قياس الخلفية الميكروية الكونية

ثماني خرائط للسماء التقطتها كواشف مختلفة لتلسكوب بلانك تشبه ثمانية أطالس طرق لمدينة واحدة رسمها خرّيطون مختلفون. كل أطلس مُدار بزاوية مختلفة: أحد الخرّيطين أمسك لوحته مائلة قليلًا، وآخر أدارها قليلًا. إذا طابقت الأطالس فوق بعضها، لن تتطابق الشوارع. لكن إذا عرفت كيف أُدير كل أطلس بالضبط، يمكنك دمجها بشكل مثالي.

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.

الحليب المغلي يُغطى بطبقة رغوية ترتجف. من حركاتها يمكن تخمين قوة النار تحت القدر ودسم الحليب. بطريقة مشابهة، يتأمل الفيزيائيون الفلكيون إشعاع الخلفية الكونية الميكروي — أقدم ضوء ميكروي وصل إلينا من عصر كان فيه عمر الكون 380 ألف سنة فقط. هذا الإشعاع ليس أملس تمامًا: فهو يحمل تموجات، فروقًا صغيرة في درجة الحرارة.

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.

يشبه الكون هيكلًا خفيًا ضخمًا. لا نراه مباشرة، لكننا نعلم بوجوده: فالمجرات وعناقيدها تتماسك بفضله. هذا الهيكل هو المادة المظلمة، وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية. النسخة الأكثر شيوعًا تقول إنها «باردة» وتتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة.

264 كيلومترًا في الثانية — بهذه السرعة ينطلق النظام الشمسي عبر سحابة من المادة المظلمة. كشفت المجرات عن وجودها: كانت تدور بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا تستطيع الكتلة المرئية احتجازها، وكانت Vera Rubin أول من اشتبه في وجود هيكل خفي. ولكن المشكلة: وابل من النيوترينوات ينهمر أيضًا على الكواشف.

بعد مرور 380 ألف عام على الانفجار العظيم، برد الكون بدرجة كافية لانفصال الضوء عن البلازما. ولا يزال هذا إشعاع الخلفية الكونية الميكروي يتخلل الكون — مثل الوتر الأول في سيمفونية، صدى البداية الحارة.

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.

في الثواني الأولى بعد الانفجار العظيم، لم تترك لنا الكون الضوء فحسب، بل شيئًا أكثر استعصاءً – خلفية النيوترينو البدائية. هذا الصدى الكوني يخترق كل سنتيمتر مكعب، ولكننا بالكاد نلاحظه.

علم الكونيات يشبه أوركسترا بدأت مجموعاتها المختلفة فجأة تعزف بشكل غير منسجم. قياسات معدل توسع الكون (ثابت هابل) في الكون المبكر والمتأخر تعطي أرقامًا مختلفة. كما تشير ملاحظات أخرى إلى كتلة "سالبة" للنيوترينوات النجوم النيوترونية — وهو أمر مستحيل فيزيائيًا.

إشعاع الخلفية الكونية الميكروي هو الضوء المتحجر للحظات الأولى. بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم، تمددت التقلبات الكمومية المجهرية بفعل التضخم إلى مقاييس العناقيد المجرية الفائقة. تظهر هذه التموجات اليوم في الخلفية الكونية الميكروية كنمط من البقع الحرارية.

منذ الطفولة اعتدنا على التفكير في أن الفضاء لانهائي ومتساوي الخواص. لكن أينشتاين ولومتر تساءلا بالفعل: أليس من الممكن أن يكون الكون منغلقًا على نفسه كشريط موبيوس أو الطارة ثلاثية الأبعاد؟ اليوم، لا يكتفي علماء الفلك بالتكهنات، بل يُنصتون: «يستمعون» إلى إشعاع…

طنين يملأ أرجاء الكون. ليس صوتًا، بل ارتجافًا في نسيج الفضاء نفسه — الخلفية الموجية الثقالية. تنشأ عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة تتراقص حول بعضها في مراكز المجرات البعيدة. كل زوج منها كآلة إيقاعية عميقة في أوركسترا ضخمة. التقاط عزف منفرد لإحدى هذه الآلات وسط الطنين العام هو مهمة الهوائيات النابضة. النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية تُصدر نبضات راديوية بدقة مذهلة.

في عام 2015، التقطت الكواشف لأول مرة موجة ثقالية — ارتجاج في الفضاء وصل من اندماج ثقبين أسودين. ومنذ ذلك الحين، أصبحت هذه الإشارات نافذة جديدة لعلم الفيزياء الفلكية على الكون. لكن الموجات الثقالية قادرة على أكثر من ذلك: فهي تحمل بصمة نظرية الجاذبية نفسها.

الكون في عمر 700 مليون سنة هو موقع بناء صاخب، حيث تبدأ الأضواء الأولى في الاشتعال. التقطت التلسكوبات إشارة من تلك الحقبة البعيدة: المجرة REBELS-25، الضخمة والمليئة بوقود النجوم. كشفت الملاحظات الراديوية بتلسكوبي VLA وALMA عن توهج خافت لكن مؤكد لجزيئات أول أكسيد الكربون (CO). هذا هو المؤشر الأكثر موثوقية للهيدروجين الجزيئي البارد — المادة التي تولد منها النجوم.

صورة قديمة التُقطت في لحظة ولادة الكون، تحمل إلينا ضوءها منذ ما يقرب من 14 مليار سنة. هذه الصورة هي إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، صدى الانفجار العظيم المبرد. وهي تُظهر أدق التباينات التي نشأت منها المجرات لاحقًا.

زنبرك مضغوط يظل ساكنًا لسنوات. يبدو أنه تجمد إلى الأبد، لكن داخل المعدن تترتب الذرات ببطء — وفي يوم من الأيام ينقر الزنبرك، منتقلًا إلى وضع جديد أكثر حرية. يبدو أن الفيزيائيين يفكرون في الفراغ بطريقة مماثلة: قد لا يكون فارغًا حقًا وثابتًا، بل مجرد حالة متجمدة مؤقتًا يمكن أن تتحول فجأة إلى حالة أخرى — بكثافة طاقة مختلفة. بنى مؤلفو الدراسة الجديدة عدة نماذج لمثل هذا الانتقال المتأخر.

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.

تكون الثقوب السوداء خفيفةً — ناتجةً عن موت النجوم، وفائقة الكتلة — في أنوية المجرات. كان ينقصنا الحلقة الوسيطة. ساعدت في الاكتشاف التدفقات الراديوية السريعة — إشارات كونية تدوم أجزاءً من الألف من الثانية، لكنها تحمل طاقةً تضاهي ما تطلقه الشمس في أيام. يمكن تخيّل هذه التدفقات كصرخاتٍ من أعماق الكون.

تخلق كتل متحركة من المجرات والمادة المظلمة غير المرئية آثارًا في الوهج المتبقي لـالانفجار العظيم، مثل قوارب تحرك بركة. هذا الأثر — تأثير العدسة المتحركة — دقيق جدًا لدرجة أنه يغير درجة حرارة الضوء ببضعة أجزاء من المليون من الدرجة: وهو مشابه لاكتشاف حرارة شمعة من عبر قارة.

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.

بركة ماء ضخمة تنتشر عليها دوائر من حجرين ثقيلين يدوران حول بعضهما البعض. الحجارة تقترب، وتصبح الدوائر أكثر تكرارًا وأقوى، وعلى وشك أن يصطدما. الموجات الثقالية هي مثل هذه الدوائر، ولكن ليس على الماء، بل في نسيج الفضاء نفسه. تُصدرها أزواج من الثقوب السوداء الضخمة عندما تندمج في ثقب واحد.

في قلب درب التبانة، هناك شيء يتوهج باستمرار بأشعة غاما. هذا الضوء مميز — طاقته تساوي بالضبط 511 ألف إلكترون فولت. تظهر هذه الطاقة عندما يلتقي إلكترون بجسيمه المضاد، البوزيترون، فيفنيان بعضهما معًا مخلفين وميضًا من الضوء.

عندما أضاءت النجوم الأولى، بدأ ضوءها فوق البنفسجي في نزع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين. تحول الكون من ضباب محايد إلى بلازما شفافة. هذه العملية — إعادة التأين الكوني — لم تكن منتظمة: بدأت ببطء، مثل نار تشتعل في حطب رطب، ثم تسارعت عندما يلتهم اللهب الوقود الجاف.

ضوء نجم بعيد، أثناء مروره عبر غلاف كوكب K2-18b، ترك "بصمات" غير عادية في الطيف. جمع علماء الفلك هذا الضوء لمدة 420 ساعة باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، وحللوه إلى ألوانه مثل قوس قزح. في الصورة الناتجة، رأوا خطوطًا لا يمكن الخلط بينها وبين أي شيء آخر: هكذا تظهر الجزيئات التي يعرفها كل من سمع عن القنب.

الضوء الذي يقطع نحونا ما يقرب من 14 مليار سنة هو كصورة قديمة تظهر تفاصيلها عند معالجتها بعناية. إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (وهو التوهج المتبقي من الانفجار العظيم) يحمل بصمة اللحظات الأولى للكون، لكن إشارته ضعيفة ومشوهة. لرؤية الأنماط الدقيقة للاستقطاب — أي اتجاه اهتزاز موجة الضوء — نحتاج إلى أجهزة فائقة الحساسية.

الكون يشبه محيطًا تتدافع أمواجه بأطوال مختلفة نحو الشاطئ. أطول الموجات هي تباينات هائلة في توزيع المادة، نراها في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. تقول النظرية القياسية إن مثل هذه الموجات يجب أن توجد على جميع المقاييس.

الضوء القادم من أقدم مرحلة في عمر الكون يصل إلينا بعد رحلة تستغرق مليارات السنين. في طريقه، يمر بجوار تجمعات هائلة من المجرات. جاذبيتها تحني هذا الضوء قليلاً، تماماً كما يغير زجاج الواجهة مظهر الشارع خلفه. وعندما تنمو هذه التجمعات، يصبح الانحناء أكثر وضوحاً. يُعرف هذا التأثير بتأثير ريس-سكياما (Rees-Sciama effect). قارن علماء الفلك كيف يمكن لتلسكوبات مستقبلية مختلفة رصد هذا الانحناء.

في صحراء القارة القطبية الجنوبية المتجمدة، ينظر تلسكوب SPT-3G إلى أعماق الكون. هدفه هو الإشعاع الميكروي القديم المتبقي من الانفجار العظيم. لكن في طريقه إلينا، يمر هذا الإشعاع عبر عناقيد مجرات عملاقة مليئة بغاز شديد الحرارة. يقوم الغاز بتسخين الفوتونات قليلاً — فتظهر بقع بالكاد مرئية على خريطة السماء.

في القطب الجنوبي، حيث الهواء جاف وشفاف للموجات المليمترية، يقف تلسكوب لا ينظر إلى النجوم بل إلى أقدم ضوء في الكون. هذا الضوء هو الخلفية الكونية الميكروية، وهو إشعاع برد بعد الانفجار العظيم ويملأ السماء كلها.

في أواخر تسعينيات القرن العشرين، اكتشف سول بيرلموتر وآدم ريس وبراين شميدت، أثناء تحليلهم لسطوع المستعرات العظمى البعيدة من النوع Ia، حقيقة غير متوقعة: الكون يتوسع بتسارع.

المادة المظلمة، ربما ليست جسيمات، بل ثقوب سوداء من زمن الانفجار العظيم. في الكون المبكر، الشبيه بعجين يُعجن، كانت كحبوب ثقيلة — لا تكاد تتحرك، جمعت حولها المادة ودوّمتها في تيارات مجرية سريعة، يراها الفلكيون اليوم. لكن هناك فارق بسيط: أخف الثقوب، وفقًا لنظرية هوكينغ، تتبخر وتُصدر طاقة.

أي جهاز، من محمصة الخبز إلى الهاتف الذكي، يسخن أثناء عمله. هذه نتيجة حتمية لتحويل الطاقة – يظل هناك دائمًا أثر حراري، مثل الموقد الساخن بعد الطهي. ينطبق قانون الأنتروبيا أيضًا على المجرات: إذا كانت هناك حضارات متقدمة تعيد معالجة ضوء نجوم بأكملها، فيجب أن 'تتوهج' بحرارة تحت حمراء – مثل مطبخ لا يتوقف فيه الطهي على مدار الساعة.

وفقاً لـ نظرية الانفجار العظيم، التي طورها جورج لومتر، بدأ الكون من نقطة ساخنة وكثيفة ثم توسع بسرعة هائلة — هذا التضخم الذي اقترحه آلان غوث. ووصلت إلينا أصداء ذلك الوقت كوهيج خافت — الضوء القديم.

ومضات الراديو السريعة هي ومضات كونية ساطعة، تشبه إشارة البداية التي تطلق سباقًا لموجات الراديو عبر الكون. استخدمها علماء الفلك كمختبر طبيعي لاختبار ما إذا كان الفوتون — كمية الضوء والجسيم الحامل للتفاعل الكهرومغناطيسي — يمتلك كتلة.

كان الكون بعد الانفجار العظيم متجانسًا تقريبًا بشكل مثالي. "تقريبًا" لأن الاضطرابات الصغيرة في الكثافة، التي مدّدها التضخم الكوني، أصبحت بذورًا للمجرات. ولكن ماذا لو كانت هذه الاضطرابات نفسها قادرة على توليد ليس فقط النجوم، بل أيضًا الثقوب السوداء؟ ليس الثقوب العادية، بل البدائية، وهي أجسام نشأت في اللحظات الأولى عندما كان الكون حارًا وكثيفًا.