اليابان باتت قاب قوسين أو أدنى من اكتشاف تاريخ نشأة الكون

من حجر الفلاسفة إلى أسرار الكون

ذات مرة بدأ جون مينارد كينز، الأب الروحي للاقتصاد الكلي، أطروحة له بعبارة غير عادية: ”بشيء من الارتياب أحاول التحدث إليكم عن نيوتن كما كان هو ليتحدث عن نفسه “.

كان مقال ”نيوتن، الرجل“ عرضًا لحياة إسحاق نيوتن مؤسس العلم الحديث. في عام 1936، قبل أن يكتب كينز مقالته ببضع سنوات، تم طرح صندوق يحتوي على مقالات نيوتن في مزاد علني في دار سوذبي للمزادات من قبل سليل إيرل من بورتسموث. اشترى كينز حوالي نصف المقالات، بما في ذلك مخطوطات عن الكيمياء كانت منقطة بإشارات مشفرة تشير إلى ”الأسود الخضراء“ (أو ميركوريوس أحد الآلهة القديمة لدى الرومان) و”العاهرات الدنيئة“ (في إشارة إلى خام الأنتيمون)، حيث يُعتقد أن علماء الخيمياء في ذلك الوقت كانوا يستعملون الرموز والإشارات في كتاباتهم ومنشوراتهم العلمية. حينها سجل كينز اعتقاده بأن نيوتن كان ”يعيش بجسده في العصور الوسطى ولكن عقله وروحه ينتميان لعصر العلم الحديث“.

في الواقع، كان نيوتن في القرن السابع عشر يبحث عن ”حجر الفلاسفة“ الذي من شأنه أن يحول الرصاص والمعادن الأساسية الأخرى إلى ذهب ويمنح البشرية الخلود. قرب نهاية حياته استثمر نيوتن الكثير من وقته وماله في علم الخيمياء ويقال إنه أصيب بالجنون بسبب التسمم بالزئبق.

ولكن ما الذي دفع عالماً موقراً مثله إلى الاستغراق في أبحاث السحر والتنجيم؟ بعد بحث عميق، توصل المؤرخون في مجال العلوم إلى التكهن بأنه بعد أن اكتشف قوانين الكون التي تحكم الكتلة (قوانين الجاذبية العامة)، حاول نيوتن صياغة نظرية عن المادة. يعتقد هؤلاء المؤرخون أن نيوتن كان يظن أن الخيمياء يمكنها أن تقوده إلى إجابة هذا السؤال الجوهري ”مم تتكون المادة“؟

كان نيوتن سابقاً لعصره بما لا يقل عن 300 عام، لكننا لم نستطع الحصول على أي إجابات شافية عن سؤال نيوتن إلا في القرن العشرين بفضل الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات ونظرية الانفجار العظيم. الآن فقط تجمعت لدينا المعرفة الكافية والمتمثلة في علم فلك النيوترينو لاستكشاف هذا اللغز.

أبحاث النيوترينو الرائدة في اليابان

لقد سمع الكثيرون عن البحث الذي أجراه كل من كوشيبا ماساتوشي وكاجيتا تاكا أكي، الفيزيائيان اليابانيان المشهوران الحائزان على جائزة نوبل، أو على الأقل على دراية بأسمائهما. فبعد نجاحهما في استخدام مرصد كاميوكاندي لمراقبة النيوترينوات المنبعثة من أحد انفجارات المستعر الأعظم في عام 1987، حصل كبير الباحثين كوشيبا على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2002. وقد كان لهذا التكريم أصداء قوية في اليابان، وأدى إلى إنشاء مرصد سوبر كاميوكاندي (أو ”Super-K“) الذي يعد أكبر بـ 25 مرة. لاحقًا في عام 2015، حصل كاجيتا على جائزة نوبل عن دراسته التي أجراها حول الاهتزازات التي تشير إلى كتلة النيوترينو. وبهذا تكون اليابان قد أحرزت تقدمًا مذهلاً في مجال أبحاث النيوترينو.

الجزء الداخلي من مرصد سوبر كاميوكاندي البالغ عمقه 41 مترًا أثناء صيانته في عام 2018 مع إزالة حوالي 4 أمتار من المياه.

النيوترينوات هي إحدى الوحدات الأساسية للمادة التي يتكون منها الكون، ومن المعروف أنها عصيّة للغاية على الملاحظة. على سبيل المثال، من المرجح أن تكون النيوترينوات التي تصل إلى الأرض قد تكونت في الشمس. بينما يصطدم كل واحد منا بمئات التريليونات من هذه النيوترينوات في كل ثانية، فإن 99.999999999999999999999 ％ (أي 23 تسعة!) منها تمر من خلالنا دون أي تلامس. في المتوسط، يتصادم نيوترينو واحد فقط كل 50 إلى 100 عام مع أي من نويات الذرات أو الإلكترونات المكوّنة لأجسامنا. ولذلك فإن أي نوع من التفاعلات التي تحتوي على نيوترينو يعد بطبيعته معجزة خارقة.

كما يشرح ناكاهاتا ماسايوكي، مدير مرصد سوبر كاميوكاندي وكاميوكا، أن 50000 طن متري من المياه عالية النقاء في سوبر كاميوكاندي قادرة على اعتراض حوالي 20 نيوترينو يوميًا من الشمس وحوالي 10 نيوترينوات من الغلاف الجوي.

ناكاهاتا يصحبني في جولة حول سوبر كاميوكاندي. يوجد أسفل قدميه صهريج المياه العملاق.

لمحة عن تاريخ نشأة الكون

إذن ما الذي يمكن أن يخبرنا به اصطياد النيوترينوات عن الفضاء؟

يقول ناكاهاتا: ”في البداية نحتاج إلى معرفة بعض المعلومات عن تاريخ الكون. لقد نشأ الكون منذ 13.8 مليار سنة بالتزامن مع حدوث الانفجار العظيم الذي نتج عنه بشكل أساسي الهيدروجين والهيليوم، ثم تشكّلت العناصر الأثقل بعد ذلك داخل النجوم نتيجة الاندماج النووي وانفجارات المستعر الأعظم. يُعتقد أن هذه العناصر الأثقل من الحديد، وخاصة الذهب والفضة، قد تكونت على الفور في انفجارات المستعرات العظمى المحتضرة، وهي نجوم أكبر من شمسنا بثماني مرات، وفي بيئات ذات ضغط عالٍ ناتج عن اندماج النجوم النيوترونية“.

بعبارة أخرى، فإن ”حجر الفلاسفة“ القادر على تكوين الذهب لم يكن موجودًا على الأرض وإنما في انفجارات المستعرات العظمى و ”الأفران“ الكونية الأخرى.

تتسبب قوى الجاذبية في نهاية المطاف في تكتل العناصر المنتشرة عبر الكون بفعل مثل هذه الانفجارات، مكونة نجومًا جديدة تصل في النهاية إلى نهاية حياتها وتنفجر مرة أخرى. بعبارة أخرى، إذا اعتبرنا أن العناصر الأخف هي آلات موسيقية ذات نغمة عالية وأن العناصر الأثقل هي آلات موسيقية ذات نغمة منخفضة، فيمكنك القول إنه في كل مرة يموت فيها نجم ويولد من جديد، فإنه يكتسب مزيداً من العناصر الثقيلة، مما يثري رنين الآلة الموسيقية، أي قلب هذا الكون.

يترتب على ذلك أن النظام الشمسي والأرض وحتى أجسادنا تتكون من مجموعة متنوعة من العناصر، بما في ذلك الكميات الضرورية من العناصر الشحيحة، وأن كل ما سبق يستفيد من هذه الدورة الدراماتيكية للخلق والتدمير.

تحديداً، متى حدث تكوّن هذه العناصر في تاريخ الكون؟

يقول ناكاهاتا: ”إن النيوترينو هو دليلنا المباشر للحصول على صورة مفصلة لما يبدو عليه انفجار المستعر الأعظم، عند حدوث انفجار المستعر الأعظم، بينما يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة، يتشتت 99 بالمائة منها عبر الفضاء على شكل نيوترينوات. ولأن هذه النيوترينوات تتكون مباشرة قبل الانفجار الذي يحدث في قلب النجم ويتم قذفها دون أن تتفاعل مع المادة المحيطة، فهذه النيوترينوات وحدها قادرة على أن تكشف لنا ما يحدث داخل انفجار المستعر الأعظم“.

ولكن كيف يمكننا التقاط جسيم لديه القدرة على النفاذ من خلال أي شيء؟ تكمن الإجابة على هذا السؤال في كاشف النيوترينو المدفون تحت منطقة كاميوكا في هيدا بمحافظة غيفو.

هذا المنجم الذي يمر عبر جبل إيكينوياما يؤدي إلى مرصد سوبر كاميوكاندي.

التحديق في الفضاء الكوني من منجم تحت الأرض

في أواخر أكتوبر/ تشرين الأول من كل عام، يتحول سفح الجبل إلى اللونين البرتقالي والأحمر. تتميز القرية المحيطة التي تضم الكثير من المنازل القديمة بأجواء تقليدية. يقع جبل إيكينوياما الخصب فوق منجم سابق لاستخراج الزنك والرصاص، وإذا سرت لمسافة 1.7 كيلومترًا عبر المنجم المظلم ستصل إلى مركز الجبل. في زاوية النفق المظلم المحاط بهواء بارد، يوجد باب لعالم شديد الدقة.

على الجانب الآخر من الباب توجد غرفة كبيرة ذات سقف مقبب. أسفل أقدامنا تم حفر الصخر بشكل عميق ليسع صهريجاً أسطوانياً نصف قطره 39.3 مترًا وعمقه 41.4 مترًا يكفي لاستيعاب ثلاثة من تماثيل بوذا العملاقة الموجودة في كاماكورا مكدسة فوق بعضها البعض، بل ويتسع أيضاً لوضع تمثال الحرية داخله ولكن ستبرز منه الشعلة فقط. على الرغم من حجم الكهف الضخم، إلا أن صخرة النايس الصلبة تعني عدم وجود خطر انهياره.

يقع مدخل المرصد على عمق كيلومتر كامل تحت الأرض.

صهريج المراقبة بعد إزالة كل المياه أثناء أعمال الصيانة. (إهداء من مرصد كاميوكا، معهد أبحاث الأشعة الكونية بجامعة طوكيو)

جدران الصهريج مغطاة بـ 11129 مُضاعِف ضوئي (مستشعرات ضوئية) تبدو مثل لمبات عملاقة، قطر كل منها 50 سم. كل مُضاعِف ضوئي حساس لدرجة أنه يمكنه اكتشاف الضوء الصادر من مصباح يدوي على سطح القمر. تم صنع اللمبات الزجاجية بعناية بواسطة نافخي الزجاج وتم طلاء أسطحها بالذهب، مما يمنح الجدران مظهرًا ذهبيًا غير لامع. (بخلاف أوقات الصيانة، يكون الصهريج مظلماً تماماً وبالتالي لا يمكن رؤية مجموعة اللمبات الذهبية).

الصهريج مليء بحوالي 50000 طن متري من الماء شديد النقاء. عندما يتفاعل النيوترينو في بعض الأحيان مع الماء، فإنه يعطي مخروطًا من ضوء شيرينكوف المائل للزرقة، ولقد تم تصميم مجموعة المضاعفات الضوئية الموجودة على جدران الصهريج لالتقاط هذا الضوء الخافت جدًا.

الجزء الخارجي من كل أنبوب مضاعف ضوئي هو من صنع نافخ زجاج متمرّس.

شاشة تظهر النيوترينوات المكتشفة. الدوائر الموجودة في الأعلى والأسفل تمثل الجزء العلوي والسفلي من الصهريج، بينما يشير المستطيل الموجود في المنتصف إلى البيانات الواردة من الجزء العمودي للصهريج.

في أغسطس/ آب 2020، تم العمل على إذابة الجادولينيوم (رقم العنصر 64) في الماء الموجود في صهريج سوبر كاميوكاندي، ليصل تركيزه إلى 0.01% في السائل، وذلك لتحسين قدرة المرصد على اكتشاف النيوترينوات. هذا التعديل يعني أن المرصد يمكنه الآن التمييز بين الأنواع المختلفة من تفاعلات النيوترينو.

يشرح ناكاهاتا: ”هذا يمكننا من التأكد من اتجاه انفجار المستعر الأعظم. ففي حين أن حقيقة كون انفجارات المستعرات العظمى تصدر عنها نيوترينوات قد تم إثباتها بواسطة SN 1987A، المستعر الأعظم الذي وصل ضوؤه إلى الأرض في عام 1987، إلا أن مرصد كاميوكاندي اكتشف 11 جسيماً فقط من تلك الجسيمات، والمراصد الأمريكية والروسية مجتمعة اكتشفت 24 جسيماً فقط. وبرغم أن إضافة الجادولينيوم لن تزيد من عدد النيوترينوات المكتشفة، لأن لدينا الآن 25 ضعفًا من الماء ولأن درب التبانة أقرب من سحابة ماجلان الكبيرة حيث حدث انفجار المستعر الأعظم SN 1987A، إلا أنه في حالة حدوث انفجار مستعر أعظم في مجرتنا، فسنكون قادرين على اكتشاف حوالي 10000 نيوترينو باستخدام سوبر كاميوكاندي، كما سنكون قادرين أيضًا على اكتشاف اتجاه عدة مئات منها، مما سيمكننا من معرفة موقع المستعر الأعظم“.

الحساسية المحسنة تعني أيضًا أنه بالإضافة إلى انفجارات المستعر الأعظم داخل مجرة درب التبانة، ربما يتمكن المرصد، لبضع مرات في السنة، من اكتشاف خلفية نيوترينوات المستعر الأعظم المنتشرة الناتجة عن انفجارات المستعرات العظمى في الأزمنة السحيقة.

يقول ناكاهاتا: ”هناك مئات الكوادريليونات من النجوم الثقيلة في الكون التي تعرضت لانفجارات المستعر الأعظم، وهذا يعني أنه في تاريخ الكون، كانت هناك العديد والعديد من الانفجارات. لقد تسبب توسع الفضاء في حدوث إزاحة حمراء في الأطوال الموجية للنيوترينوات المنبعثة من الانفجارات السابقة. ورغم سهولة تشتت هذه الجسيمات، إلا أنها لا تزال تطفو حول الكون. هذه هي خلفية نيوترينو المستعر الأعظم، فإذا نجحنا في التقاط هذه الجسيمات، سنكون قادرين على معرفة حجم انفجارات المستعرات العظمى التي كانت سبباً لانبعاثها والفترة التي حدثت فيها“.

يستخدم الباحثون هذا الجهاز لحقن الجادولينيوم في الصهريج.

الباحثون من جميع أنحاء العالم قادرون على التحكم في المرصد عن بعد.

مجال يستحوذ عليك

سألت ناكاهاتا عن سبب اختياره لهذا المجال.

فأجاب دون تفكير ”ليس لديك سوى فرصة واحدة للاختيار في هذه الحياة، وقد قررت أن أغامر مع عالم مثل كوشيبا“.

سمع ناكاهاتا عن كوشيبا الطموح عندما كان بصدد اتخاذ قرار بشأن مجال أبحاث الدراسات العليا، وأكد كوشيبا أن كاميوكاندي سيفوز بجائزة نوبل قريبًا جدًا لاكتشافاته المتعلقة بتحلل البروتون، مما أثار اهتمام ناكاهاتا فقرر الانضمام إلى المشروع. ومع ذلك، مرت سنوات دون التمكن من رصد حادثة تحلل بروتون واحدة.

يقول ناكاهاتا: ” في البداية اعتقدت أنني مغفل وأني اخترت المسار الخاطئ“.

ناكاهاتا يتمتع بشخصية هادئة ولبقة.

لكن اتضح أن موهبة كوشيبا الحقيقية كانت قدرته على ابتكار أفكار جديدة لا نهاية لها. قرر كوشيبا أن يحوّل الفريق تركيزه إلى التقاط النيوترينو، وقام بتعديل المرصد وفقًا لذلك. بعد عام واحد فقط، عندما وصلت إلى كوكب الأرض النيوترينوات المنبعثة من انفجار مستعر أعظم في سحابة ماجلان الكبرى، وهو سديم بالقرب من مجرتنا درب التبانة، كان فريقنا أول من نجح في رصد نيوترينوات من الفضاء الخارجي.

شعُر ناكاهاتا بأن مجموعته البحثية محظوظة للغاية، حيث أن انفجارات المستعر الأعظم لا تحدث بمثل هذا التكرار. في مجرة درب التبانة، التي يوجد فيها كوكبنا، يحدث انفجار واحد فقط من هذا القبيل كل 30 إلى 50 عامًا، وإذا قصرنا حديثنا على الأحداث التي يمكن اكتشافها بالعين المجردة، فسنجد أنه حدث واحد فقط كل 400 عام. وفي صدفة أخرى شديدة الروعة، أصبح ناكاهاتا نفسه أول شخص في العالم يحصل على البيانات الأولية من انفجار المستعر الأعظم تلاه طالب دكتوراه في السنة الثالثة كان مكلفاً بتحليل البيانات.

”عندما اكتشفت تلك العشر ثوان من الإشارات القوية للغاية في البيانات في تمام الساعة 16:35:35 يوم 23 فبراير/ شباط 1987، بدأت نبضات قلبي تتسارع بشدة.

وقع هذا الحدث بعد ثلاث دقائق فقط من فجوة في البيانات مدتها دقيقتان تنشأ مرة كل ساعتين أثناء إعادة ضبط أجهزة الاستشعار، وبالتالي لو حدثت تصادمات النيوترينو أثناء تلك الفجوة الزمنية التي تكون أجهزتنا عاجزة عن الرصد خلالها، لما تمكن الفريق من رصد هذه البيانات. يقول ناكاهاتا إنه شعر بارتياح شديد عندما أدرك كم كان عنصر الوقت في صالحهم.

مجموعة النقاط التي في منتصف الصورة تمثل انفجار المستعر الأعظم، أما المساحة الفارغة أدناه فتشير إلى فجوة في دفق البيانات ناتجة عن إعادة المعايرة التي تمت قبل دقائق فقط من حدوث الانفجار.

يقول ناكاهاتا ضاحكاً ”لم أتمكن من الاتصال بكوشيبا لأنه كان يقضي إجازته في أحد مناطق الينابيع الساخنة في هاكونه، أعتقد أن أحدا لم يتخيل أن يؤدي كل ما حدث إلى فوزنا بجائزة نوبل“.

عندما أبلغ ناكاهاتا نتائج تحليل البيانات إلى كوشيبا في الأسبوع التالي، لم تبدُ على كوشيبا أي انفعالات وبدلاً من ذلك كلفه بمهمة أخرى: ”أنت بحوزتك بيانات تخص يومين فقط، أريدك أن تعود وتحلل جميع البيانات الأخرى التي سجلها مرصد كاميوكاندي وتثبت أن ما تم رصده وتحليله كان هو الحدث الوحيد“.

في كل يوم من الأسبوع التالي، عمل ناكاهاتا حتى وقت متأخر من الليل وأعاد تشغيل مئات من أشرطة البيانات بالتزامن مع كتابة أطروحته. ما حصل عليه من نتائج كانت دليلاً على أول اكتشاف للنيوترينوات من انفجار مستعر أعظم.

بالنظر إلى مسيرته مع مراصد كاميوكاندي وسوبر كاميوكاندي، يقول ناكاهاتا مبتسماً: ”لاحقًا حصلنا على المزيد من النتائج غير المتوقعة، وأصبحت الأمور ممتعة للغاية“.

في عام 2027، سوف تحقق أبحاث النيوترينو قفزة نوعية وخطوة هائلة إلى الأمام عندما يكتمل إنشاء مرصد هايبر كاميوكاندي، الذي يعد خليفة سوبر كاميوكاندي، بسعة 260 ألف طن متري. يخطط الباحثون لاستخدام هذه المنشأة أثناء محاولتهم استجلاء نظرية موحدة حول الجسيمات الأولية وتاريخ نشأة الكون.

يقول ناكاهاتا ”سعينا مستمر. آمل أن يقدّر الناس الإثارة وروح المغامرة، وأتمنى أن يشارك المزيد من الشباب في هذا المجال البحثي“، أكاد أقسم أني رأيت بريقاً لامعاً في عينيه في هذه اللحظة.

ناكاهاتا مع فريقه يقومون بتركيب أنابيب مضاعفات ضوئية. (إهداء من مرصد كاميوكا، معهد أبحاث الأشعة الكونية بجامعة طوكيو)

في 12 نوفمبر/ تشرين الثاني 2020، توفي كوشيبا ماساتوشي الأستاذ الفخري بجامعة طوكيو والأب الروحي لعلم فلك النيوترينو والعالم الرائد في مجال أبحاث النيوترينوات. سوف نتذكره دائماً لإنجازاته العلمية الخالدة.فليرقد في سلام.

(نشر النص الأصلي باللغة اليابانية، الترجمة من الإنكليزية. صورة العنوان: صهريج المراقبة فارغاً من المياه أثناء صيانته. جميع الصور بواسطة هاشينو يوكينوري من Nippon.com ما لم يُذكر خلاف ذلك)