علم الكون

تعداد سكاني حسب شكل الجسم: هكذا يمكن وصف ما فعله علماء الفلك مع 6348 مجرة ضخمة. بدلاً من الطول والوزن، قاسوا مدى تركيز الضوء نحو المركز، ومدى تفلطح المجرة، ومدى عدم تناظر شكلها. ثم أجروا نفس القياسات على المجرات من ثلاثة نماذج حاسوبية للكون وقارنوا النتائج. كل نموذج يشبه فناناً يرسم صورة شخصية من الذاكرة: يلتقط الملامح العامة لكنه يخلط في التفاصيل.

النهر المرسوم على الخريطة هو دائمًا خط واحد. لكن قف على الضفة وسترى: داخل مجرى النهر تيارات أسرع، ودوامات، وفروع تارة تلتقي وتارة تفترق. الشبكة الكونية هي نفس النهر، لكن من المادة المظلمة، وحتى وقت قريب كان علماء الفلك يرسمونها بخط 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.

البقعة الشمسية — جزيرة مظلمة على سطح ناري — تعيش حياة صاخبة. تحتها، في الأعماق غير المرئية، تسبح حلقات مغناطيسية عملاقة تشبه الحبال الملتوية. عندما تطفو إحدى هذه الحلقات إلى السطح، قد تفرغ شحنتها في توهج — وتقذف سحبًا من الجسيمات المشحونة إلى الفضاء. لطالما حاول العلماء فهم ما الذي يحدد قوة هذه الأحداث ومفاجأتها.

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.

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 المبكر لم يكن مجرد حساء ساخن من الجسيمات. في الكسور الأولى من الثانية، ربما انكسر التناظر المرآتي (التكافؤ): لم يعد العالم وصورته في المرآة متطابقين تمامًا. إذا كان الأمر كذلك، فستبقى في الشبكة الكونية الواسعة للمجرات "لَيّة" خفية — كما لو أن كل المادة ملتوية قليلًا في اتجاه واحد.

لم يكن الكون المبكر يشبه بركة هادئة، بل قدرًا يغلي. كانت المادة فيه تتدفق وتتصادم وتتشكل في دوامات — وكل ذلك على خلفية تمدد سريع للفضاء نفسه. لفهم كيف وُلدت النجوم والمجرات من هذا الحساء الساخن، يبني الفيزيائيون محاكاة رقمية — نماذج حاسوبية تعيد إنتاج العمليات الفيزيائية وفقًا لقوانين النظرية.

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.

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.

ثلاثة أوتار غير مرئية تهتز في الفراغ بين المجرات. ليست هذه شعرًا، بل فرضية حول طبيعة المادة المظلمة — حقل كمومي فائق الخفة بسبين 1، يحمل ثلاث استقطابات. وعلى عكس النماذج القياسية مثل الأكسيون، تشبه المادة المظلمة المتجهية خيطًا ثلاثيًا مجدولًا من اهتزازات الفوتونات المظلمة (كما تُسمى هذه الجسيمات أحيانًا).

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.

الدقائق الثلاث الأولى بعد ولادة العالم هي مطبخ كوني، حيث كانت الطبيعة تطهو أخف الأنوية الذرية. الوصفة تحددها الجاذبية: فهي تتحكم في معدل تبريد «المرق» الساخن المكوّن من الجسيمات. إذا كانت الجاذبية تعمل بشكل مختلف عما اعتدنا عليه، لكان الطبق مختلفًا أيضًا — بكمية مختلفة من الهيليوم والديوتيريوم.

في أعماق غابات الأمازون، تحت مظلة أوراق كثيفة الطبقات، توجد أشكال أرضية ضخمة — مربعات ومستطيلات ومعينات نادرة. لعقود، كانت تُثير فضول علماء الآثار بهندستها الصامتة، حتى تسلح أحد الباحثين بالبصريات المدارية ورأى فيها أداة فلكية. كشفت القياسات اليدوية لـ 326 نقشًا أرضيًا في ولاية أكري عن نظام صارم: جدرانها موجهة عمدًا نحو نقاط الأفق حيث تشرق الشمس في تواريخ رئيسية.

لطالما حير لغز المادة المضادة في الكون علماء الفيزياء الفلكية: من أين تأتي البوزيترونات التي تترسب كرقائق الثلج في الكواشف؟ قد يكمن الجواب في أكثر أشكال خلفية غاما انتشارًا. فالكون مشبع بضوء متبعثر — خلفية الفوتونات الكونية (CPB).

في الأوركسترا العظيمة للكون، لكل آلة إيقاعها الخاص. فالإلكترونات في الذرة تقوم بقفزات كمومية خلال فمتو ثوانٍ، والخلايا العصبية في الدماغ تتبادل الإشارات خلال ميلي ثوانٍ، أما الإنسان فيحتاج إلى أجزاء من عُشر الثانية ليدرك «الآن». لطالما بحث الفيزيائيون عن قائد يوحّد هذه المقاطع المتباينة المقاييس في لحن واحد للزمن الموجّه.

نموذج النموذج الكوني القياسي ΛCDM، حيث تلعب المادة المظلمة والطاقة المظلمة دور المهندسين الرئيسيين للكون، ظل لعقود يتنبأ بالبيانات الفلكية بدقة الساعات السويسرية. أسس هذا النموذج ثلاثة عباقرة. افترض جورج لومتر توسعاً من 'ذرة' فائقة الكثافة.

عندما ننظر إلى أعماق الكون، فإننا نرى الماضي. قانون إدوين هابل يحول الانزياح الأحمر إلى آلة زمن: استغرق الضوء من مجرة UDS 12999 للوصول إلينا 7.6 مليار سنة – أكثر من نصف عمر الكون.

المبدأ الكوني — القائل بأن الكون متجانس ومتساوي الخواص على المقاييس الكبيرة — يحمي فهمنا للعالم منذ عهد إدوين هابل وجورج لومتر، اللذين أرست أفكارهما أساس نموذج الانفجار العظيم. لكن بين الحين والآخر، تتراءى لنا في شبكة المجرات بنى هائلة لدرجة تهدد بقلب هذا الأساس.

لم يكن الكون دائمًا في توسع. في بعض النماذج، كان ينكمش أولاً — شبه فارغ ومسطح — ثم عند بلوغه الحد الأقصى، ارتد وبدأ في النمو، مثل عالمنا المألوف. يُسمى هذا السيناريو بعلم الكون المرتد (bouncing cosmology). وهو يتجاوز مشكلة التفرد الأولي (النقطة التي تتعطل فيها قوانين الفيزياء) — إذ لا تنشأ فيه أي كثافة لا نهائية.

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…

المجرات العدسية هي «الهادئة» في الكون: لها قرص، لكن بلا أذرع حلزونية لامعة. ظل أصلها لغزًا لفترة طويلة. أطلق فريق من العلماء محاكاة حاسوبية باسم Hydrangea وتتبعوا مصير كل مجرة منذ شبابها حتى يومنا هذا. على مخطط «الكتلة-الحجم»، اصطفت هذه المجرات على شكل حرف V. المجرات S0 الخفيفة والثقيلة تصل إلى شكلها عبر طريقين مختلفين.

في اللحظات الأولى بعد الولادة، قد يكون الكون متعدد الأبعاد - مثل ورقة تكتسب فجأة سماكة. هذه "السماكة" - الأبعاد الإضافية - بدأت تتمدد بسرعة. يُطلق على هذا النمو فائق السرعة اسم التضخم. استمر لجزء ضئيل من الثانية، لكن خلال هذا الوقت نمت الأبعاد الجديدة إلى أحجام نراها اليوم ككوننا الشاسع بأكمله. ثم تغير كل شيء. انتهى التضخم، وتوقفت الأبعاد الإضافية عن النمو.

منذ نهاية القرن العشرين، يعرف العلم أن توسع الكون يتسارع: فالمجرات تتباعد عن بعضها البعض بسرعة متزايدة. على هذا الاكتشاف، حصل كل من آدم ريس وسول بيرلموتر وبرايان شميت على جائزة نوبل.

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.

كوننا لا يتوسع فحسب، بل يفعل ذلك بسرعة متزايدة. يشبه ذلك عجينًا به زبيب داخل فرن: حبات الزبيب تبتعد عن بعضها، وكلما ابتعدت أكثر، زادت سرعة تباعدها. القوة الغريبة التي تدفع الكون إلى التمدد سُميت بالطاقة المظلمة. يعتقد معظم العلماء أنها ثابتة، مثل نابض دائم مدمج في نسيج الفضاء نفسه. لكن هناك فكرة أخرى: الطاقة المظلمة ربما كانت مختلفة في الماضي.

الحدّاد يطرق سيفًا. مع كل ضربة مطرقة، يتسطّح المعدن الملتهب، لكن المطرقة نفسها والسندان والهواء المحيط بها تسخن قليلًا. جزء من طاقة الضربة يضيع حتمًا كحرارة — وهذا التبادل، الذي يعرفه كل من طرق مسمارًا مرة واحدة على الأقل، يتبيّن أنه مفتاح أكبر ألغاز الكون.

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.

مغناطيس بقطب واحد — شمالي، دون جنوبي. قسّمه إلى نصفين — وبدلاً من مغناطيسين عاديين، ستحصل على مغناطيسين أحاديي القطب. في عالمنا، لم تُعثر بعد على مثل هذه الجسيمات، رغم أن العديد من النظريات تتنبأ بوجودها. تُسمى هذه الأجسام الافتراضية الأقطاب المغناطيسية. لاحظ مؤلفو الدراسة صلة مثيرة للاهتمام.

يمر علم الكونيات بأوقات غريبة. من جهة، يصف النموذج القياسي مع المادة المظلمة والطاقة المظلمة البنية واسعة النطاق وصفًا ممتازًا. ومن جهة أخرى، بدأت تظهر تشققاته.

التاريخ الكلاسيكي لنشأة الكون من نقطة ملتهبة الانفجار العظيم يواجه أسئلة محرجة: لماذا الكون متجانس إلى هذا الحد؟ وماذا كان قبل التفرد؟ اقترح آلان غوث التضخم كتمدد فوري يمهد كل التعرجات، لكن التضخم نفسه بدا وكأنه معجزة تحدث لمرة واحدة.

غالبًا ما تشبه الفيزياء بناء سفينة عملاقة - الكون. مهندسو الفيزياء لم يتوصلوا بعد إلى رأي موحد حول المخططات الأساسية. كشف استطلاع "الأسرار الكبرى" عن هذا الوضع: حتى طبيعة الثقوب السوداء - وهي أجسام ذات جاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها (والتي خاض Stephen Hawking حولها نقاشات نظرية لعقود)…

البندول يختار بنفسه كيف يتأرجح. إذا دفعته بقوة زائدة، سيعود بسرعة إلى إيقاعه السلس. وإذا أمسكته في الوضع الأقصى، فسيظل ثابتًا، لكن بمجرد تركه، سيعود إلى حركته المعتادة. هكذا تقريبًا يتصرف الكون في النموذج الرياضي الجديد، حيث يُوصف توسعه ليس من خلال قوى فيزيائية محددة، بل من خلال هندسة التوسع نفسها — ما يسمى بعلم الكونيات الرصدي (cosmography).

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.

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

تخيل الكون كبالون يُنفخ: سطحه يتمدد، والمجرات، كنقاط على المطاط، تبتعد عن بعضها البعض. لكن ميكانيكا الكم تفرض قيدًا صارمًا — من المستحيل قياس حجم هذا «البالون» ومدى سرعة انتفاخه بدقة عالية في نفس الوقت.

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.

في الهالة الشمسية الملتهبة، حيث تتجاوز درجة الحرارة المليون درجة، تطفو سحب باردة كثيفة — الانتفاخات الشمسية الشمسية. تعلق لأسابيع دون أن تسقط أو تذوب، مثل جبال جليدية في محيط يغلي. كيف وصلت إلى هناك؟ سؤال ظل يحير علماء الفلك لعقود. محاكاة ثلاثية الأبعاد جديدة غطت جميع طبقات الغلاف الجوي الشمسي ولأول مرة أظهرت المسار الكامل من السطح إلى الهالة.

العناقيد الكروية هي «كتل» كثيفة من مئات الآلاف من النجوم التي تدور حول مركز درب التبانة. بعضها وُلد في مجرتنا، والبعض الآخر التُقط عندما ابتلعت درب التبانة مجرات قزمة تابعة. يمكن التمييز بينها من خلال التركيب الكيميائي، لكن علماء الفلك حصلوا على أداة جديدة — العمر الديناميكي. العمر الديناميكي يبيّن مدى «اهتزاز» بنية العنقود تحت تأثير قوى المد والجزر من المجرة.

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.