خط امتصاص

مجرة أندروميدا هي أقرب جار كبير لنا، ومثل درب التبانة، تمتلك عباءة غازية غير مرئية. تمتد هذه العباءة من غاز ساخن جدًا ومخلخل لمئات الآلاف من السنوات الضوئية. يكاد يكون من المستحيل رؤيتها مباشرة، فالغاز باهت جدًا. ولكن عندما يمر ضوء كوازار بعيد عبر هذه الهالة، يترك الغاز "بصماته" في طيف الضوء — خطوط امتصاص داكنة.

تخيّل ملعبًا ضخمًا مكتظًا بأشخاص يرتدون الأسود. أنت تقف في الخارج وتحاول أن تفهم ما يحدث في الداخل، رغم أنك لا ترى أي شخص. لكن إذا تصادم اثنان وتبادلا قمصانًا زاهية الألوان — ستلاحظ وميض اللون. هكذا بالضبط يبحث علماء الفلك عن المادة المظلمة — وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصّه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية.

بدأت القصة البوليسية الكونية بوميض هادئ في النطاق البصري. كان الجسم AT2019wzc يتوهج ويخفت ببطء مثل جمرة متوهجة. لكن بداخله كان يختبئ شيء أكثر طاقة — نبضات متكررة من الأشعة السينية اللينة، يسميها علماء الفلك ثورانات شبه دورية — انبعاثات قصيرة ولكن منتظمة من الإشعاع عالي الطاقة. تستمر هذه الثورانات لدقائق أو ساعات وتتكرر كل بضع ساعات أو أيام.

يقول المثل: المصباح الساطع في الضباب الكثيف يبدو خافتًا، بينما يُرى ضوء صغير في الهواء الشفاف من مسافة كيلومتر. شذوذ مماثل حيّر علماء الفيزياء الفلكية قبل نصف قرن تقريبًا.

أربعون شعلة محمرة تتلألأ في صور تلسكوب جيمس ويب. رصدها التلسكوب في أعماق الفضاء، على مسافات حيث كان عمر الكون أقل من ملياري سنة. هذه الأجسام هي نوى مجرات نشطة، لكنها مضغوطة جدًا وحمراء بشكل غير عادي. بسبب لونها سُميت «نقاطًا حمراء صغيرة» (LRD). عندما حلل الفلكيون ضوء هذه النقاط إلى أطياف، فاجأتهم المفاجأة.

كرة بلياردو تصطدم بأخرى. الضربة — فتتباعد الكرتان. لكن إذا لم تكن الدفعة حادة بل ناعمة جدًا، فستتدحرج الكرتان معًا دون أن ترتد إحداهما عن الأخرى. هكذا تقريبًا تتصرف الذرة عندما يصطدم بها جسيم من المادة المظلمة. تأثير ميغدال هو الحالة التي تتلقى فيها نواة الذرة دفعة مفاجئة من جسيم عابر، فتهتز النواة وتقذف إلكترونًا منها، مثلما يرمي الفارس راكبًا عن ظهره.

نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى حقبة كان فيها توسع الكون قد مدد ضوء الأجرام البعيدة إلى المنطقة الحمراء، واكتشف مجموعة من المصادر الغريبة — «النقاط الحمراء الصغيرة». كسرت أطيافها القوالب المألوفة: فهي زرقاء في الأشعة فوق البنفسجية، وقرمزية في الضوء المرئي، كما لو كانت عبر حجاب بلون الكرز.

الإشعاع الأثري (Cosmic Microwave Background) هو وهج ما بعد الانفجار العظيم الذي نراه على موجات مليمترية. لكن له ذيل طويل الموجة يمتد إلى نطاق الراديو. على أطوال موجية أطول من 21 سنتيمترًا، يبدأ هذا الضوء في الامتصاص بواسطة الهيدروجين المحايد المنتشر في الفضاء البعيد.

كل مجرة تسبح في سحابة غازية غير مرئية، مثل فاكهة في شراب. هذا الغاز هو بقايا مواد البناء التي تشكلت منها النجوم، ويتم تجديده باستمرار بكميات جديدة من الفضاء بين المجرات. يكاد يكون من المستحيل رؤيته مباشرة: فهو مخلخل جدًا وبارد. ولكن عندما يمر ضوء كوازار بعيد عبر مثل هذه السحابة، تمتص ذرات المعادن في الغاز جزءًا من الضوء عند أطوال موجية محددة.

في مركز المجرة PDS 456 يتوهج نجم زائف (quasar) — ثقب أسود يبتلع الغاز الذي يشع بسطوع يفوق مئات المليارات من النجوم. حدّق مرصد الأشعة السينية XRISM في هذا الضوء ورأى فيه صفًّا من الخطوط الداكنة، تشبه ظل سياج خشبي عند الغروب. كل خط هو سحابة غاز حجبت جزءًا من الإشعاع. لكن الخطوط كانت منزاحة نحو الطاقات العالية، وكأن كل السحب تتجه نحونا بسرعة هائلة.

عدسة ضخمة من الجاذبية كبّرت مجرة بعيدة، فأطلّ علماء الفلك على مطبخها الكيميائي. حصل تلسكوب ALMA في صحراء تشيلي على مستقبل جديد يلتقط موجات راديوية بترددات تتراوح بين 67 و116 غيغاهرتز — وكأن مستقبل الراديو تعلّم أخيرًا سماع نطاق كامل من المحطات دفعة واحدة.

يشبه طيف أشعة غاما سياجًا من الأوتاد: كل خط هو طاقة دقيقة أطلقتها النواة عبر فوتون. لكن في بعض الأحيان تظهر في هذا السياج "أشباح" — خطوط ضعيفة منزاحة بنفس المقدار عن الخطوط الرئيسية. قد يعني هذا الإزاحة أن جزءًا من الطاقة ذهب لتوليد جسيم خفيف لا نستطيع رؤيته مباشرة بعد.

الغاز شبه غير مرئي، لكن له درجة حرارة يمكن قراءتها من خلال الطريقة التي "يحجب" بها الخلفية الحرارية. في التجربة، تنظر الكاميرا إلى شاشة دافئة عبر نفاثة من غاز ثاني أكسيد الكربون. إذا كان الغاز أبرد من الخلفية، يظهر كبقعة داكنة؛ وإذا كان أدفأ، يظهر كبقعة فاتحة. لكن هناك درجة حرارة خاصة للخلفية تختفي عندها البقعة تمامًا: يصبح الغاز والخلفية غير قابلين للتمييز.

مجرة بعيدة تولد فيها مئات النجوم يجب أن تتوهج بالأكسجين. هكذا اعتقد علماء الفلك: النجوم الشابة الساخنة تسخّن الغاز، فيصدر توهجًا مميزًا في الأشعة تحت الحمراء بطول موجة 63 ميكرون. هذا مثل البخار فوق قدر يغلي — علامة أكيدة على عملية عنيفة. لكن عندما وجّه تلسكوب ALMA هوائياته نحو اثنتي عشرة مجرة تبعد عنا 12–13 مليار سنة ضوئية، كانت الصورة معكوسة.

عادة ما يعني الجرم الأحمر البعيد شيئاً واحداً: أمامنا ستار من الغبار فوق قرص ملتهب يسقط في ثقب أسود. لكن عندما قام جيمس ويب بتحليل ضوئه إلى أطيافه، ظهر ظل بداخله – تماماً كما يعترض بخار الماء المغلي الأشعة. هذا يكشف عن درجة الحرارة: الغاز المتوهج ليس شديد الحرارة لدرجة البياض، بل دافئ فحسب، حوالي 2000-4000 درجة مئوية.

الليزر العادي يضخّم الضوء إلى شعاعٍ ساطع. وإذا أدرت هذه العملية بالاتجاه المعاكس، ستحصل على مضادِّ ليزر — وهو جهاز يمتص الضوء دون أن يترك شيئًا. لكن هذه الآلة متقلبة: يكفي اضطرابٌ طفيف ليفشل الامتصاص. وجد الفيزيائيون طريقةً لجعل مضادِّ الليزر منيعًا. فقد بنوه على أساس الحالات الحافّية الطوبولوجية — وهي موجات خاصة تجري على طول حدود المادة فقط ولا تلاحظ العوائق.