فجوة كتلة الثقب الأسود

المسطرة لا تُلصق بالقرص الخفي، بل تُمد عبر الكون كله. ضوءُ الكويزار البعيد الكويزار، وهو غاز متوهج يدور حول ثقب أسود فائق الكتلة، يمر في طريقه إلينا عبر مجرةٍ تعمل كعدسة. الجاذبية الصادرة عن نجوم تلك المجرة تحني الأشعة كما يفعل زجاجٌ غير مستوٍ، فتظهر صورة الكويزار مزدوجةً في اللقطات، ويتراقص سطوعه قليلًا.

هذا مثل رقم قياسي في سباق المسافات القصيرة: لكسره، تحتاج إلى اندفاعة مثالية. لكن النوابض دون الميلي ثانية النجوم النابضة مسافة اندفاعها قصيرة جدًا. أسرع نابض معروف، PSR J1748-2446ad، يدور 716 دورة في الثانية، أسرع من خلاط المطبخ. لو كان بحجم الأرض، لتحركت نقطة على خط استوائه بسرعة تعادل 0.24 من سرعة الضوء.

الثقب الأسود — منطقة في الزمكان بجاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها — يشبه قمة دوّامة كانت لتدور إلى الأبد في الفراغ. لكن إذا تشكلت حوله سحابة من البوزونات فائقة الخفة — وهي جسيمات افتراضية ذات سبين صحيح — يتغير المشهد. تعمل هذه "الضبابة" ككابح غير مرئي: إذ تسحب الجسيمات طاقة الدوران من الثقب، مما يجعله يتباطأ.

يواجه علماء الكونيات موقفًا طريفًا: أداتان موثوقتان ترسمان خرائط مختلفة قليلاً لنفس الكون. إحداهما هي خريطة الضوء القديم (إشعاع الخلفية الكونية)، والأخرى هي خريطة توزيع المجرات. بشكل عام، هما متفقان، لكنهما يختلفان في التفاصيل. تُظهر المجرات أن كمية المادة حولنا أقل قليلاً مما يتنبأ به الضوء القديم.

في الأطراف المظلمة لمجرتنا، بعيدًا عن التجمعات النجمية الساطعة، تختبئ ملايين الثقوب السوداء — وهي أجسام لا تشع ولا تبتلع المادة تقريبًا. الطرق التقليدية للبحث، المصممة للحقول النجمية القريبة، عاجزة هنا. نحتاج إلى نهج مختلف. اقترح علماء الفلك استخدام نسيج الفضاء نفسه ككاشف.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون عبارة عن "حساء" حارق من الجسيمات الأولية. ومع برودته، حدثت تحولات طورية في هذا المرق البدائي، تمامًا كما يتجمد الماء إلى جليد عندما تنخفض درجة الحرارة.

طبقة تلو الأخرى، قطعة أثرية تلو الأخرى — يعيد عالم الآثار بناء تاريخ مستوطنة قديمة. وهكذا، علماء الفيزياء الفلكية، وهم يحللون 259 تسجيلًا من ليغو–Virgo–KAGRA، رأوا بنية طبقية واضحة بين الثقوب السوداء المندمجة. كل طبقة — مئات الملايين من السنين من التطور، مسجلة في الموجات الثقالية.

تظل المادة المظلمة كخلفية جهيرة صامتة في السيمفونية الكونية - فهي لا تشع ضوءاً، لكن جاذبيتها تشكّل المجرات. كانت فيرا روبن أول من التقط هذا الإيقاع في سبعينيات القرن الماضي، بمراقبتها دوران النجوم.

غالبًا ما يُشبَّه العالم الكمومي بآلة موسيقية. كل نظام — سواء كان ذرة أو سلسلة جسيمات — يصدر تردداته الخاصة، التي يسميها الفيزيائيون مستويات الطاقة. في الأنظمة الفوضوية، كما في أوركسترا بلا قائد، تملأ هذه الترددات عادةً النطاق المتاح بالكامل دون فجوات. لكن مؤلفي العمل الجديد وجدوا استثناءً مذهلاً. لقد درسوا ما يسمى بالسلاسل المغزلية المقيدة — صفوف من الجسيمات التي لا يمكنها تغيير حالتها إلا وفق قواعد معينة.

اندماجات الثقوب السوداء، التي تنبأ بها كارل شفارتزشيلد، هي المصدر الرئيسي لـ موجات الجاذبية التي تلتقطها أجهزة كشف لايغو. على مدى السنوات، تراكمت 259 حدثًا، وكل منها قصة ميلاد مشفرة لزوج.

الأمواج تفرز الحصى على الشاطئ الرملي. الحصى الصغيرة تتجاور بشكل متلاصق، متشابهة الحجم تقريبًا. أبعد قليلًا عن الشاطئ، نجد حصى أكبر حجمًا وأكثر تنوعًا. وعند حافة الماء حيث يكون الأمواج قوية، تتراكم القطع الأكبر والأكثر استدارة. هكذا تقريبًا تفرز الطبيعة الثقوب السوداء حسب الكتلة عندما تندمج في أزواج.

في ثلاثينيات القرن العشرين، كان فريتز زويكي أول من لاحظ أن المجرات في العناقيد تتحرك بسرعة كبيرة جداً – شيء غير مرئي كان يمسك بها. لاحقاً، قاست فيرا روبين دوران المجرات الحلزونية، مؤكدةً أن الكون يعج بـ المادة المظلمة. نعلم اليوم أنها ترسم الشبكة الكونية، لكن طبيعة جسيماتها لا تزال لغزاً.

من بين الكنوز المتناثرة للكون المبكر التي التقطها جيمس ويب، توجد أجرام تشبه خرزات ياقوتية متناثرة على مخمل أسود. إنها «النقاط الحمراء الصغيرة» (LRD) — مصادر مدمجة ذات أطياف حمراء حادة، تختبئ بداخلها ثقوب سوداء فائقة الكتلة تصل إلى مئة مليون كتلة شمسية. إنها أشبه بشرانق مجرية، مغلّفة بشرانق كثيفة من الغاز والغبار.

إذا ضغطت حفنة من الرمل، فستصبح أكثر كثافة، ولكن في مرحلة ما ستصطدم حبيبات الرمل ببعضها البعض — ولن يكون هناك مجال لمزيد من الضغط. بطريقة مماثلة، وفقًا لبعض المنظرين، يتصرف الفضاء على مسافات صغيرة جدًا: له حد للقسمة، نوع من "الحبيبات". في هذه الدراسة الجديدة، طُبق هذا المبدأ على نشأة الثقوب السوداء في الكون المبكر — تلك التي قد تفسر مما تتكون المادة المظلمة.

المدينة غفت منذ زمن طويل: لا نافذة مضيئة، ولا بيت جديد. فقط في المركز، في مبنى وحيد، نسي أحدهم إطفاء كشاف ضوئي. هكذا تبدو المجرة التي لم تعد تولد نجومًا، بينما لا يزال ثقبها الأسود المركزي متوهجًا. باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، التقط العلماء هذا "الكشاف" — خط نيون لا يمكن تفسيره إلا بنشاط ثقب أسود فائق الضخامة.

متزلجان فنيان يدوران على الجليد. أحدهما خفيف وحذر، لا يكاد يدور. والآخر ضخم وسريع، يدور بكل قوته، بل وفي اتجاهات مختلفة. هذا تقريبًا هو المشهد الذي رسمته الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء. حلل العلماء بيانات الكتالوج الرابع لمرصدي LIGO–Virgo–KAGRA ووجدوا أن سرعة دوران الثقوب السوداء في الزوج تعتمد بشدة على كتلتها.

الكون يعزف كأوركسترا هائلة: نوتتها الموسيقية هي الموجات الثقالية، وهي تموجات في نسيج الزمكان، تنبأ بوجودها Albert Einstein في إطار النسبية العامة.

نظامنا الشمسي ليس جزيرة في الفراغ، بل شبكة حساسة ممتدة في زاوية مظلمة من الكون. تدور الكواكب في مداراتها كقطرات الندى على الخيوط، ونحن العنكبوت الذي يشعر بأدنى اهتزاز. وهذا الاهتزاز بالذات يكشف اقتراب الكارثة التي يسميها علماء الفلك التمزق الكبير. بدأ كل شيء في عام 1929، عندما رصد إدوين هابل تمدد الكون.

الموجات الثقالية  هي تموجات في نسيج الفضاء، كالدوائر على الماء عند إلقاء حجر. أما على الأرض فتغمرها ضوضاء النقل والمد والزلازل — كما تعصف عاصفة ببحيرة فتمنع رؤية التموجات الخافتة. ينقل مشروع LILA الكاشف إلى القمر حيث يسود صمتٌ لا تعكره رياح. وهناك ستظهر حتى أضعف الموجات الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء  بوضوح.

المجرة ليست صورة ثابتة، بل هي مرجل يغلي، حيث تولد نجوم جديدة باستمرار من الغاز المخلخل. لفهم كم من الوقت سيستمر هذا الغليان، يزن علماء الفلك المكوّن الرئيسي — الهيدروجين الجزيئي البارد. هو نفسه غير مرئي، لكنه يُفضح بواسطة غاز أول أكسيد الكربون (CO)، الذي يتوهج في نطاق الراديو.

أجرى الفيزيائيون الفلكيون تعدادًا للأجسام الخفية التي لا تكشف عن نفسها إلا بارتجاج الفضاء. درسوا الكتالوج الجديد GWTC-4 — قائمة بعشرات الاندماجات لـ الثقوب السوداء التي رصدتها كاشفات الموجات الثقالية LIGO وVirgo وKAGRA. كل حدث من هذه الأحداث يشبه قرع جرس هائل يرسل تموجات في نسيج الكون.

الموجات الثقالية — تموّجات في نسيج الزمكان تنبأ بها أينشتاين — كشفت هاوية: الثقوب السوداء التي تتراوح كتلتها بين 60 و120 كتلة شمسية لا تولد تقريبًا.

النجوم التي تفوق كتلة شمسنا بعشرات المرات لا تموت كما كنا نعتقد سابقًا. فقد أظهرت النمذجة الحاسوبية أن نواها غالبًا لا تنفجر على هيئة مستعر أعظم، بل تنهار سريعًا إلى ثقب أسود. الأمر أشبه بكعكة ينهار وسطها فجأة، فتنسحب معظم العجينة إلى الداخل كما لو كانت في قمع، ولا تتطاير إلا بضع قطرات إلى الخارج. وهذا حال النجم أيضًا: معظم المادة تسقط فيه، ولا تتناثر.

عندما تندمج الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية، فإنها تهز نسيج الزمكان نفسه، مولدة الموجات الثقالية — تموجات تنبأ بها أينشتاين في إطار النسبية العامة. تلتقط كواشف مثل LIGO هذا "الرنين الكوني"؛ إذ يحمل تردده وتصاعده (ما يُسمى "الزقزقة") معلومات عن كتل الأجسام المتصادمة.

في قاعة مظلمة شاسعة، هناك من يعزف على أوتار غير مرئية. الغاز الكوني — الهيدروجين المخلخل الذي ملأ الكون الفتيّ — يشبه أوتارًا مشدودة يمكن أن تصدر صوتًا على موجة راديوية طولها 21 سنتيمترًا. هذا هو الهيدروجين يهمس عن درجة حرارته. ولكن عبر هذا الغاز تندفع كتل مظلمة ضخمة من المادة المظلمة، التي لا يراها أحد لكن الجميع يشعر بها من ثقلها.

في الفترة من 2016 إلى 2018، اصطدمت البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير في سيرن بطاقة 13 تيرا إلكترون فولت — كما لو تم تسريع حبتي بازلاء إلى سرعات يجعل اصطدامهما يولد سربًا كاملًا من الجسيمات الجديدة. وفي هذا السرب، بحث الفيزيائيون عن أكثر الضيوف غرابة: ثقوب سوداء مجهرية، وعقد من الأوتار، وسفاليرونات كهروضعيفة.

على بعد 65 مليون سنة ضوئية من الأرض، في كوكبة قيطس، تقع ثلاث مجرات قزمة مجرات: DF2 وDF4 وDF9. أُعلنت جميعها "مجرات بدون مادة مظلمة" — تلك المادة الخفية الغامضة التي عادةً ما تمسك النجوم معاً.

لا يمكن رؤية الثقب الأسود حتى يقترب منه نجم. عندها تعمل قوى المد على تمدد النجم كما يفرد الطباخ العجين، ويسقط جزء من المادة في الثقب، متوهجًا في اللحظات الأخيرة. هذه الأحداث، التي تسمى اضطرابات المد والجزر (tidal disruption events)، هي فرصة نادرة لوزن ثقب أسود كان سيظل خفيًا لولا ذلك. اضطراب المد والجزر هو عندما يمزق الثقب الأسود نجمًا اقترب منه كثيرًا.

وجّه الفلكيون تلسكوب جيمس ويب نحو ثلاث مجرات يقطع ضوؤها مسافة 12 مليار سنة. أشارت البيانات الأولية إلى نمو سريع لا يُصدق — كأن رضيعاً بلغ طول شخص بالغ في عام واحد، مما يتعارض مع تمدد الكون.

الثقب الأسود في النظام الثنائي Swift J1727.8-1613 يومض في الأشعة السينية مثل جمرة تتأرجح في الريح. لكن إذا أنصتنا جيدًا لإيقاع هذا الوميض، سنلاحظ «حدبات» واضحة — ارتفاعات عند ترددات محددة، تشبه دقات الطبل وسط ضجيج الحشود.

ثلاث مجرات بعيدة تدور مثل دوامات عملاقة. تتحرك نجومها وغازها على طول أذرع حلزونية، ومن خلال سرعة هذه الحركة يمكن حساب كمية المادة الكلية في المجرة — المرئية منها وغير المرئية. دمج علماء الفلك بين منظورين: أظهرت التلسكوبات الراديوية الغاز البارد، بينما أظهر تلسكوب جيمس ويب الفضائي النجوم.

تخيل جسراً فوق نهر اقتُلعت وسطه: السيارات على الضفة الأخرى — مفاجأة. هكذا نظر الفلكيون لفترة طويلة إلى الثقوب السوداء ذات الكتل من 50 إلى 130 كتلة شمسية: النجوم القادرة على إنتاجها تنفجر مثل المستعرات العظمى الناتجة عن عدم الاستقرار الزوجي.