الانفجار العظيم

في قدر على الموقد، يبدأ الماء بالغليان من الأسفل، قبل وقت طويل من غليان الكل. فقاعات البخار ترتفع من القاع، رغم أن الموقد نفسه لم يسخن بعد. هذا تقريبًا ما يحدث في الغلاف الجوي للشمس قبل التوهج: تندفع تيارات المادة إلى الأعلى من الطبقات العميقة، رغم أن المصدر الرئيسي للتسخين، وفقًا للتصورات السابقة، لم يُشعل بعد.

تخيل أنك تنظر إلى سلسلة جبال بعيدة عبر ضباب الصباح. ملامح القمم مشوشة، وإذا كان الضباب غير متجانس، فإن بعض المنحدرات تضيع أكثر من غيرها. هكذا تقريبًا يبدو الضوء القديم للكون بالنسبة لعلماء الفلك، وهو يصل إلينا بعد رحلة تستغرق 13.8 مليار سنة. وُلد هذا الضوء عندما كان عمر الكون 380 ألف سنة فقط، أي قبل وقت طويل من ظهور النجوم الأولى.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان من المفترض أن تنشأ المادة والمادة المضادة بكميات متساوية، وفقًا لقوانين التناظر في فيزياء الجسيمات الأولية. لكن اليوم، ما يحيط بنا هو المادة العادية (بروتونات، نيوترونات، إلكترونات)، بينما المادة المضادة (مضادات البروتونات، البوزيترونات، إلخ) نادرة الوجود.

في أول نصف مليار سنة بعد الانفجار العظيم، كانت المجرات تنمو بسرعة مذهلة. كان الغاز يسقط فيها بسرعة وينهار ليشكل نجومًا دون أن يواجه مقاومة. تُسمى هذه الفترة "تكوين النجوم غير المقيد". الأمر أشبه بقلي الفطائر على مقلاة شديدة السخونة دون غطاء: يتطاير الزيت في كل مكان، ولا أحد يحدّه.

في قلب مدينة قديمة يقف برج بساعة لم تُضبط منذ بنائها. من تأخرها يمكن حساب كم تمدد الزمن منذ ذلك الحين. في الفضاء، تلعب المجرات الأثرية دور هذه الأبراج، وهي تجمعات نجمية كثيفة تشكلت في أول مليارات السنين ولم تندمج مع جيرانها منذ ذلك الحين ولم تولد نجومًا جديدة. ضوءها هو بصمة العمر، مجمدة في الطيف.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان من المفترض أن تنشأ المادة والمادة المضادة بكميات متساوية، وفقًا لقوانين التناظر في فيزياء الجسيمات الأولية. لكن اليوم، ما يحيط بنا هو المادة العادية (بروتونات، نيوترونات، إلكترونات)، بينما المادة المضادة (مضادات البروتونات، البوزيترونات، إلخ) نادرة الوجود.

شعاع كشاف يغوص في الظلام، لكن إذا أعدناه ذهنيًا إلى الوراء، فسيصطدم بمصدر الضوء — المصباح. ربما ينطبق الأمر نفسه على تاريخ الكون: عندما نتتبع تمدده إلى الوراء، نصطدم بالبداية. أخذ الفيزيائيون أبسط نموذج — كون يتمدد بشكل متساوٍ في جميع الاتجاهات، مثل مكعب تتزايد أضلاعه في الوقت نفسه.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، توسع الكون أسرع من أن يعبره الضوء. هذه العملية، التي تسمى التضخم الكوني (cosmic inflation)، يمكن تخيلها كبالون يُنفخ، لكن بدل المطاط، يتمدد الفضاء نفسه. على هذا «البالون» تنشأ حتمًا تموجات — تضاغطات وتخلخلات صغيرة جدًا، نشأت منها لاحقًا جميع المجرات والنجوم.

الكون يتمدد، وهذا التمدد يتسارع. ولكن ماذا لو كانت الجاذبية - انحناء الزمكان بسبب الأجسام الضخمة - تعمل بشكل مختلف في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم؟ أضاف مؤلفو الدراسة الجديدة حقلاً غير مرئي إلى معادلات أينشتاين، يعترض الطاقة من المادة والإشعاع العاديين.

كان الكون المبكر بمثابة «حساء» ساخن من الجسيمات والجسيمات المضادة التي كانت تُولد وتفنى في أزواج باستمرار. وفقًا لقوانين التناظر، كان ينبغي أن تفني بعضها بعضًا تمامًا، لكن نجت كمية ضئيلة من المادة الزائدة. ومن هذا الفائض تشكلت لاحقًا النجوم والكواكب وكل ما نراه من حولنا، بما في ذلك نحن أنفسنا.

عند اصطدام نواتين ذريتين تتولّد كرة نارية صغيرة — حالة من المادة بكثافة طاقة قصوى. تعيش لحظة، لكن داخلها تتعاقب عصور كاملة: انضغاط، تسخين، تمدد. تعلّم الفيزيائيون التنصّت على هذه العملية، وأصبحت أزواج الإلكترونات والبوزيترونات — الجسيمات المضادة التي تنطلق من الكرة في مراحل مختلفة — «ميكروفونهم». في العمل الجديد، تمت مقارنة سيناريوهين لتطور المادة.

بدأ كل شيء بالتمدد. في الكسور الأولى من الثانية، انتفخ الكون — يسمي الفيزيائيون هذا التضخم: تمدد أسي كان خلفه حقل قياسي بطاقة كامنة هائلة. ثم تحول التمدد السريع إلى مرحلة انتقلت فيها طاقة الحقل إلى جسيمات عادية.

يصلنا الضوء القادم من أشد مراحل الكون حرارة منذ ما يقرب من 14 مليار سنة. هذا هو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي — توهج خافت يملأ السماء كلها، أشبه بـ«صدى» الانفجار العظيم. مؤخرًا، لاحظ الفلكيون أمرًا غريبًا: استقطابه الاستقطاب — أي اتجاه اهتزاز المجال الكهربائي — يبدو منعطفًا بنحو 0.3 درجة. وكأن أحدهم أدار مقبضًا خفيًا قليلًا.

في اصطدامات البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير، لا يُنتَج أحيانًا بوزون هيغز واحد، بل اثنان في وقت واحد. تواتر مثل هذه الأحداث هو بصمة مباشرة لكيفية تفاعل حقل هيغز مع نفسه: معامل التفاعل الذاتي κλ يحدد احتمال الظهور المتزامن لزوج من بوزونات هيغز.

كان الكون المبكر يشبه مرجلاً محموماً تفور فيه التقلبات الكمومية — وهي ارتفاعات عشوائية في الطاقة ملازمة للعالم الميكروسكوبي. وفي هذه الفوضى، تكثف حقل خاص — الحقل القياسي — مثل البخار فوق ماء يغلي. وأصبح ذلك "المحرك" الذي جعل الفضاء يتمدد بسرعة لا تُصدق. وتُسمى هذه العملية التضخم الكوني. أظهر مؤلفو الدراسة أن هذا الحقل لا يحتاج إلى إدخاله بشكل مصطنع.

أول لحظة في وجود الكون تشبه وترًا مشدودًا ضُرب فجأة. لقد اهتز، وتجمدت هذه الاهتزازات في شكل مجرات وفراغات. لكن الفيزيائيين يشتبهون في وجود اهتزازات أخرى — سريعة ومحلية، تقريبًا مثل دقات الطبول على خلفية لحن بطيء. يتعلق الأمر بالأوسيلونات (oscillons) — كتل من الطاقة ربما ظهرت في عصر التضخم (التوسع السريع للكون). إنها تشبه الفقاعات في الماء المغلي: تنشأ، وتعيش لبعض الوقت، ثم تنهار.

يشبه الكون المبكر نابضًا مشدودًا بإحكام. في اللحظات الأولى، كان يتوسع بسرعة لا يمكن تصورها — وتسمى هذه المرحلة بالتضخم. يُعتقد عادةً أن مجالًا خاصًا هو الذي تسبب فيه، لكن هناك فكرة أخرى: الزمكان نفسه يلتف مثل النابض، وهذا الالتواء (في الفيزياء — الالتواء) يصبح محرك التوسع. عندما ينتهي التضخم، يجب أن تتحول طاقة الالتواء إلى جسيمات عادية — هكذا يسخن الكون.

في اللحظات الأولى، تمدد الكون بسرعة هائلة. تُسمى هذه العملية بالتضخم، والقوة الدافعة هي حقل الإنفلاتون. طاقته دفعت الفضاء بعيداً، مثلما ترفع الخميرة العجين. لكن لدى الفيزيائيين شك: ربما بقيت في العجين «فقاعات» — جسيمات فائقة الثقل وُلدت من التمدد نفسه. درس مؤلفو العمل نماذج حيث يرتبط الإنفلاتون ببعد إضافي.

مصنع قادر على إنتاج مليون قطعة في الساعة، لكنه ينتج مئة فقط. هكذا تقريبًا تتصرف حياتنا الكون إذا نظرنا إليه من خلال عدسة الإنتروبيا — مقياس الفوضى الذي، وفقًا لقوانين الفيزياء، يجب أن يزداد فقط. «الآلات» الرئيسية لهذا المصنع هي الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

بعد جزء من الثانية من الانفجار العظيم، كان الكون حساءً ملتهبًا من الجسيمات ومضاداتها. وبحسب كل القوانين، كان ينبغي أن تفني هذه الجسيمات بعضها تمامًا، تاركةً فراغًا فقط. لكن لسبب غير معروف، بقيَ جسيم مادي واحد «زائد» مقابل كل مليار زوج. ومن هذه الحبيبات الناجية تشكلت المجرات والنجوم والبشر.

اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم: الفضاء يتمدد بسرعة — يسمي الفيزيائيون هذه الفترة التضخم الكوني. داخل هذا النسيج المتضخم، مثل فقاعات الصابون في تيار هواء، تبدأ مناطق فراغ جديد في الظهور — يحدث تحول طوري من النوع الأول. معظم الفقاعات تنفجر أو تندمج بمجرد ظهورها.

اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم: الفضاء يتمدد بسرعة — يسمي الفيزيائيون هذه الفترة التضخم الكوني. داخل هذا النسيج المتضخم، مثل فقاعات الصابون في تيار هواء، تبدأ مناطق فراغ جديد في الظهور — يحدث تحول طوري من النوع الأول. معظم الفقاعات تنفجر أو تندمج بمجرد ظهورها.

اهتز الكون بجلبة عالية في اللحظات الأولى. في عصر التضخم الكوني، عندما كان الكون يتوسع أسرع من الضوء، كانت الطاقات هائلة — أكبر بتريليونات المرات من تلك الموجودة في مصادم الهادرونات الكبير.

37 زوجاً من المجرات بأعمار مختلفة كانت بمثابة ساعات. عقاربها — الفرق في أعمار النجوم — أخبرتنا عن مدى سرعة توسع الكون في عصور مختلفة. بناءً على هذه القراءات، بنى علماء الكون كاشف كذب لـ الطاقة المظلمة. في دور المشتبه به — الثابت الكوني نفسه، أبسط صورة لـ الطاقة المظلمة، التي كثافتها بحكم التعريف ثابتة.

17 مستعرًا أعظم من عينة ZTF DR2 اشتعلت قبل الموعد المتوقع. في الساعات والأيام الأولى بعد الانفجار، أصدرت ضوءًا أكثر مما تتنبأ به النماذج القياسية. يشبه علماء الفلك هذا بـ«الفتيل»: قبل أن يمزق الوميض المبهر السماء، يجري شعلة تمهيدية عبر الطبقات الخارجية. أكبر زيادة وصلت إلى 17% من التدفق الذروي — أي ما يعادل قدرًا نجميًا ظاهريًا قدره –17 تقريبًا.

التقط مطياف جيمس ويب انخفاضًا بالكاد ملحوظًا في طيف مجرة بعيدة المجرة — خطان كظلال تركها غاز بارد. إنهما خطا الصوديوم، نفس الضوء الأصفر لمصابيح الشوارع. هنا، على حافة الكون المنظور، يكشفان عن زفير بطيء لـ المجرة تعيد المادة إلى الفضاء.

تبدأ التموجات الكونية من تجمعات صغيرة جدًا. بعد 380,000 سنة من الانفجار العظيم، كان الكون متجانسًا تقريبًا — تفاوت الكثافة كان جزءًا من مائة ألف فقط. ولكن الجاذبية حولت هذه التموجات الضعيفة إلى مجرات وعناقيد وفراغات عملاقة. الآن يشبه الفضاء سطح بركة هبت عليها الريح: قمم كثيفة ومنخفضات خفيفة، ممتدة بالتوسع إلى مقاييس هائلة.

قدرٌ مليء بغراء كثيف جدًا وحار — هكذا تقريبًا بدا الكون المبكر. لم يكن غراءً عاديًا، بل «حساء غلووني»: جسيمات تحمل التفاعل القوي (الغلوونات) كانت تتنقل بحرية في الفضاء. كانت الحرارة مرتفعة لدرجة أن الكواركات والغلوونات لم تكن تلتحم لتكوين بروتونات ونيوترونات. مع مرور الوقت، بدأ الكون يبرد. في لحظة ما، بدأ «حساء الغلوونات» يتماسك — حدث انتقال طوري يشبه تصلب الغراء.

صائد الضوء القديم — تلسكوب جيمس ويب — وجّه مراياه إلى بقعة صغيرة من السماء ورصد منارة غريبة. الجسم الذي يحمل الاسم العملي beacon_1420-$$5253_{4770}$$ اشتعل ثم خفت. في البداية، أُدرج ضمن المرشحين ليكون أبعد مجرة — وكأننا نراها بعد 300 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. لكن المجرات لا تتصرف هكذا: فهي لا تختفي في غمضة عين بين المجرات.

في نظام نجمي واحد تدور مجموعتان من الكواكب. بعضها يتحرك في مدارات منتظمة، مثل متزلجي الأداء على حلبة التزلج، متجنبًا الاصطدامات. والبعض الآخر يتجمع في حشد، وتتقاطع مساراته، وعاجلًا أم آجلًا يقع حادث كوني — اصطدام عملاق.

2.1 × 10⁻⁹ — هذا مقدار التباين في درجة الحرارة عبر السماء، كما لو قِسنا تموجًا على سطح المحيط بارتفاع أجزاء من الميليمتر. هذا التباين الميكروسكوبي محفور في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ويحكي عن بداية الزمن.

سطح أسود بارد — هكذا بدا بحر الطاقة المظلمة (dark energy) لمليارات السنين، وهي المادة غير المرئية التي تدفع توسع الكون (expansion of the universe). لكن مطياف DESI سجل تموجًا خفيًا. الموجات الصوتية المتجمدة — البنية واسعة النطاق (Large-Scale Structure) — أشارت إلى أن المسافات الكونية ليست على ما يرام.

قبل 13,8 مليار سنة، كان الكون يرقص رقصة الفالس. كان الدوران إلى اليمين محظورًا. اليوم، تصلنا أصداء تلك الحفلة الكونية في شكل تموجات بالكاد محسوسة في الزمكان — الموجات الثقالية (gravitational waves). لقد تنبأ بوجودها Albert Einstein.

لغز وادي الأقطار — الانخفاض الحاد في عدد الكواكب الخارجية التي يبلغ نصف قطرها نحو 1,8 من نصف قطر الأرض — يُؤرِّق علماء الفلك. ترسم أرصاد العبور من كيبلر وTESS، وجيمس ويب، فجوة واضحة: الكواكب الأرضية الهائلة الصخرية والكواكب النبتونية الصغيرة الغازية تفصل بينها هوة تقريبًا.

في أعماق الكون، عندما ينهار نجم ضخم إلى ثقب أسود أو يولد نجم مغناطيسي، يشتعل انفجار أشعة غاما — للحظةٍ يطغى على جميع نجوم الكون المرصود.

في فبراير 2023، سجل التلسكوب المائي KM3NeT، المرسى على عمق ثلاثة كيلومترات قبالة سواحل صقلية، وميضاً. ميون واحد فقط رسم خطاً عبر الكاشف، تاركاً أثر طاقة قدره 220 بيتا إلكترون فولت. الأمر أشبه بأن تثقب بعوضة جداراً خرسانياً أثناء طيرانها. كان المصدر نيوترينو — جسيم شبح لا يتفاعل تقريباً مع المادة. لكن طاقة هذا «الشبح» كانت هائلة لدرجة أنها أربكت علماء الفيزياء الفلكية.

في هدوء السحب الجزيئية الباردة، حيث الغاز بين النجمي ينضغط بفعل الجاذبية إلى تكتلات كثيفة، تُعد ولادة النجوم الضخمة واحدة من أكبر ألغاز الفيزياء الفلكية. قد يبدو أن الإشعاع القوي للعملاق حديث الولادة من شأنه أن يبدد المادة المحيطة، موقفًا نموه.

نظر تلسكوب «جيمس ويب» إلى عصر كان فيه عمر الكون أقل من مليار سنة، ورأى أجسامًا غريبة — «نقاطًا حمراء صغيرة». وهي ثقوب سوداء بكتلة تعادل ملايين الشموس، لكن في مجرات صغيرة جدًا وغير متأثرة كيميائيًا تقريبًا. السيناريوهات القياسية لا تسمح بنمو مثل هذه الأثقال في هذا الوقت المبكر. التفسير الجديد يشبه إطعام سمكة قرش بسرب من الأسماك الصغيرة.

كل شيء يبدأ بندبةٍ صغيرةٍ — نفقٍ رفيعٍ يصل بين كونَين. في علم الكون الكمومي، كان النقاش منذ زمنٍ طويلٍ حول إمكانية أن يكون كوننا المغلق قد وُلد من «لا شيء» عبر النفق (وهي ظاهرةٌ يتجاوز فيها النظام حاجزًا لا يمكن تخطّيه بالمعايير العادية).

توسع الكون المبكر بسرعة هائلة — تُسمى هذه المرحلة بالتضخم. ولكن كيف حدث ذلك بالضبط؟ تصف بعض النماذج التوسع على أنه ارتفاع أسي حاد، بينما تصفه أخرى بأنه حركة قوة أكثر هدوءًا. اقترح مؤلفو العمل الجديد عائلة من النماذج البسيطة (α-attractors)، حيث يعمل معامل واحد μ كخافض إضاءة: تديره فتنتقل بسلاسة من نوع توسع إلى آخر.