مُختبِئة على مرأى من الجميع: لغز كتلة الشمس المفقودة

هناك ثقب في الشمس. في منتصفها تماما اختفت -وبكل بساطة- كتلةٌ أكبر من الأرض بنحو 1500 مرة. وكل ما نعرفه عن تصرفات الشمس يقول إن هذه الكتلة يجب أن تكون هناك – لكن عندما نحلل البيانات المُرمَّزة في ضوء الشمس لا نجد لتلك القطعة من المادة أيّ أثر.

لقد زعزع هذا فهمنا للكيفية التي تعمل بها الشمس، ويجاهد الفيزيائيون للكشف عما يملأ ذلك الثقب. فيحتمل أن يكون شيئا مثل المادة المعتمة، وقد يكون مبدأ تتصرف فيه المواد، مثل الكربون والنيتروجين، تحت ضغط هائل بكل بساطة بطريقة لم نكن نتوقعها، أو لعلنا ننظر إلى الشمس بشكل خاطئ.

يقول سني فاغنوزي Sunny Vagnozzi، الفيزيائي من جامعة ستوكهولهم Stockholm University في السويد، إنها معضلة “ساخنة” جدا. وهذه ليست مزحة. فالشمس مهمة ليس فقط لأنها تزودنا بالحرارة والضوء، اللذين يحافظان علينا، لأنها المفتاح لكون أوسع، وهي المرجع الذي نقيس النجوم النسبة إليه مثل: لمعانها وعمرها وكيف يحتمل أن تساعد منظوماتها الشمسية على المحافظة على الحياة فيها. ولو بدأت بالعبث بالشمس لوصلت عواقبها إلى أبعد مما يمكن أن تراه تليسكوباتنا. ويقول سارباني باسو Sarbani Basu، من جامعة ييل: “إذا أخطأنا في معرفة الشمس، فإننا نخطئ في كلّ شيء آخر.”

ليس من السهل معرفة ما يجري داخل الشمس. يقول باسو: “فلا يمكننا أن ندخل ونأخذ عيّنة.” وهناك طريقتان رئيسيتان للتحقق. إذ علماء الهيليوسيسمولوجي Helioseismologists، مثل باسو، أصوات اهتزازات على سطح الشمس تعطي دليلا على كمية الطاقة الهائلة التي تتحرر فيها. وتعتمد هذه الطاقة على تركيب الشمس الداخلي وعلى مكوّناتها أيضا، والتي يمكن لباسو أن يعرفها بأثر رجعي من رصد مجسات فضائية مخصصة لها.

وهناك علماء الأطياف Spectroscopists الذين يدرسون الضوء القادم من الشمس، فيمررونه من خلال منشور Prism عالي التقنية، ليحللوه إلى خطوط تعمل كأشرطة تشفير باركوداتBarcodes فريدة لعناصر مكوناتها.

وقد رسمت هاتان الطريقتان لسنوات الصورةَ نفسها للشمس ككرة هائلة كثيفة من المادة، معظمها من الهيدروجين والهيليوم، والتي تجمّعت قبل نحو 4.6 بليون سنة وشكلت مجموعتنا الشمسية. وكانت ضمن المزيج نثرات من عناصر أخرى محمولة من انفجارات نجوم أكبر أخرى فانية. وللتبسيط، يشير الفلكيون إلى كلّ تلك العناصر الأثقل، التي تشمل الكربون والأكسجين والنتروجين والمغنيزيوم والحديد والكبريت، جمعا بالمعادن. ويمكن أن توجد متناثرة في كل باطن الشمس مشكلة أقلّ من 2% بقليل من كتلتها الكلية. وعلى الرغم من وضعها الثانوي، إلا أن هذه العناصر الثقيلة تؤدي دوراَ مهماً ناقلةً الطاقةَ من لبّ الشمس إلى الطبقات الخارجية التي تغلي على السطح.

ففي أواخر التسعينات من القرن الماضي كان مارتن أسبلند Martin Asplund باحثا في مقتبل العمر في كوبنهاجن عندما لاحظ لأول مرة أن هذه الصورة لم تكن صحيحة تماما، وذلك خلال دراسته لحركة الطبقات الخارجية لنجوم تغلي، وهي خطوة مطلوبة للقيام بحسابات طيفية أكثر دقة لكشف أسرار الضوء.

في تلك الفترة كانت التصورات الرياضياتية لسطوح النجوم، والتي كان علماء الأطياف يستخدمونها، بسيطة. وفي الواقع كانت بالفعل ذات بعد واحد وتهتم فقط بتصرفات سطح شمسي مثالي سُمْكه يساوي الصفر. إلا أن سطح الشمس ثلاثي الأبعاد بالتأكيد. وباستخدام حاسوب القسم الفائق المتوفر لديه وضع أسبلند نموذجا يأخذ ارتفاع السطح وعرضه بعين الاعتبار.

يقول أسبلند الذي يعمل حاليا في الجامعة الوطنية الأسترالية Australian National University في كانبيرا: “من المحتمل أنّ هذا لم يكن له أي تأثير.” فقد كانت هناك -خلال عدة سنوات- تحسينات صغيرة متكررة على هذه النمذجات الشمسية التي تركت جميعها العناصر الثقيلة دون المساس بها نسبيا. إلا أن تحديثات أسبلند كانت مختلفة. إذ توصل بحلول 2009 إلى نتائج مذهلة: إنّ رُبْع المعادن التي كنا نعتقد أنها موجودة هناك لم تعد موجودة. فقد اختفت بكل بساطة.   التحديق في الشمس Staring at the sun

لقد كانت قياسات أسبلند متعارضة مباشرة مع مشاهدات الباحثين مثل باسو. فلو افترضت أنّ أرقام أسبلند صحيحة، فلا يمكن عندئذ للهيلوسيسمولوجي تفسير تصرفات الشمس. إذ لا تبقى كميات الهيليوم على السطح كافية وتصير القشرة السطحية رقيقة جدا وينتشر الصوت فيها بسرعة خاطئة. فقد كان من الواضح أن شخصا ما في مكان ما يقوم بشيء غير صحيح. ويقول أسبلند: “لقد شكك الكثير في نتائجي، ولم تكن لها شعبية كبيرة.”

كان أسهل استنتاج أنّ أسبلند أخطأ. وعلى أمل إجراء تحقق مستقل، فقد فحص فريق في مطلع هذا العام محتويات تيارات الأشعة الشمسية من الجسيمات التي تنطلق باستمرار من الشمس. ولم تجد المجموعة أيّ دليل على أنّ أي مادة كانت ناقصة، بدلا من ذلك فقد وجدوا إشارات على وجود توزيع معدني Metallicity كامل مكافئ مع ما يتنبأ به عمل باسو.

يقول فاغنوزي: “قد تعتقد بكل سذاجة أن هذا يحل المسألة، لكنه لا يفعل.” لقد تمّ ملء الثقب، إلا أنه لا معنى لهذا الامتلاء. إذ إنّ كلّ نسب العناصر المختلفة غير صحيحة – وتختلف عن أيّ شيء كان قد توصل إليه أيّ شخص -ولا يعطي نتيجة حاسمة. ويتابع باسو: “إنك بالأساس تخربط الشمس.”

لم يجد أحد حتى الآن وسيلة لنقض استنتاجات باسو. وفي حين صارت نتائجه مقبولة على نطاق واسع، فقد صارت لها كذلك تبعاتٌ أبعد من الشمس بكثير. فشمسنا بحكم أنها أقرب نجم لنا وأسهل نجم للوصول إليه، فإنها تزود فهمنا بمعلومات عن أبناء عمومتها من النجوم عبر المجرة. ونتيجة لذلك، صارت نتائج أسبلند في العقود التي تلت ظهور حساباته من أكثر البحوث العلمية المنشورة المشار إليها في الفلك. إن أعداد العناصر الثقيلة المنطلقة من الشمس تزداد أكثر فأكثر مع مرور الألفية، وهذا يخبرنا متى ولدت النجوم ويساعدنا على فهم تطورها. وكذلك يعطينا معلومات عن احتمال أن تكون لهذه النجوم كواكب تشبه الأرض تدور حولها، وفيما إذا كان يمكن لأيٍّ من هذه الكواكب أن يستوعب حياة عليه.

مع انتشار هذا النتائج عبر علم الفلك فقد اغتنم بعض فيزيائيي الفلك الشمسي الفرصةَ للتشكيك في بعض المعتقدات التي كانت قائمة منذ زمن بعيد. فمع كلّ التبسيطات والافتراضات في حساباتنا عن الشمس، كان لابدّ من وجود شيء آخر يعمل. وقد كان دورون غازيت Doron Gazit، أحد أولئك الذين وجدوا طريقة عبر الفوضى : لعلّ عدد المعادن في حسابات أسبلند في محلّه، إلا أنّ المعادن لم تكن تتصرف بالشكل المتوقع منها. ويمكن جعل الكميات الناقصة من المادة، والتي تنبأ بها البحث العلمي عام 2009 مساوية لبيانات الهيليوسيسمولوجي إذا حملت طاقة مثلما تفعل كمية أكبر من المعادن.

بالنسبة إلى غازيت فإن المفتاح كان يكمن في كمية يطلق عليها اسم اللاإنفاذيةOpacity ، والتي تحدد كمية الطاقة التي يمكن أن تمر خلال مادة معينة. فالمعادن الأثقل مثل تلك التي اختفت بشكل غامض من باطن الشمس لها لاإنفاذية أكبر من الهيدروجين والهيليوم. وحتى تبقى نتائج الهيليوسيسمولوجي صحيحة، فقد كان لابد من زيادة لاإنفاذية العناصر الباقية داخل الشمس. وهذا يعني أنه يجب أن تمتص عددا أكبر من الفوتونات مما كان يعتقد أنه مستحيل سابقا.

ويمكنك أن تفكر في الذرة على أنها نواة من البروتونات والنيوترونات المحاطة بإلكترونات تدور في مسارات طاقة محددة تماما. ومثل آلة البيع بقطع نقديةVending machine  التي لا تقبل إلا المبلغ الصحيح فقط، فإن الوسيلة للحصول على شيء مثير للاهتمام يتطلب وضع الكمية الصحيحة من الطاقة. فإذا كان لفوتون قادم طاقة كافيةٌ ليدفع الإلكترون للقفز بين متسويات الطاقة، فإنه غالبا ما يمتص ويساهم في لاإنفاذية الذرة، وإلاّ فإنه يمر مباشرة دون توقف. ويمكن أن يزداد اضطراب الذرات أكثر من المألوف عند درجات حرارة وضغط كبيرين جدا في اللب الشمسي. وقد تؤدي هذه الحركة إلى زيادة التباعد في بعض مستويات الطاقة، بينما تتقارب سويات أخرى من بعضها. ويتسبب هذا في توسعة نطاق الفوتونات التي يمكن لأي ذرة ما أن تمتصها، مما يوفر آلية لزيادة اللإنفاذية.

يقول غازيت: “إن هذه فيزياء غير معروفة.” والطريقة الوحيدة للتحقق من اللإنفاذية هي ملاحظة تفاعل الذرات مع الضوء عند درجات حرارة وضغط مماثلة لتلك في الشمس. وتبدو هذه مهمة مستحيلة، إلا أنها ليست كذلك إلى جيم بيلي Jim Bailey من مختبرات سانديا الوطنية Sandia National Laboratories في نيو مكسيكو. فيمكن تعريض المادة في منشأة z للقدرة النابضة، أو آلة z اختصارا، في المختبر، لبعض من أعلى درجات الحرارة والضغط على الكوكب لأصغر الأجزاء من الثانية.

وخلال القيام بمجموعة تجارب نشرت نتائجها في 2015، عرّضَ بيلي قُرصا من الحديد لا يتجاوز قطره 4 ميلمترات إلى وميض من الطاقة المكافئة لخمسة أضعاف ما ينتج من الكوكب كله. وقلّدت الشروط على القرص ما يحدث داخل الشمس بدرجات حرارة وضغط عالية بشكل كاف لتخرج ذرات الحديد بعيدا عن حالتها المعهودة عليه.

وقد كشفت تلك التجارب أنه في حالات كهذه، فإن الحديد يمتلك بالفعل لاإنفاذية أكبر مما يعتقد، على الرغم من أنها غير كافية لتفسير الثقب كليا. ويقول غازيت إنها قياسات رائدة، ويوافقه فيزيائيو الفلك الشمسي على أنه يمكن أن تحلّ قياسات بيلي المسألة برمّتها.

وبالطبع، فإن الحديد في هذه التجارب يمثل الشروط الموجودة في بقعة واحدة داخل الشمس وسيستغرق بيلي إلى الأبد لتكرار ذلك لكافة باطن الشمس قطعة قطعة، ويقول: “إن هناك الكثير من العناصر والكثير من درجات الحرارة.” ولذلك، فإن الأمر يعود إلى النظريين لمعرفة فيما إذا كانت بقية المعادن ستجد أن لاإنفاذيتها تزداد أيضا. إلا أنه من الصعب التكهن فيما إذا كانت هذه النماذج المطورة ستدفع اللإنفاذية بالاتجاه الصحيح بشكل عام.

إن لم يتم ذلك، فلعل هناك نوعا آخر من المادة يأخذ الفائض من العناصر المفقودة، لأنه بالمحصلة فإن الأطياف لا تتحسس إلا المادة القادرة على امتصاص أو إصدار الإشعاع. والمادة المعتمة التي تشكل نحو 27% من كوننا غير قادرة على القيام بأي منهما. ويقترح ألدو سيرينيلي Aldo Serenelli، أحد أعضاء فريق من معهد الفضاء في برشلونة بإسبانيا، أن هذه الخاصية تجعل المادة المعتمة مرشّحا محتملا لملء الثقب المكتشف مؤخرا في مركز الشمس.

إن الحصول على بضعة ملايين من بلايين الأطنان من المادة المعتمة لتتوضع في مركز الشمس ليس بالصعوبة التي يمكن أن تعتقدها. فمثل كل أشكال المادة الأخرى، يجب أن تخضع المادة المعتمة لقوة الجاذبية. وخلال رحلة مجرتنا البطيئة عبر الفضاء، فإن أيّ مادة معتمة قد نصادفها ستجد أنه من المحتمل أن تنجذب بنفسها إلى مركز الشمس. وحينما تأخذ مكانها، فإن هناك كلّ أنواع الحيّل التي يمكنها أن تستخدم لتفسير نتائج الهيليوسيسمولوجي. ولعلّ المادة الغامضة هي ضديد جسيماتها Antiparticle بذاتها التي تطلق الطاقة عندما تصطدم بنفسها. أو، إن لم يكن الأمر كذلك، فإن هناك قشرة من المادة المعتمة المحيطة بلبّ الشمس. وستصير حارة جدا بحيث تفلت جسيمات منها من حين إلى آخر منتقلةً إلى الخارج الذي يغلي، وناقلة الطاقة معها.

في الكثير من هذه السيناريوهات  تكمن المشكلة في أنه من المحتمل أنك ستنتهي بجعل الأمور أسوأ لا أفضل، وفي أحسن الحالات فإنك تحصل على تحسن جزئي. ومع ذلك، فإنه من الصعب استبعاد أن هناك نسخة أحادية من المادة تقبع في مركز الشمس وتحلّ كل مشكلاتنا. ويقول سيرينيلي: “إنني أقول إن هذا احتمالا بعيدا.”

يمكن أن تقبع عدة ملايين من بلايين الأطنان من المادة المعتمة في مركز الشمس

ما يجعل هذه القضية صعبة لهذه الدرجة جزئيا هو أنها تشكك في الخواص الأساس للشمس التي كنا نعتقد أنها قائمة على قواعد صلبة. ولهذا، يبقى البعض مترددا في قبول أن المعادن مفقودة بالفعل.

مون أسهل الطرق لحلّ هذا الجدل هو الحصول على قياسات مستقلة لباطن الشمس – قياسات أكثر حسما من المحاولات السابقة لتفحص الرياح الشمسية. ويمكن لهذه الضربة القاضية أن تأتي من النيوترينواتNeutrinos ، الجسيمات الخفيفة الناتجة كشظايا في تفاعلات الاندماج التي تجري داخل الشمس.

ففي كل ثانية يمر نحو 65 بليونا من هذه النيوترينوات من خلال كل سنتميتر مربع من الأرض متحركة بسرعة الضوء تقريبا. ويتولد معظم هذه النيوترينوات عندما تصطدم نوى الهيدروجين بالمناطق الخارجية للشمس. إلا أن واحدا من كلّ مئة، أو نحو ذلك، يولد خلال تفاعلات الاندماج الأثقل التي تشمل ذرات الكربون C والنيتروجينN والأكسجينO . وبقياس كمية النيوترينوات CNO هذه التي تصل إلى بقعة معينة من الأرض، يمكنك أن تجد العدد الدقيق الذي خرج من الشمس – ومن ذلك كم من هذه العناصر الثقيلة التي ولّدتهم موجود هناك.

ويمكن أن يسمح لنا هذا المجس المباشر بأن نتجاوز كل النظرية التي تدعم عمل أسبلند وباسو. يقول مايكل ورم Michael Wurm الذي يعمل سعيا وراء النيوترينو في كاشف بوركسينو Borexino تحت الجبال في أواسط إيطاليا: “سيكون بإمكاننا أن نحلّ هذه المسألة بالفعل.”

هناك مشكلة صغيرة: إذ لم يرَ مايكل ورم أو أيّ شخص آخر نيوترينو CNO يقينا. وحتى بالمقارنة بنيوترينوات أخرى، سيئة السمعة من الصعب جدا تحريها، فإن نيترينوات CNO كتومة. وفي الواقع، فإنها كتومة لدرجة أنه من المحتمل أننا شاهدناها دون أن ننتبه لذلك. وتكمن الصعوبة أنها تبدو مثل أنواع أخرى من النيوترينوات – تلك الناتجة خلال اندماج الهيدروجين، على سبيل المثال – بحيث معالجة إشاراتها الغامضة الخاصة بها يتطلب مجموعة من أعداد هائلة من النيترينوات، قد يفوق عددها ما يمكن لكاشف بوريكسينو أن يتحراه.

إن أفضل أمل لدينا هو الكاشف الكندي الجديد الذي يُدعى SNO+ والمجهز بخزان ضخم من سائل معدّ لإطلاق ومضات خاطفة من ضوء أزرق عندما يمرُّ نيوترينو خلاله. وإذ إنه أكبر وعلى عمق أكبر تحت الأرض من بوريكسينو، لذا يمكنه أن يتخلص من ضوضاء أكثر ويأمل بأن يتحرى جسيمات أكثر. وحتى الآن لايزال الكشاف SNO+ يملأ بالماء، إلا أنّ الفريق يخطط لاستبدال السائل البراق بالماء في شهر يناير2018 ، والذي يمكن أن يخدم أخيرا كلمحة داخل اللّب الشمسي.

إن باستطاعة النيوترينوات أن تؤكد أن أرقام أسبلند صحيحة. ويمكن أن تكشف أنه مخطئ وأن الثقب لم يكن في الوجود على الإطلاق. أو يمكن أن تجعل الفوضى المحيطة بنجمنا أسوأ. ويحتمل أن هذا الثقب في الشمس على وشك أن يصير أكبر بكثير.