معاملات كونية

قطرة حبر تنتشر في كأس ماء: تتحرك أطرافها أسرع من وسطها، ويتغير شكل القطرة. كذلك كتلة المادة المظلمة التي تنكمش تحت جاذبيتها الذاتية، تتمدد بشكل غير منتظم، إذ تتباعد أغلفتها المختلفة بسرعات متفاوتة. سابقًا، تمكن علماء الفيزياء الفلكية من وصف الحالة الأبسط فقط بدقة، وهي الكرة المتجانسة ذات الحدود الحادة، التي لها معدل تمدد واحد.

في قلب مدينة قديمة يقف برج بساعة لم تُضبط منذ بنائها. من تأخرها يمكن حساب كم تمدد الزمن منذ ذلك الحين. في الفضاء، تلعب المجرات الأثرية دور هذه الأبراج، وهي تجمعات نجمية كثيفة تشكلت في أول مليارات السنين ولم تندمج مع جيرانها منذ ذلك الحين ولم تولد نجومًا جديدة. ضوءها هو بصمة العمر، مجمدة في الطيف.

عندما نحدق في سماء الليل، تصطدم أعيننا بسواد لا نرى ما وراءه. هذا ليس مجرد حاجز بعيد، بل هو حافة الكون المتاح لنا، الأفق الكوني. فالضوء القادم من نجوم أبعد لم يصل إلينا بعد. والمثير للدهشة أن هذه الحدود غير المرئية تتصرف تقريبًا مثل مقلاة ساخنة: لها درجة حرارة، وتخضع لقوانين الحرارة.

النموذج الكوني القياسي ΛCDM (الذي يتضمّن الطاقة المظلمة والمادة المظلمة الباردة) هو أشبه بالنوتة الموسيقية لسمفونية كونية. تصف كيف تمدّد الفضاء بعد الانفجار العظيم. وكيف تكثّفت المادة المظلمة. وكيف أضاءت المجرّات. لطالما كان كلّ شيء يعزف بتناغم تام.

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.

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.

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.

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.

توسع الكون المبكر بسرعة هائلة — تُسمى هذه المرحلة بالتضخم. ولكن كيف حدث ذلك بالضبط؟ تصف بعض النماذج التوسع على أنه ارتفاع أسي حاد، بينما تصفه أخرى بأنه حركة قوة أكثر هدوءًا. اقترح مؤلفو العمل الجديد عائلة من النماذج البسيطة (α-attractors)، حيث يعمل معامل واحد μ كخافض إضاءة: تديره فتنتقل بسلاسة من نوع توسع إلى آخر.

في علم الكونيات، تحتدم دراما: آلتان موسيقيتان رئيسيتان — أوركسترا الكون المبكر والفرقة الحجرية للكون الحديث — تعزفان سيمفونية التوسع نفسها بإيقاعين مختلفين.

الكون مثل أوركسترا تعزف سيمفونية الانفجار العظيم. ولطالما اعتُبرت الطاقة المظلمة هي قائد الأوركسترا، بندولاً ثابتاً يضبط وتيرة التوسع.

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.

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.

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 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.

علم الكونيات هو موسيقى الأفلاك، وثابت هابل بدا لنا فيما مضى كبندول إيقاع موثوق. لكن بيانات أداة DESI، التي تدرس أطياف ملايين المجرات، تلمح إلى أن قائد الأوركسترا — الطاقة المظلمة — يغير هو نفسه الإيقاع خلال السيمفونية.

يشهد علم الكونيات تصدعًا تكتونيًا. تشير المستعرات العظمى المعايرة بالقيفاويات، التي قاسها فريق آدم ريس، إلى سرعة تبلغ حوالي 73 كم/ث لكل ميغابارسيك.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، ربما كان نسيج الزمكان نفسه يعاني من تذبذبات كمية، على غرار اهتزاز وتر مشدود عند لمسة عابرة. ومع تلاشي هذه التذبذبات، كان ينبغي أن تترك بصمة في البنية واسعة النطاق للكون، وهو ما يُعرف بتأثير الذاكرة لـ موجات الجاذبية.

إذا أشعلت مصباحًا في غرفة، فسوف يضيء الجدران. لكن إذا وضعت المصباح نفسه في قاعة واسعة، فلن يصل الضوء إلا بصعوبة إلى الزوايا. وبالمثل، يعمل إشعاع النجوم الفتية على الغاز في المجرة: فهو يقتلع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين، مما يجعل الغاز يتوهج. ويطلق علماء الفلك على هذا "التأين"، ويسمون قوة هذا التأثير بمعامل التأين.

الكون، مثل اللاعبين حول طاولة الورق، يخضع لقواعد صارمة. أحد الشروط الأساسية: الجاذبية دائمًا قوة جذب، والطاقة لا يمكن أن تأخذ قيمًا سالبة.

في المطبخ، هناك ميزان للدقيق وكوب قياس للماء. كل منهما دقيق بمفرده، لكن عند خبز الخبز، تتطلب الوصفة نسبة مثالية. جدل مشابه يدور بين علماء الفلك حول سرعة تمدد الكون. القياسات المباشرة عبر النجوم تعطي رقمًا واحدًا، بينما الحسابات المستندة إلى إشعاع الخلفية الكونية (الضوء المتبقي من الانفجار العظيم) تعطي رقمًا آخر أصغر قليلاً. الفرق صغير، لكنه يصر على عدم الاختفاء.

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.

القهوة الساخنة على الطاولة تبرد: تنتشر الحرارة من المركز الساخن نحو الأطراف. وبنحو مماثل، يفترض المؤلفون أن الكون نفسه يتصرف هكذا — لكن على نطاق مليارات السنين الضوئية. نموذجهم لا يصف الطاقة المظلمة المألوفة، بل إعادة توزيع سلسة للطاقة داخل الكون، تشبه الحركة البطيئة للحرارة من المناطق الأكثر كثافة إلى المناطق الأقل كثافة. هذا التدفق للطاقة ليس مجرد استعارة جميلة.

الكون لا يطيق الرتابة. قبل قرن، منحنا إدوين هابل وجورج لومتر صورة أنيقة: كون يتمدد، أملس كسطح كرة منتفخة.

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.

يتم نفخ بالون، ومع كل ضغطة على المضخة، لا يقتصر الأمر على تمدد المطاط فحسب، بل يتغير مرونته قليلًا. بطريقة مماثلة، تعمل الجاذبية في النموذج الجديد: ليست كمسرح صلب للعرض الكوني، بل كمادة حية تستجيب لكل ذرة من المادة. في علم الكونيات المألوف، الطاقة المظلمة هي مكون منفصل يجعل الكون يتمدد بشكل أسرع فأسرع. هنا، يظهر التسارع من تلقاء نفسه.

قِدرٌ فيه حساءٌ يغلي ثم يبدأ فجأةً بالبرودة بسرعة جنونية — هكذا تقريبًا بدا الكون بعد دقائق قليلة من الانفجار العظيم. كانت الحرارة تنخفض، وبدأت البروتونات والنيوترونات تلتصق معًا لتكوين أولى النوى: نوى الهيدروجين والهيليوم والديوتيريوم والليثيوم. تُسمى هذه العملية التخليق النووي الأولي، ونتائجها بمثابة كتاب طبخ.

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).

يتم نفخ بالون. في البداية يتمدد ببطء، ثم يضيف أحدهم الهواء فجأة — فيتوسع البالون بشكل أسرع. لكن تيار الهواء يضعف، ويبدأ البالون مرة أخرى في التمدد بشكل أبطأ. تقريبًا هكذا، وفقًا للدراسة الجديدة، تصرف الكون: بعد الانفجار العظيم كان يتوسع، ثم تسارع فجأة، والآن يتلاشى التسارع.

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 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.

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.

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.

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.

الكون يتمدد، ويريد العلماء معرفة سرعة هذا التمدد ومما يتكون. ولتحقيق ذلك، يقارنون البيانات القادمة من انفجارات النجوم البعيدة، والموجات الصوتية في الكون المبكر، والتوهج الخافت المتبقي من الانفجار العظيم. كل مجموعة بيانات هي كقطعة من فسيفساء، ويجب تجميعها لتكوين صورة كاملة. الخوارزمية الكمومية الجديدة المسماة AEQGA تعمل كمربٍّ في مشتل.

المبرمج يكتب الكود، يشغّله، يرى الخطأ ويصحّحه. الآن يمكن إسناد هذه العملية إلى البرنامج نفسه. التعلم العميق في التصوير الطبي أصبح قادرًا على تحسين الخوارزميات، لكنه عادةً يتطلب الكثير من البيانات والأمثلة الجاهزة.

في النموذج الكوني القياسي ΛCDM، تتباعد المجرات تحت ضغط الطاقة المظلمة — زنبرك خفي. لكن الطرق المختلفة لقياس سرعة التوسع تعطي أرقاماً مختلفة، وكأن مسطرة القياس قد اختل مقياسها. لاحظ هذا التباين إدوين هابل منذ قرابة قرن مضى.

الكون يتمدد، والمجرات تتباعد عن بعضها مثل الزبيب في عجين يرتفع. لكن منذ أواخر تسعينيات القرن العشرين، نعرف أن هذا التمدد يتسارع. ما هي القوة التي تدفع المجرات بعيدًا بشكل أسرع فأسرع؟ إنها واحدة من أعظم ألغاز الفيزياء. يطلق عليها الطاقة المظلمة، وتشكل حوالي 70% من محتوى الكون.