قياس المسافات الكونية

النموذج القياسي لعلم الكونيات النموذج القياسي — وهو الإطار النظري الأساسي الذي يصف تطور الكون — يشبه وصفة كعكة حيث كل شيء مقيس بدقة: المادة المظلمة — وهي شكل افتراضي من المادة لا يشارك في التفاعلات الكهرومغناطيسية — مثل دقيق خالٍ من التكتلات (ضغطه صفر)، بينما الطاقة المظلمة — وهي المادة الغامضة…

الموجة الثقالية هي تذبذب في نسيج الزمكان نفسه، ينشأ مثلًا عن اندماج الثقوب السوداء. تخيلها كقرع جرس في الليل: من شدة الصوت يمكن تقدير المسافة إلى المصدر. لكن لمعرفة السرعة التي يتمدد بها الفضاء نفسه — «الليل» في تشبيهنا — نحتاج عادةً إلى إشارة ثانية: وميض كهرومغناطيسي (ضوء) أو بيانات من كتالوج مجرات ذات انزياح أحمر معروف.

قياس المسافات في الكون ليس بالمهمة السهلة. فجميع الطرق تقريبًا تعتمد على الضوء، وهو قد يتعرض للامتصاص أو التشتت أو التشويه أثناء رحلته إلينا. الأمر أشبه بمحاولة رؤية منارة بعيدة عبر الضباب والدخان. أما النيوترينوات فقصة مختلفة تمامًا. هذه الجسيمات الشبحية، التي لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، تخترق أي شيء دون أن تعترضها العوائق.

فجر الكون محجوب عنا بحجاب كثيف من الزمن. يمكننا النظر إلى ما وراءه إذا التقطنا إشارة راديوية من سحب الهيدروجين المتعادل الهيدروجين — تلك الإشارة الكونية الشاملة عند طول موجة 21 سم، وهي بقايا العصر الذي كانت فيه النجوم الأولى تتوهج للتو. لكنها ضعيفة جدًا لدرجة أن ضجيج المستقبِل الذاتي يطغى عليها.

في عام 1998، فاجأت النيوترينوات الفيزيائيين: الجسيم يغير نوعه أثناء الطيران. هذا ممكن فقط إذا كانت له كتلة. أصبح هذا الدليل المخبري الوحيد على فيزياء خارج النموذج القياسي. لكن كم تزن النيوترينوات بالضبط لا يزال لغزًا. التجارب المباشرة، مثل منشأة KATRIN العملاقة في ألمانيا، تقول: كتلة نيوترينو الإلكترون أقل من 0.45 إلكترون فولت.

وجد علماء الكونيات أنفسهم في مأزق مثير. الطريقتان الرئيسيتان للنظر إلى ماضي الكون — عبر الإشعاع المبكر (إشعاع الخلفية الكونية الميكروي) وعبر الأجسام الأحدث مثل المستعرات العظمى — تعطيان أرقامًا مختلفة لمعدل التوسع (ثابت هابل) ولمدى تكتل المادة.

النجم النيوتروني هو نواة نجم ضخم سابق، انضغطت حتى صارت بحجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن بقدر جبل. لكن داخل هذه الكرة فائقة الكثافة قد يختبئ مفاجأة: تحت ضغط لا يمكن تصوره، تتفكك النيوترونات إلى كواركات، فيكتسب النجم نواة جديدة أكثر انضغاطًا. عندها قد توجد في الكون أزواج من النجوم لها الكتلة نفسها لكن أنصاف أقطار مختلفة — تُسمى النجوم النيوترونية-التوأم.

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.

تُعد Albert Einstein الموجات الثقالية التي تنبأ بها منارات في محيط الفضاء المظلم. تتوهج عند تصادم الثقوب السوداء وتخترق الكون بتموجات الفضاء. قبل مئة عام، لاحظ Edwin Hubble و Georges Lemaître أن المجرات البعيدة تبتعد عنا.

كشّاف ضوئي يسلط شعاعه مباشرة على عينيك، وعلى بُعد خطوتين منه تومض يراعة صغيرة. هكذا تقريبًا تبدو مطاردة كوكب شبيه بالأرض حول نجم مجاور: الكوكب أبهت من نجمه بمئة مليون إلى عشرة مليارات مرة، وعلى السماء يكادان يندمجان في نقطة واحدة. ضوء النجم يطغى على الانعكاس الباهت للكوكب، تاركًا التلسكوبات التقليدية عاجزة. اقترحت مجموعة من الباحثين تجاوز هذه العقبة عبر قياس كمومي تكيّفي.

واجه علم الكونيات الحديث نشازاً. فالقياسات المحلية لـ ثابت هابل باستخدام المستعرات العظمى والمتغيرات القيفاوية تعطي نحو 73 كم/ث/ميغافرسخ، بينما تشير القيود العالمية من إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ضمن نموذج ΛCDM القياسي إلى 67 كم/ث/ميغافرسخ.

في انتفاخ المجرة، حيث يمتزج ضوء مليارات النجوم في وهج متصل، مرّ أربعة عمالقة باردة دون أن يُلاحظوا. لا يمكن رؤيتهم بالتلسكوب — فهم بعيدون جدًا وخافتون للغاية. لكن الجاذبية أدّت دور عدسة كونية: فعندما يمر كوكب كهذا مع نجمه أمام نجم خلفي أكثر بُعدًا، يحني الزمكان ويركّز الضوء، تمامًا كما تضخّم قطرة مطر على زجاج النافذة لهب شمعة خارجها.

الأوركسترا الكونية لا تُضبط على شوكة رنّانة واحدة. هناك مجموعتان من الآلات: الأولى تُصغي إلى همهمة الكون الفتي — إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والأخرى تقرأ النوتات من المجرات الناضجة والمستعرات العظمى. لعقود، حاولت المجموعتان عزف نغمة واحدة متناغمة — أي تحديد سرعة تباعد الأرخبيلات المجرية.

في أواخر التسعينيات، فاجأتنا السماء المرصعة بالنجوم: اكتشف شاول بيرلموتر وآدم ريس أن توسع الكون يتسارع. منذ ذلك الحين، ظل اللغز الأكبر هو الطاقة المظلمة — المادة التي تشكل قرابة 70% من الكون، لكنها تفلت من الدراسة المخبرية.

الكون عبارة عن أوركسترا هائلة تعزف سيمفونية التوسع. تتباعد المجرات على إيقاع موسيقى غير مسموعة لـ الطاقة المظلمة. لكن المشكلة أن عصا القائد التي يحملها إدوين هابل وآدم ريس وفيرا روبين تحدد إيقاعين غير متوافقين.

الكون يشبه غابة كثيفة: من القرب ترى أشجارًا-مجرات منفردة متجمعة في بساتين، ولكن من بعيد يندمج كل شيء في خضرة متصلة. الحد الذي يصبح بعده الكون متجانسًا يُسمى المقياس الزاوي للتجانس - وهو مقدار رقعة السماء التي ابتداءً منها تتوزع المجرات بانتظام.

لفترة طويلة، اعتُبرت الطاقة المظلمة — المادة الغامضة المسؤولة عن توسع الكون المتسارع — ثابتًا أساسيًا لا يتغير مع الزمن أو المكان. يمكن تشبيه هذا الوضع بخميرة لا تفقد نشاطها أبدًا. ومع ذلك، لم يكن من الممكن تفسير هذا الثبات انطلاقًا من قوانين العالم الكمي، مما أثار شكوك الباحثين: "خميرة" التوسع الكوني قد تنطفئ مع مرور الوقت.

يُملأ بالون بالهواء. في البداية يتمدد بسرعة، ثم يتباطأ، ثم فجأة يتسارع مرة أخرى، وكأن أحدهم يضخ المزيد من الهواء. هذا ما يبدو أنه يحدث في كوننا. نظر علماء الفلك من تعاون Dark Energy Survey (DES) إلى ماضي الكون باستخدام «مسطرتين»: الموجات الصوتية للكون المبكر وانفجارات المستعرات العظمى.

ساعتان تعرضان وقتين مختلفين. إحداهما على طاولتنا، والأخرى بعيدة في الماضي، في التوهج الذي خلفه الانفجار العظيم. الأولى، بالنظر إلى المجرات القريبة، تحسب معدل توسع الكون — حوالي 73 كيلومترًا في الثانية لكل ميجابارسك من المسافة. الثانية، بالتأمل في الضوء القديم، تعطي رقمًا أقل بشكل ملحوظ — حوالي 67.

الكون منظم كالإسفنجة: فيه مناطق كثيفة معبأة بـ المجرات والغاز، ومسام عملاقة — الفراغات الكونية. تشغل هذه الفراغات معظم الفضاء، لكن مكوناتها ظلت لغزًا — المادة هناك لا تُظهر نفسها تقريبًا. الآن "جسّ" الفلكيون الفراغات باستخدام الانفجارات الراديوية السريعة — نبضات فائقة القوة تأتي من مجرات بعيدة.

إدوين هابل وجورج لومتر وضعا قبل قرن تقريبًا أسس مفهوم توسع الكون — وهي العملية التي يتمدد فيها الفضاء نفسه بين المجرات باستمرار. إحدى الطرق الكلاسيكية لاختبار هذه الفرضية هي اختبار السطوع السطحي: في الكون المتوسع، يجب أن يخفت ضوء المجرة البعيدة مثل رسم على غشاء يتمدد بشكل منتظم.

النيوترينو هي أكثر الجسيمات كتلةً انتشارًا في الكون. تمر عبرنا تريليونات منها كل ثانية، لكنها لا تترك أثرًا تقريبًا. جاذبيتها الكلية، وإن كانت ضئيلة، قادرة على التأثير في حركة مجرات بأكملها. شخصان يتقاربان في شارع مزدحم؛ المارة غير المرئيين يغيرون سرعتهما. هكذا الحال مع أزواج المجرات: تلعب النيوترينو دور العابرة الخفية، فتُشوّه حركتها قليلًا.

يحتفظ الكون بسجل لكل نجم يولد. على مدى 13.8 مليار سنة، أُضيء في المجرات عدد من النجوم يجعل من الممكن، عبر "تعدادها"، الحكم على طبيعة الكون نفسه، كما تُقرأ حلقات جذع الشجرة للتعرف على مناخ السنوات الماضية. جمع علماء الفلك بيانات عن معدل تشكل النجوم من يومنا هذا حتى العصر الذي كان فيه عمر الكون أقل من نصف مليار سنة (انزياح أحمر 15).

إذا أخذت كرتين ثقيلتين وباعدت بينهما مسافة متر واحد، فسوف تتجاذبان بقوة تضعف أربع مرات عند مضاعفة المسافة. هذا القانون اكتشفه نيوتن، وهو يعمل في الغرفة، وفي النظام الشمسي، وفي المجرة. لكن هل يظل صحيحًا عندما يتعلق الأمر بمئات الملايين من السنوات الضوئية؟ وجد علماء الفلك طريقة لاختبار ذلك مباشرة.

انفجار النجم الضخم حدث ساطع لكنه قصير. الومضة نفسها تستمر أسابيع، أما الغبار المحيط الذي سخنته فيستمر في التوهج بالأشعة تحت الحمراء لسنوات طويلة. الأمر أشبه بومضة كاميرا تضيء غرفة، ثم تظل جزيئات الغبار المتوهجة في الهواء مشتعلة بوهج خافت — لكن على نطاق كوني. دقق علماء الفلك في صور التلسكوب NEOWISE للأشعة تحت الحمراء على مدى 12 عامًا بحثًا عن هذا التوهج "المشتعل".

قام علماء الكونيات بقياس السرعة التي تتباعد بها المجرات البعيدة في مناطق مختلفة من السماء. وللقيام بذلك، استخدموا نوعين من "المساطر الكونية": تجمعات المجرات وانفجارات المستعرات الأعظمية من نوع معين. أظهرت الطريقتان النتيجة نفسها: في اتجاه واحد، يتمدد الكون أسرع قليلاً منه في الاتجاه المعاكس. الفرق صغير — حوالي 2 سيغما، أي أنه قد يكون عشوائياً، لكنه يتكرر في جميع الفحوصات.

إذا كان الفضاء لوحةً، فإن ضربات الفرشاة عليه لا يمكن أن تكون رفيعة بلا حدود. هناك أقصر قطعة لا معنى للقياس دونها — طول أساسي يحدد "حبيبية" الزمكان الكمومية. هذا التقطع يغير الهندسة نفسها: حركة المجرات ونمو البنى واسعة النطاق يعكسان تأثيره.

عندما ينفجر نجم ضخم، تتطاير بقاياه في كل اتجاه مثل شظايا الألعاب النارية. ولكن كيف يمكننا معرفة مدى بُعد هذا الانفجار عنا؟ وجد علماء الفلك طريقة: ينظرون إلى سحب الغاز التي تصطدم بها هذه البقايا. الفكرة بسيطة. حول بقايا المستعرات العظمى غالباً ما توجد سحب من الغاز الجزيئي البارد. تتحرك هذه السحب بسرعة معينة يمكن قياسها من خلال إشعاع غاز أول أكسيد الكربون (CO).

يستغرق الضوء القادم من نجم بعيد مليارات السنين ليصل إلينا، وخلال هذه الفترة يتمدد الكون. كيف يمكن التحقق من أننا نفهم هذا المسار بشكل صحيح؟ يستخدم علماء الفلك "مسطرتين": انفجارات المستعرات العظمى، التي تُرى بلمعان معروف، والومضات الراديوية السريعة — نبضات راديوية قصيرة وقوية من مجرات أخرى. إذا أظهرت المسطرتان نفس المسافة، فهذا يعني أن هندسة الكون تعمل بدقة.

ضوء مصباح الشارع، عند مروره عبر ستائر معتمة، يتراقص: تتحرك الخطوط، ويشتد السطوع تارة ويخفت تارة أخرى. من هذا الإيقاع يمكن تخمين مدى اتساع المصباح نفسه. تقريبًا هكذا تعمل الطريقة الجديدة لقياس النجوم: بدلًا من التقاط صورة واضحة، يراقب الفلكيون "تموج" الضوء الذي تجمعه تلسكوبان أو أكثر في آن واحد.

قياس توسع الكون يشبه توقيت سباق بينما يتسع المضمار. تعمل اندماجات النجوم النيوترونية كصفارات إنذار قياسية: موجاتها الثقالية تنطلق ب"حجم" معروف، وبالتالي فالإشارات الأضعف تعني مسافات أكبر.

الضوء القادم من المجرات البعيدة، أثناء مروره عبر تجمعات ضخمة من المادة، يتعرض لتشوهات — تمامًا كما تبدو قاع حوض السباحة مكسورًا بسبب تموجات سطح الماء.

الكون أشبه بكعكة تُحضَّر بوصفة واحدة، لكن ملعقة الشاي والميزان يُظهران كمية مختلفة من السكر بإصرار. وهكذا الحال مع تمدد الكون: القياسات المعتمدة على النجوم القريبة (الملعقة) تعطي رقمًا، بينما القياسات من الضوء القديم لـ الانفجار العظيم (الميزان) تعطي رقمًا مختلفًا تمامًا. لاحظ هذا اللغز العالم إدوين هابل، وما زال قائمًا.

طريقتان لقياس سرعة تمدد الكون تعطيان صورة متناقضة. القياسات المعتمدة على توهج المستعرات العظمى، التي أجراها فريق آدم ريس، تشير إلى تمدد أسرع مما تدل عليه بيانات إشعاع الخلفية الكونية — الضوء المتبقي من الانفجار العظيم. والفارق كبير لدرجة لا يمكن تفسيره بالصدفة – إنها أزمة حقيقية في علم الكونيات.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة تصل إلينا من أعماق المجرة. إذا رسمنا رسمًا بيانيًا يوضح عدد الجسيمات التي تصل عند كل طاقة، نجد الخط مستقيماً ثم ينخفض فجأة بشكل حاد. تسمى هذه الانحناءات "الركب" (knees). وهي تشير إلى أن مسرعًا للجسيمات في الفضاء بلغ حده الأقصى ولم يعد قادرًا على تسريعها أكثر.