهام وجيانلوكا جريجوري، 7 نوفمبر 2025, وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2513365122

شملت الدراسة مساهمين من جامعة أكسفورد، ومرفق الليزر المركزي (RAL) التابع لـ STFC، وCERN، ومختبر جامعة روتشستر لطاقة الليزر، وAWE Aldermaston، ومختبر لورانس ليفرمور الوطني، ومعهد ماكس بلانك للفيزياء النووية، وجامعة أيسلندا، والمعهد التقني العالي في لشبونة.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.