بيانات كونية

تبدو السماء ليلاً وكأنها حفنة عشوائية من النجوم. لكن عند النظر إليها عبر مسافات شاسعة، يختفي الفوضى. تتجمع المجرات في خيوط طويلة وجدران مسطحة، وتتسع بينها فراغات هائلة — الفراغات الكونية. يُطلق على هذا البناء اسم الشبكة الكونية. لوصف مثل هذا النظام المعقد، لا يكفي مجرد النظر إلى الصورة. نحتاج إلى أداة رياضية تلتقط تكرار النمط.

عندما يموت نجم يفوق كتلة الشمس بعدة مرات، ينكمش ثم ينفجر كمستعر أعظم. ليس هذا مجرد وميض ضوئي؛ فالعملية برمتها، من انهيار النواة إلى تطاير الغلاف، تُحدث ارتعاشًا في نسيج الفضاء نفسه. تُعرف هذه الموجات باسم الموجات الثقالية (gravitational waves).

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.

الكون محيط شاسع ومظلم. نحن لا نرى سوى الزبد المضيء على سطحه — النجوم والمجرات. وفي الأعماق تكمن قوتان خفيتان: المادة المظلمة، التي تمنع المجرات من التفرق بفعل جاذبيتها، والطاقة المظلمة، التي على العكس تدفع الفضاء نفسه، مما يجعل الكون يتوسع بشكل متسارع.

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.

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.

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.

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.

الكون هو أوركسترا عظيمة، تقود فيها الطاقة المظلمة التوسع. قبل عشرة مليارات سنة، غيّر قائد الأوركسترا إيماءته: الضغط السلبي الذي كان يكبح تجمع المجرات أفسح المجال للتباعد المتسارع — ذلك الذي اكتشفه سول بيرلموتر وبراين شميدت وآدم ريس عبر…

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.

عناقيد المجرات هي أعظم التجمعات الجاذبية في الكون. في الضوء السيني المنبعث من البلازما الساخنة، تُختزل قصة تمدد الكون، والمادة المظلمة الخفية، والطاقة المظلمة الغامضة.

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.

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…

يشبه الكون مستودعًا ضخمًا أُجري فيه جرد دقيق في زمن بعيد. إشعاع الخلفية الكونية هو قائمة جرد قديمة لكل ما كان موجودًا بعد 380 ألف سنة من الانفجار العظيم. وفقًا لهذه القائمة، فإن نسبة المادة في «ميزانية» الكون الكلية (المعامل أوميغا_m) معروفة بدقة عالية. والآن، بعد مليارات السنين، يحاول علماء الفلك إعادة العد من جديد — فيواجهون فوضى.

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.

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.

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.

التعداد الذي يسجل المسافة بين المنازل فقط يفوت الكثير. يمكننا معرفة أين المدن وأين القرى، لكن لا يمكننا التمييز بين ناطحة سحاب وحي سكني خاص. هكذا تقريبًا يدرس علماء الفلك الكون باستخدام دالة الارتباط الثنائية التقليدية: يحسبون عدد أزواج المجرات التي تفصلها مسافة معينة. الأداة قوية، لكنها عمياء عن حقيقة أن المجرات مختلفة. بعضها يعيش في تجمعات مكتظة، والبعض الآخر في «قرى» كونية.

كعكة طبقات ضخمة، حيث طبقات العجين هي الفضاء، والحشوة هي منطقة خاصة تشبه جدارًا غير مرئي. هذا الجدار ليس من الطوب، بل من الطاقة، وقد يكون سمكه بعرض الكون بأكمله. إذا وُجد مثل هذا الجدار، فيجب أن يمدد طبقات العجين بشكل مختلف: تلك التي تقع على طوله تتباعد أسرع، بينما تلك التي تعبره تتباعد أبطأ. هذا هو السيناريو الذي اختبره مؤلفو الدراسة.

الضوء القديم، الذي يسافر منذ 14 مليار سنة، يصل من جميع الاتجاهات. يبدو متجانسًا تمامًا، لكن عند التدقيق، تظهر فيه تذبذبات دقيقة — كتموجات على غشاء أملس. هذه التموجات ليست ضوضاء عشوائية، بل سجل مشفر للكون. أعاد العلماء فحص بيانات القمر الصناعي «بلانك» ولاحظوا نمطًا غريبًا في استقطاب هذا الوهج. بدا الضوء «ملتويًا» قليلاً — وكأن الغشاء أظهر عدم تناظر بين اليسار واليمين.

الكون مدينة شاسعة. المادة المظلمة فيها هي الهيكل الخفي للمباني، بينما الطاقة المظلمة هي القوة التي توسع الشوارع. لطالما اعتبرتاهما مستقلين عن بعضهما، لكن دراسة جديدة كشفت عن تواصلهما السري. استخدم علماء الفلك عدسات الجاذبية - تجمعات ضخمة من المجرات التي تحني الضوء كالمرايا المقعرة على مفترقات الطرق.

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.

عندما يصطدم نجمان ميتان في مجرة بعيدة، يصلنا خبر هذا الحدث عبر رسولين: ارتجاج في الفضاء — موجة جاذبية — ووميض ضوء. يركض الرسولان إلينا عبر الكون كله، لكن مساريهما قد يختلفان قليلًا. فالضوء أحيانًا يتأخر بسبب الغبار الكوني، بينما تمر موجات الجاذبية عبر كل شيء تقريبًا دون أن تلاحظ العوائق. وجد مؤلفو الدراسة طريقة لمقارنة ما يقوله هذان الرسولان.

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.

ارتعاش الفضاء يعزف كأوركسترا. الموجات الثقالية التي تلتقطها كاشفات LIGO وVirgo تحكي عن اصطدامات الثقوب السوداء. أحيانًا تُسمع في الموسيقى نغمات نشاز — انحرافات طفيفة عن نوتات أينشتاين. قد تهمس هذه الانحرافات عن فيزياء جديدة أو مجرد غبار على الأقواس. في الدراسة الجديدة، بحث العلماء عن خلل خاص — خلل يعتمد على كتلة الأجسام المتصادمة.

أنت تقيس بخطواتك قاعةً واسعة في ظلام دامس. تمشي من جدار إلى جدار، وتعدّ الخطوات، وتفاجأ فجأة بأن المسافات لا تتطابق كما ينبغي. يبدو الأمر وكأن الأرضية ليست مسطحة، بل محدبة كسنام أو مقعرة كوعاء. هذا تقريبًا ما اكتشفه علماء الفلك عند دراسة المجرات البعيدة والموجات الصوتية المتجمدة في الكون المبكر. الموجات الصوتية في الغاز الملتهب للكون المبكر تركت بصمات في توزيع المجرات.

ينشغل المترجم بكل حفيف في القاعة، فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. هذا تقريبًا ما تفعله الغلوونات (gluons) — الجسيمات الناقلة للقوة النووية الشديدة داخل البروتونات. عادةً ما تندفع ذهابًا وإيابًا ممسكة بالكواركات معًا. لكن عند التصادمات بسرعات هائلة، كما يحدث في المسرعات الكونية، يمكن للغلوونات أن تلتصق في كتلة كثيفة — تكاثف غلووني (gluon condensate).

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).

يحتفظ ألبوم يضم مئات الصور العائلية بالكثير من الحكايات. إذا تأملت كل صورة على حدة، قد تظن بسهولة أن العمّ عملاق حقيقي: ففي ذلك اليوم كان يقف على درجة أعلى من البقية. لكن بمجرد أن تقلّب الألبوم كاملًا، يتضح أن طوله عادي تمامًا، وأن الدرجة ظهرت في بضع لقطات فقط. على نحو مماثل تعمل كاشفات الموجات الثقالية.

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.

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.

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.

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.

عند النظر إلى خريطة المجرات البعيدة، نجد أنها ليست متساوية تمامًا: في جهة من السماء نجد عددًا أكبر قليلًا، وفي الجهة المقابلة عددًا أقل. هذا الميلان لوحظ في عدة مسوحات للسماء، ولا يبدو أنه مجرد صدفة. عادةً ما يُفسَّر هذا الميلان بأن مجرتنا نفسها تتحرك في مكان ما، مما يجعل الأجسام البعيدة تبدو منزاحة. لكن القياسات لا تتوافق دائمًا مع هذا التفسير البسيط. يقترح مؤلفو المقال نظرة مختلفة.

تشبه المجرة دوامة عملاقة: تدور النجوم والغاز حول المركز، وسرعة حركتها تكشف مقدار المادة الموجودة في هذه الدوامة. لو كنا نرى فقط المادة المضيئة، لكانت الأجزاء الخارجية تدور بشكل أبطأ مما تظهره الملاحظات. إذن، هناك كتلة غير مرئية — المادة المظلمة — التي تربط المجرة ببعضها. أخذ علماء الفلك 20 مجرة من مسح MIGHTEE وبنوا لكل منها خريطة تفصيلية للدوران.

يحاول علماء الفلك التقاط الصدى الراديوي للانفجار العظيم — ذلك التوهج الخافت الذي يملأ الكون بأكمله. لكن المستقبِل يختنق بالضوضاء: فمجرتنا تعجّ بـغبار بين نجمي متوهج، يمكن الخلط بين إشعاعه وإشارة من الماضي.

ضوء كل نجم هو جواز سفره الفريد، لكن السجلات فيه مكتوبة بلغة الأطياف والألوان. بالنسبة للعمالقة القدامى، تكاد هذه الوثائق أن تكون متطابقة: فأطيافها تتداخل مع بعضها البعض، وكان فك رموز التفاصيل يدويًا شبه مستحيل. التقط تلسكوب Gaia الفضائي، المزوّد بقياسات ضوئية عالية الدقة فوتومتري — قياس سطوع النجوم وألوانها، ملايين من هذه البصمات الضوئية.

يمر الضوء القادم من المجرات البعيدة عبر تجمعات المادة، فتعمل جاذبيتها على انحناء مساره قليلاً، مثل العدسة. ومن خلال مقدار تشوه صور المجرات البعيدة، يمكن استنتاج توزيع المادة وكيف تؤثر الجاذبية على الضوء.