المادة المظلمة

كرة نجمية قديمة، جمعت مئات الآلاف من الشموس، تدور منذ مليارات السنين على حافة مجرة قزمة. بحسب الحسابات، كان ينبغي لها أن تنهار نحو المركز منذ زمن طويل، كحجر ثقيل في عصيدة. لكن الكرة تبقى في مكانها، وهذه الحقيقة لا تمنح علماء الفيزياء الفلكية راحة منذ عدة عقود. في الصورة القياسية للمادة المظلمة الباردة، تحيط بالمجرات هالة غير مرئية تزداد كثافتها بحدّة نحو المركز.

في مختبر تحت الأرض في جنوب داكوتا، ينتظر كاشف LUX-ZEPLIN، المملوء بالزينون السائل، الاصطدامات النادرة. عادةً، تمر جسيمات المادة المظلمة عبره دون أن تترك أثرًا، ولكن في إحدى المرات، تحركت نواة زينون من مكانها بطاقة مقدارها 248 كيلو إلكترون فولت. هذه دفعة قوية جدًا بالنسبة للنماذج المعتادة، حيث تلامس المادة المظلمة النوى بشكل خفيف فقط.

في مختبر تحت الأرض أسفل جبل سانفورد في داكوتا الجنوبية، يوجد خزان يحتوي على عشرة أطنان من الزينون السائل، ينتظر مرور جسيم من المادة المظلمة عبره. خلال 60 يومًا من المراقبة، سجّل كاشف LZ ارتدادًا نوويًا واحدًا فقط بطاقة 248 كيلو إلكترون فولت.

في خزان يحوي ثلاثة أطنان من الزينون السائل، مدفونًا في أعماق الأرض، تحرك شيء ما ذات مرة. ليس الزينون نفسه، بل إحدى نواته الذرية: تلقت دفعة بطاقة 248 ألف إلكترون فولت وارتدت، مثل كرة بلياردو أصابتها كرة غير مرئية.

شعاع الضوء الذي يمر بالقرب من جسم ضخم ينحني حوله، مثل عداء يلتف حول زاوية الملعب. بالنسبة للنجم النيوتروني النجم النيوتروني، عادةً ما تُعتبر زاوية الانحراف هذه مماثلة لتلك الخاصة بكتلة نقطية. ولكن إذا كان النجم محاطًا بهالة غير مرئية من المادة المظلمة، يتغير المشهد: الضوء الذي يمر عبر الهالة ينحرف بشكل أضعف مما تتنبأ به الكتلة الكلية.

النيوترون هو جسيم يستقر عادة في نواة الذرة ولا يختفي. لكن بعض النظريات تفترض أنه قد يتحول أحيانًا إلى توأم غير مرئي — جسيم افتراضي لا يمكن التقاطه بواسطة أجهزة الكشف العادية. إذا حدث هذا، فسيفسر ما تتكون منه المادة المظلمة — المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولكنها تمسك المجرات بجاذبيتها وتمنعها من التمزق.

في المنجم المؤدي إلى مصادم الهادرونات الكبير، يُخطط لوضع منشأة غير عادية — أنبوب عمودي بطول مئة متر، ستسقط بداخله سحب من ذرات السترونشيوم. تُبرد كل سحابة إلى ما يقارب الصفر المطلق، بحيث تتحرك الذرات ببطء وبتناغم، مثل راقصين في حركة بطيئة.

لم يرَ أحدٌ المادة المظلمة، لكنها يجب أن تمر عبر الكواشف كما يمر الريح بين أوراق الشجر. أحيانًا، نادرًا جدًا، يصطدم جسيم المادة المظلمة بنواة ذرة — وعندها يجب أن يلتقط الكاشف هذه الصدمة. المشكلة أن جسيمات المادة المظلمة الخفيفة بالكاد تستطيع تحريك النوى الثقيلة: الأمر أشبه بمحاولة إسقاط لعبة البولينج برمي زغب صغير عليها. نحتاج إلى هدف من نوى خفيفة يسهل هزّها.

في أعماق الشمس، تجري تفاعلات اندماج نووي قد تولد جسيمات افتراضية خفيفة تُعرف بالأكسيونات، وهي بالكاد تتفاعل مع المادة. أحد هذه العمليات، إن وُجد، يؤدي إلى ظهور أكسيونات بطاقة 5.49 ميغا إلكترون فولت، وهي طاقة تضاهي طاقة كرة تنس تطير بسرعة 100 كم/ساعة. هذه الجسيمات تخترق الأرض دون عائق، لكنها قد تصطدم أحيانًا بذرة زينون.

في السماء الجنوبية، خلف حجاب كثيف من الغبار الكوني، يختبئ مصدر لأشعة غاما — وهي أكثر أشكال الضوء طاقةً في الكون. إنه يضيء بسطوع شديد لدرجة أن إشعاعه يخترق هذا الحجاب، لكن الجسم نفسه يظل غير مرئي للتلسكوبات البصرية. وجّه علماء الفلك تلسكوب ALMA الراديوي نحو السحب الغازية المجاورة ورصدوا نمطًا كشف النقاب عن هذا الجسم الخفي.

المادة المظلمة لا تصدر ضوءًا ولا تعكسه، لكن وجودها يكشف عبر تأثيرها الجاذبي على المادة المرئية. لتسجيل جسيم واحد على الأقل، يبني الفيزيائيون كاشفات تشبه غرفًا هادئة جدًا: في داخلها بلورات تتوهج عندما يصطدم بها جسيم. لكن التوهج ضعيف، وإذا فقد الضوء في الطريق، قد لا تُلاحظ الإشارة. في منشأة COSINE-100U، تعلّمت بلورات يوديد الصوديوم جمع الضوء بشكل أفضل.

بلورة يوديد الصوديوم المشوب بالثاليوم (NaI(Tl)) هي نوع من الأفلام الفوتوغرافية للجسيمات غير المرئية. عندما يصطدم بها كم جاما أو جسيم افتراضي من المادة المظلمة، تصدر وميضًا ضوئيًا خافتًا يُعرف بالوميض (scintillation). مضاعفان ضوئيان سيليكونيان (silicon photomultipliers) مثبتان على طرفي البلورة يسجلان هذا الوميض من كلا الجانبين.

تخيل دوامة (carousel): كلما جلست أبعد عن المركز، زادت سرعة دورانك. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن المجرات مختلفة — فالنجوم في الأطراف يجب أن تدور أبطأ من تلك القريبة من النواة. ومع ذلك، في سبعينيات القرن العشرين، اكتشف علماء الفلك، بقياس الإزاحة الدوبلرية لخطوط الطيف، أن سرعات النجوم في العديد من المجرات الحلزونية لا تنخفض تقريبًا مع البعد عن المركز.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان من المفترض أن تنشأ المادة والمادة المضادة بكميات متساوية، وفقًا لقوانين التناظر في فيزياء الجسيمات الأولية. لكن اليوم، ما يحيط بنا هو المادة العادية (بروتونات، نيوترونات، إلكترونات)، بينما المادة المضادة (مضادات البروتونات، البوزيترونات، إلخ) نادرة الوجود.

تشبه المجرة مدينة: في المركز أضواء ساطعة وبناء كثيف، وفي الأطراف أضواء متناثرة وفراغ. لكن إذا تتبعت دوران الغاز في القرص المجري، ستجد أن السرعة عند الأطراف لا تنخفض تقريبًا. وكأن أحياء غير مرئية تواصل دعم الحركة. وجد علماء الفلك طريقة لرسم هذه المدينة غير المرئية على الخريطة.

مغناطيس يزن بضع حبات رمل يطفو في الهواء دون أي سند. لا يلمس الجدران، ولا يحتك بالمحامل، بل يعلق في مصيدة مغناطيسية مثل ذرة غبار في شعاع الشمس. جعل الباحثون هذه الذرة تعمل كبوصلة فائقة الحساسية: يلتقط الجهاز تغيرات في المجال المغناطيسي تبلغ 23 فيمتو تسلا.

يرسل الكون إلينا إشارات باستمرار، لكن كثيرًا منها أضعف من أن تُلاحَظ. النيوترينوات الأثرية النيوترينوات — الجسيمات التي خلفها الانفجار العظيم — تخترق الأرض بالمليارات كل ثانية، لكن التقاط واحدٍ منها فقط مهمةٌ على حافة المستحيل. نحتاج إلى كاشفٍ يستشعر طاقةً أصغر بألف مرة من الطاقة اللازمة لتحريك ذرّة غبار. يعمل الجهاز الجديد SuperEM كأذنٍ مرهفة تلتقط الهمس.

عداد السرعة في المجرة يتجاوز الحد. النجوم الخارجية تدور بسرعة تجعلها، وفقًا لكل قوانين الجاذبية، يجب أن تتطاير بعيدًا مثل رذاذ من عجلة دوارة.

تخيّل ملعبًا ضخمًا مكتظًا بأشخاص يرتدون الأسود. أنت تقف في الخارج وتحاول أن تفهم ما يحدث في الداخل، رغم أنك لا ترى أي شخص. لكن إذا تصادم اثنان وتبادلا قمصانًا زاهية الألوان — ستلاحظ وميض اللون. هكذا بالضبط يبحث علماء الفلك عن المادة المظلمة — وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصّه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون يشبه مرجلًا يغلي — بلازما فائقة الكثافة والحرارة من الجسيمات الأولية. وفقًا لإحدى الفرضيات، في هذا الوسط تحديدًا يمكن أن تولد المادة المظلمة — المادة غير المرئية التي تمسك المجرات بجاذبيتها وتمنعها من التمزق.

في مكان ما في مركز المجرة يدور ثقب أسود — جسم بجاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات منه. إنه لا يطفو في الفراغ: حوله سرب غير مرئي من جسيمات المادة المظلمة، تلك المادة الغامضة التي لا تشع ولا تمتص الضوء، لكنها تكشف عن نفسها عبر تأثيرها الجذبوي. حتى الآن، كان هذا السرب يُوصف للثقوب الساكنة، لكن في الواقع، الثقوب تدور دائمًا.

أي جسم نابض له لحظة يضطرب فيها الإيقاع. بالنسبة للنجوم البوزونية، وهي تجمعات افتراضية من جسيمات فائقة الخفة، تكون هذه اللحظة هي النقطة التي تتوقف عندها الكتلة عن الزيادة. قام مؤلفو العمل بحساب النمط القطري الأدنى (النغمة الأساسية لـ"التنفس") لعائلة كاملة من هذه النجوم، بما في ذلك نماذج ذات تفاعل ذاتي، وهي خاصية تمكن الجسيمات من التأثير على بعضها البعض.

النجم النيوتروني هو بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم: كتلة الشمس معبأة في كرة بقطر مدينة. لمدى مليارات السنين، يطير عبر الفضاء، جامعًا حوله مادة غير مرئية — المادة المظلمة، التي لا تُصدر ضوءًا ولكنها تجذب بالجاذبية. يُظهر نموذج جديد: إذا تراكمت كمية كافية من المادة المظلمة، فقد تغلّف النجم بقشرة غير مرئية لا يخرج منها حتى الضوء.

رصد التلسكوب الراديوي FAST بطبق قطره خمسمائة متر إشارة عند طول موجة 21 سنتيمترًا — وهو خط طيفي لانبعاث الهيدروجين الذري البارد والمتعادل. صدرت الإشارة من سحابة أُطلق عليها اسم Cloud-9. تقع هذه السحابة بالقرب من المجرة M94، لكنها لا تحتوي على أي نجم.

هيكل الجاذبية غير المرئي يمنع المجرات من التمزق. هذه هي المادة المظلمة — مادة لا تصدر ضوءًا ولا تتفاعل تقريبًا مع المادة العادية إلا عبر الجاذبية. لطالما اختلف علماء الفيزياء الفلكية حول طبيعتها.

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 القياسي لعلم الكونيات النموذج القياسي — وهو الإطار النظري الأساسي الذي يصف تطور الكون — يشبه وصفة كعكة حيث كل شيء مقيس بدقة: المادة المظلمة — وهي شكل افتراضي من المادة لا يشارك في التفاعلات الكهرومغناطيسية — مثل دقيق خالٍ من التكتلات (ضغطه صفر)، بينما الطاقة المظلمة — وهي المادة الغامضة…

العملاق الأحمر في تجمع نجمي كروي هو نجم في مرحلة متأخرة من التطور، وهو بمثابة "نجم متقاعد". لقد استنفد الهيدروجين في نواته وأصبح الآن يحافظ على الاحتراق في طبقة رقيقة حول النواة الهيليومية. خلال هذه المرحلة، يزداد لمعانه ببطء حتى يحدث وميض الهيليوم — اللحظة التي تشتعل فيها النواة فجأة من جديد.

يشبه العالم الكمومي مطبخًا تظهر فيه الجسيمات فجأة من «لا شيء». ولكن هناك حاجة إلى طاهٍ — وهو الحقل الكلاسيكي الذي يعمل كمصدر خارجي. نظرية غلاوبر، المعروفة منذ زمن طويل في علم البصريات، تم تعميمها الآن: فهي تُظهر كيف يقوم الحقل «بطهي» الجسيمات، سواء كانت فوتونات أو غرافيتونات.

الكون المبكر يشبه مرجلًا يغلي، حيث تتولد الجسيمات والجسيمات المضادة وتفني بعضها بنسب متساوية. لكن اليوم لا نرى حولنا سوى المادة — النجوم، الكواكب، ونحن أنفسنا. كيف نشأ فائض ضئيل بمقدار جزء من مليار من المساواة الأصلية؟ أحد الإجابات يختبئ في اهتزازات مجال ثقيل، يشبه صخرة يغمرها المد ثم يكشفها.

يضع الصياد أفخاخه في الغابة. إنه يعرف طباع الوحش، لكنه لا يعرف ما إذا كان سيقع في الفخ من الأساس. وبالمثل، ينصب الفيزيائيون كاشفاتهم في محاولة لاصطياد جسيمات المادة المظلمة — المادة غير المرئية التي يُعتقد أنها تشكل معظم كتلة الكون. يقدم العمل الجديد للصيادين أداة غير عادية: ليس فخًا، بل شريط قياس.

في جليد القارة القطبية الجنوبية، يختبئ كاشف بحجم كيلومتر مكعب. إنه لا يلتقط الضوء، بل الجسيمات الشبحية — النيوترينوات، التي لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. لكن في بعض الأحيان، قد يلمع فيه وحش مختلف تمامًا: زوج من الميونات يولدان معًا وينطلقان في مروحة واسعة. هذا النمط لا يمكن أن ترسمه أي جسيمات معروفة من المادة العادية.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون. وجودها يُستدل عليه من تأثيرها الجاذبي على حركة النجوم والمجرات، لكن تكوين هذا الهيكل يظل لغزًا. إحدى الفرضيات هي جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. وهي بالكاد تتفاعل مع المادة العادية، لكنها في حالات نادرة قد تُظهر نفسها.

الثقب الأسود ليس مجرد مكنسة كهربائية كونية. إذا كان يدور، فإنه قادر على تضخيم الموجات من حوله، مثلما يردد صدى الجبل الصوت. بالنسبة للمادة المظلمة فائقة الخفة (جسيمات أخف بمليارات المرات من الإلكترون)، فإن هذا التأثير، المسمى بالتضخيم الفائق، يمكن أن يخلق سحابة هائلة. افترض الفيزيائيون أن مثل هذه السحابة تشبه غازاً مخلخلاً تتحرك فيه جميع الجسيمات بتناغم، وكأنهم راقصون يخضعون لإيقاع واحد.

الثقب الأسود ليس قمعًا معزولًا في الفراغ. فحوله قد تتراكم مادة غير مرئية، وعندها تزيح الحدود المألوفة التي تحدد مظهره المرصود.

في الأطراف المظلمة لمجرتنا، بعيدًا عن التجمعات النجمية الساطعة، تختبئ ملايين الثقوب السوداء — وهي أجسام لا تشع ولا تبتلع المادة تقريبًا. الطرق التقليدية للبحث، المصممة للحقول النجمية القريبة، عاجزة هنا. نحتاج إلى نهج مختلف. اقترح علماء الفلك استخدام نسيج الفضاء نفسه ككاشف.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، مر الكون بتوسع سريع — التضخم الكوني. تمدد الفضاء أسرع من الضوء، وتحولت الاهتزازات الكمومية للفراغ إلى جسيمات حقيقية. هكذا ربما وُلدت المادة المظلمة — المادة غير المرئية التي تمنع المجرات من التمزق. درس مؤلفو العمل جسيمًا افتراضيًا — الفوتون المظلم.

التجمع الكروي (globular cluster) — سرب كثيف من مئات الآلاف من النجوم — يخترق المجرة مثل رصاصة تخترق الماء. في المادة المظلمة العادية (الكتلة غير المرئية التي تمسك المجرات)، يجب أن يفقد سرعته بسرعة بسبب الاحتكاك المدّي (dynamical friction). لكن في المجرة القزمة الكور، العديد من هذه التجمعات لم تسقط بعد نحو المركز. يسمي علماء الفلك هذا "مشكلة الزمن".

الدوامة تبتلع الماء، لكنها ترش معظمه حولها. هذا تقريبًا سلوك الثقب الأسود عندما يسقط عليه الكثير من المادة. في دراسة جديدة، أجرى علماء الفيزياء الفلكية 32 محاكاة حاسوبية لفهم كيف تتحكم معلمات الثقب - الكتلة والدوران و"الشهية" - في هذه النوافير الكونية. اتضح أن كتلة الثقب (في نطاق من 5 إلى 30 كتلة الشمس) لا تؤثر تقريبًا على أي شيء.

الجسم الكوني يدور، لكن ظله ليس دائريًا. درس الفيزيائيون الفلكيون ثقبًا أسود في نسخة غير عادية من الجاذبية — ما يسمى بعالم الغشاء (حيث يكون كوننا سطحًا ثلاثي الأبعاد في فضاء ذي أبعاد أكثر). في هذا النموذج، يظهر للثقب الأسود معامل إضافي — الشحنة المدية (مقياس لكيفية تشويه الأبعاد الإضافية للجاذبية). تتبع مؤلفو العمل كيف تنحني أشعة الضوء حول هذا الثقب، وبنوا صورته.