الوتر الكوني

مباشرة بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء يبرد بشكل غير متساوٍ. في بعض المناطق، ربما نشأت عيوب طوبولوجية (topological defects) — طيّات في الفضاء، خيوط طاقة رفيعة كالشعرة لكنها كثيفة بشكل لا يصدق. يسميها الفيزيائيون الأوتار الكونية. هذه الأجسام أحادية البعد تهتز وتتصادم وتصدر موجات جاذبية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه.

في أجزاء من الثانية الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون مسرحًا لتغيرات سريعة. الغشاء المطاطي المشدود الذي يبرد بسرعة يغطى بشقوق مجهرية. عملية مماثلة على نطاق كوني ربما أنتجت الغبار الكوني — خيوطًا رفيعة للغاية لكنها فائقة الكثافة من الطاقة، ممتدة عبر الكون بأكمله. هذه الأوتار ليست مجرد عيوب في الفضاء.

كان الكون المبكر يشبه محيطًا يبرد بسرعة. في درجات الحرارة الهائلة، كان كل شيء موحدًا — الكواركات والإلكترونات والتفاعلات كانت تندمج في 'بخار' متماثل. لكن مع توسعه وبرودته، تكثف هذا البخار، وتعاقبت الانتقالات الطورية كما يتحول الماء إلى جليد. وكما تظهر التشققات والفقاعات في بركة متجمدة، ظهرت في الكون المبرد عيوب طوبولوجية — تمزقات مستقرة في الحقول، نشأت عن انكسار التماثل.

إذا نقرت وتر غيتار، فإنه يهتز ثم يخفت بسرعة. أما الوتر الكوني فهو مختلف. خيط رفيع للغاية من الطاقة النقية، بقايا الانفجار العظيم، أرفع من الذرة بتريليونات المرات وأكثر كثافة من النجم النيوتروني. اضربه، وقد يغني لمليارات السنين. في العمل الجديد، درس الفيزيائيون نوعًا خاصًا من الاهتزازات.

في الرياضيات، هناك غربال لا ينخل الغبار، بل اللامتناهي نفسه. يُدعى فضاء Q: أي مجموعة هنا تتحول إلى مجموعة Gδ — تقاطع معدود لمجموعات مفتوحة، وكأنها غُرْبِلت عبر شبكة لا تُرى دقتها.

لا يمكن أن يكون الجسم نقطة. على الأقل في جاذبية أينشتاين. تتطلب معادلات النسبية العامة أن يكون مصدر المجال — المادة — موزعًا في الفضاء، وليس مركّزًا في حجم متناهٍ في الصغر. وإلا ظهرت لانهايات في الصيغ، ولا يمكن بناء زمكان أملس.

كان المرق الحار للكون المبكر يبرد بشكل غير متجانس. وفي لحظة ما، بدأت فقاعات من طور جديد تظهر فيه — مثل فقاعات البخار في الماء المغلي. لكن هذه الفقاعات لم تكن من البخار، بل من حالة جديدة من المادة، حيث تجمعت جسيمات القطاع المظلم في كتل أكبر. وهكذا ربما وُلدت المادة المظلمة.

في البلازما الحارقة للكون الوليد، مباشرة بعد التوسع التضخمي الذي تصوره آلان غوث، ساد عصر الهيمنة الحركية. في هذا المرجل الفائر، حتى الحقول المغناطيسية الضئيلة — الأضعف من حقل الأرض بمليار مرة — لعبت دور قوس كوني، محدثة رنيناً أنتج ثقوباً سوداء بدائية.

كان الكون المبكر مكانًا مضطربًا. كانت الفضاء تهتز من الموجات الثقالية — تموجات في نسيج الوجود نفسه. في هذه المرجل الغليان، يُفترض أن المادة المظلمة وُلدت. لكن الجسيمات المولودة حديثًا لم تكن تملك كتلة — كان لا بد من الحصول عليها من مكان ما. عادةً، يكون مجال هيغز مسؤولًا عن الكتلة.

لم يبدأ كل شيء من الفراغ، بل من محيط هائج من البلازما. في هذا الحساء البدائي، كانت الموجات الصوتية تجري عبر المادة النارية، وتتصادم وتضغطها. أحيانًا، يصبح التكتل كثيفًا لدرجة أن الضوء لا يستطيع الهروب — وهكذا، مباشرة من الغاز الملتهب، وُلد ثقب أسود بدائي. على عكس العمالقة التي تنشأ عند موت النجوم، قد تكون هذه الثقوب "الأحفورية" صغيرة جدًا — بحجم جبل أو حتى حبة رمل.

في الكون المبكر، قد تكون نشأت ثقوب سوداء صغيرة جدًا — بكتلة جبل، ولكن بحجم نواة ذرية. اليوم، يمكنها أن تعمل كمصانع للمادة المظلمة المادة المظلمة. هناك آليتان: التبخر المعتاد (إشعاع هوكينغ) والإشعاع الفائق الأقل شهرة.

الجاذبية العادية، الموصوفة بالنسبية العامة، تشبه غشاءً مطاطيًا لينًا. عندما يستنفد نجم ضخم وقوده وينهار، فإنه يُحدث تقعرًا في هذا الغشاء بشدة لدرجة يتشكل ثقب أسود — منطقة يصبح فيها انحناء الزمكان لانهائيًا، ولا يمكن لأي شيء، حتى الضوء، أن يغادرها.

الكون يتصرف مثل فقاعة صابون تتمدد في رغوة متعددة الأبعاد. نموذج الفقاعة المظلمة يفسر لماذا يتمدد بسرعة متزايدة: فقاعة الزمكان تنمو، ويكتسب غشاؤها سُمكًا صغيرًا للغاية — حوالي ميكرون، مثل حجم البكتيريا. عند هذه المسافات، 'تنتشر' الجاذبية في هذا السُمك وتضعف. يمكن التحقق من ذلك بقياس التجاذب بين الجسيمات الميكروسكوبية.

الثقب الأسود ليس مجرد مكنسة كونية. إنه منطقة ذات جاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات منها. ولكن إذا وضعناه في سائل مثالي من المادة المظلمة وأضفنا سحابة من الأوتار — خيوط رفيعة مشدودة عبر الفضاء كله — تصبح الصورة أكثر تعقيدًا.

بُعَيْدَ الانفجار العظيم، وفي مرجل الكون الفائر وهو يبرد، نشأت توترات — أشبه بشقوق في زجاج يتصلب بشكل غير متساوٍ — تلك هي الأوتار الكونية: أرقّ شقوق الواقع. تخيّلْ لاعِبَ حبلٍ (بهلوانًا) يتوازن على حبل خفيّ ممدودٍ عبر هاوية الزمكان المنحني. هذا الحبل مشدودٌ بحيث يختزن كل سنتيمتر منه طاقةً تُضاهي كتلة مليون طن.

الوتر الجهير الذي نُقر في لحظة الانفجار العظيم لا يطن بنغمة واحدة فقط — بل تجري عليه موجات، ومن وقت لآخر تنفصل عنه حلقات صغيرة. هذه الحلقات، مثل الشوكات الرنانة، تبدأ بالرنين على ترددها الخاص، مولدة صوتًا عاليًا جدًا. وعلى مقياس الكون، "الصوت" هو تموج على نسيج الزمكان، يُعرف باسم الموجات الثقالية.

البلورة تشبه صفًا من الجنود في ساحة العرض: كل ذرة في مكانها، والإلكترونات تسير فيه بموجات منتظمة. أما المادة غير المتبلورة فهي كحشد في محطة قطار، لا نظام فيه إطلاقًا، مجرد تدافع مستمر. في مثل هذا الحشد، عادةً ما تعلق الإلكترونات بسرعة، كشخص يحاول عبور كتلة بشرية كثيفة.

لغز المادة المظلمة، الذي رُصد لأول مرة في الدوامات النجمية بفضل فيرا روبين، يؤرق الفيزياء منذ قرابة قرن. إحدى أكثر الفرضيات جرأة هي الثقوب السوداء الأولية، التي وُلدت في المرق الحارق للكون المبكر. يُعزى ظهورها عادة إلى التقلبات الكمومية أثناء التضخم، والتي تتطلب ضبطًا دقيقًا للبارامترات.

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.

عندما تقرّب مغناطيسًا من حفنة من برادة الحديد، تترتب البرادة على طول خطوط غير مرئية — هكذا يلتف المجال حول المغناطيس من قطب إلى قطب. وبطريقة مشابهة يمكن رؤية الجاذبية حول الأجسام الضخمة: فقط بدل البرادة يكون الفضاء نفسه، وبدل المغناطيس نجم أو ثقب أسود. اقترح مؤلفو العمل تحليل الجاذبية إلى حقلين. أحدهما يشبه الكهربائي — فهو يسحب. والآخر يشبه المغناطيسي — فهو يلوي.

يشبه الزمكان أحيانًا ورقة يمكن أن نثقب فيها ثقبًا ونصل الحافتين بأنبوب قصير — فنحصل على ثقب دودي. في أبسط النماذج الرياضية لهذه الثقوب تظهر مجالات قياسية عديمة الكتلة — تشبه ضبابًا غير مرئي يملأ كل شيء حولنا. يتصرف هذا الضباب بغرابة: قيمه تصبح تخيلية. في الفيزياء، الأعداد التخيلية ليست خيالًا بل أداة عمل — مثلما يستخدم المحاسب المبالغ السالبة لتسجيل الديون.

عندما يبرد الحساء الساخن، تظهر على سطحه كتل — وهكذا، عندما برد الكون المبكر، ولّد كتلًا خيطية من الطاقة، أوتار كونية. بعضها يشبه شريطًا مطاطيًا مشدودًا: ما دام سليمًا فهو مستقر. لكن إذا قُطع الشريط، يتمزق.

مغناطيس بقطب واحد فقط — شمالي بلا جنوبي — ليس كسرة، بل جسيم مستقل. يُسمى القطب المغناطيسي الأحادي (حامل شحنة مغناطيسية واحدة). ولادة مثل هؤلاء الضيوف ممكنة في الكون المبكر، عندما كانت القوى تتمايز للتو. وبجانبها قد يوجد حقل الأكسيونات — جسيمات غير مرئية وعديمة الوزن تقريبًا، والتي ربما تشكل المادة المظلمة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تصرفت الكون وكأنه بالون منفوخ بشدة: الضغط المرتفع منع الانضغاط المحلي للمادة إلى كتل. ومع ذلك، فإن جسيمات افتراضية فائقة الثقل — وهي نوع من "أثقال" العالم الصغير — قد تكون قللت مؤقتًا من هذه المرونة. ونتيجة لذلك، تجمعت المادة بسهولة أكبر إلى كتل، ووُلدت ثقوب سوداء بدائية بكتل تتراوح بين مليار ومليار مليار طن.

قطرات من صنبور غير محكم الإغلاق تُنتج إيقاعًا واضحًا. إيقاع مماثل، ولكن على نطاق الكون، اكتشفه علماء الفيزياء الفلكية: تشكل الثقوب السوداء البدائية - أجسام صغيرة وُلدت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم - يسير أيضًا ليس بشكل فوضوي، بل بانتظام صارم. كتلة هذا الثقب لا تنمو بسلاسة، بل على شكل قفزات، وكأنها تكرر نفس النمط مرارًا وتكرارًا، لكن في كل مرة بمقياس مصغر.

قمع عملاق يدور بسرعة هائلة. إذا ألقيت فيه حبلًا، مثبتًا أحد طرفيه عند الحافة والآخر في الخارج، سيبدأ القمع في لف الحبل حول نفسه، مما يجعله يدور. هذا تقريبًا ما يفعله وتر كوني بالقرب من ثقب أسود دوّار. في الدراسة الجديدة، نظر الفيزيائيون إلى وتر يلامس أفق الثقب الأسود ("سطحه" الذي لا يمكن لأي شيء الإفلات منه) ويمتد بعيدًا في الفضاء.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون يشبه بركة ماء هائلة تبرد. وكما يتشقق الجليد عند تجمد الماء، قد يكون الكون البارد قد تشقق — ليس بالجليد، بل بخيوط رفيعة للغاية من الطاقة النقية. تُسمى هذه الخيوط بالأوتار الكونية. إنها أرفع من نواة الذرة، لكنها كثيفة جدًا لدرجة أن قطعة طولها بضعة كيلومترات قد تزن مثل جبل كامل.

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.

الكون هو شبكة هائلة من المادة المظلمة غير المرئية والمجرات، تتمدد بفعل تمدد الفضاء. النيوترينوات – جسيمات شبه شبحية لا تكاد تمسك بالخيوط، لكن كتلتها الإجمالية تغير بمهارة شدّ الشبكة بأكملها. بدلاً من العقد المضيئة، درس العلماء الفراغات بين الخيوط.

رصد تلسكوب جيمس ويب (JWST) الفضائي في الكون المبكر أجسامًا متراصة ولكنها ساطعة بشكل شاذ مع انزياح أحمر. لمعانها يفوق بعشرات المرات القيم النموذجية لـالمجرات في تلك الحقبة. يعتقد الفيزيائيون الفلكيون أن داخلها تختبئ ثقوب سوداء بكتل من رتبة مليارات الكتل الشمسية.

تشتهر الثقوب السوداء بصورتها الظلية المظلمة المميزة على خلفية متوهجة. في الواقع إنه ليس ظلاً، بل ضوء منحنٍ بشدة يدور حول الجسم في مسار منحن. ولكن في الكون، توجد توائم لها — أجسام فائقة الكثافة بلا أفق حدث، تشوه الضوء أيضًا ولكن بطريقتها الخاصة. من خلال هذه التشوهات يمكن كشف الخداع. بنى العلماء نماذج لاثنين من هؤلاء «المحتالين» (JMN‑1 و JNW).

كان الانفجار العظيم أشبه بدوي كوني جعل نسيج الفضاء يرتجف. هذه الاهتزازات — الموجات الثقالية — ما زالت تتردد في الكون، مثل صدى حدث عظيم. كلما كان «الانفجار» الأصلي أعلى، زاد عدد الثقوب السوداء الأولية التي ينبغي أن تكون قد نشأت.

وفقًا لنظريات تتجاوز النموذج القياسي — أفضل وصف لدينا للجسيمات الأولية وتفاعلاتها — وُلدت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم أزواج من الأحادية المغناطيسية. وهي جسيمات افتراضية تحمل قطبًا مغناطيسيًا واحدًا فقط — "شماليًا" أو "جنوبيًا" — على عكس المغناطيسات المألوفة حيث لا ينفصل القطبان.

عندما يندمج ثقبان أسودان، ينبغي للثقب حديث الولادة أن يرن كالجرس، باعثًا موجات ثقالية - تموجات في الزمكان. لكن قبل الرنين قد يحل صمت: يقع ثقب أسود في فخ شبح، وكأن يدًا خفية تمسك بلسان الجرس. هذه حالة من التوازن غير المستقر: يتجمد الثقب، مانعًا الموجات من الانطلاق.

وفقًا لهذه الفرضية، يتصرف الكون مثل نابض مضغوط: فهو ينهار إلى مقاييس مجهرية ثم يتمدد مجددًا في مرحلة الارتداد. خلال هذه الدورة من الانضغاط والتمدد اللاحق، تتشكل الثقوب السوداء — وهي أجسام ذات جاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها والمادة المظلمة — وهي مادة غامضة لا تظهر إلا من خلال تأثيرها الجاذبي.

الثقب الأسود الدوّار هو دوامة كونية تبتلع كل ما حولها. بعض هذه الثقوب لها خيوط غير مرئية تمتد من أفق الحدث مثل أسلاك العجلة. ظل العلماء يتجادلون طويلاً حول ماهية هذه الخيوط وما إذا كان يمكن رؤيتها. في دراسة جديدة، أظهر الفيزيائيون أن هذه الخيوط ليست مجرد افتراض رياضي. إذ تتدفق عليها تيارات من الحقول الكهربائية والمغناطيسية، وبشكل غير متساوٍ.

في مركز المجرة NGC 1600، التي تبعد عنا 200 مليون سنة ضوئية، لاحظ علماء الفلك تجمعًا نجميًا كثيفًا. بدا كعقدة مضيئة على خلفية توهج ضبابي، وكان ذلك غير متوقع. كان يُعتقد أن التجمعات النجمية النووية لا تنجو في مثل هذه المجرات الإهليلجية العملاقة: كان من المفترض أن اندماجات الثقوب السوداء فائقة الضخامة تقذف النجوم من المركز، تاركة فراغًا فقط.

الشلال لا يسألك إن كنت مستعدًا للقفز. يتسارع تدفقه، وفي لحظة ما، حتى الضوء لا يستطيع الإفلات عائدًا. ثقب ماكفيتي الأسود هو شلال من هذا القبيل، لكن ليس في نهر عادي، بل في كون يتمدد: الماء هنا هو الفضاء نفسه، الذي يتمدد باستمرار، حاملًا المجرات بعيدًا عن بعضها. لفترة طويلة، بقي غير واضح ما إذا كان يمكن السقوط في هذا الثقب أصلًا.

يتوسع الكون بمعدل متسارع، والتفسير القياسي لذلك هو ثابت كوني موجب، أي فراغ دي سيتر. نظرية الأوتار، التي تطمح لأن تكون نظرية الجاذبية الكمية، يجب أن تكون قادرة على وصف مثل هذا الفراغ، لكن بعد عقود من الجهود لم يظهر أي بناء موثوق. يقترح هذا العمل خطوة أكثر جذرية: ليس مجرد صعوبة، بل حظرًا مبدئيًا على دي سيتر في الجاذبية الكمية.