ملف الكثافة

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.

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.

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.

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.

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).

ملعقة صغيرة ممتلئة — والميزان يشير إلى مليار طن. هذا تقريبًا وزن مادة النجم النيوتروني لو أمكننا غرفها ووزنها. تولد هذه الأجرام بعد انفجار مستعر أعظم: ينضغط لب النجم إلى كرة بقطر مدينة، وتصبح الكثافة أعلى من كثافة النواة الذرية. داخل هذه الكرة، تختفي الذرات المألوفة لدينا. تنضغط البروتونات والإلكترونات في بعضها البعض، مشكّلة سائلًا نيوترونيًا.

المادة المظلمة لا تُرى بالتلسكوبات، لكن جاذبيتها كشفتها فيرا روبين منذ نصف قرن. منذ ذلك الحين، درس الفيزيائيون عشرات الفرضيات، ومن أكثرها أناقةً الثقوب السوداء الأولية التي نشأت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

ظل علم الزلازل لما يقرب من قرن من الزمن بمثابة الأشعة السينية الرئيسية للكوكب، تتلمس باطنه عبر الموجات المرنة. لكن النيوترينوات - وهي جسيمات شبحية تنبأ بها فولفغانغ باولي - تقدم منظوراً مختلفاً.

يسقط حجر في الماء فتنتشر دوائر في كل اتجاه. وإذا ألقيت حفنة من الحجارة دفعة واحدة، تتداخل الدوائر فلا يمكن تمييز أثر كل حجر. هكذا تقريبًا يبدو شعاع النيوترونات الساقط على كاشف: بقعة مضيئة غير واضحة لأسباب متعددة. أهم سببين هما حجم كل جسيم-موجة على حدة، ومدى تناسق (تماسك) تذبذبات الجسيمات المختلفة.

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.

سحابة عملاقة من المادة غير المرئية تعمل كمرآة مشوهة — تحرف ضوء مجرة بعيدة. من خلال هذه التشوهات، يمكن لعلماء الفلك وزن السحابة والنظر إلى أعماقها. وبهذه الطريقة، وباستخدام عدسة ثقالية طبيعية برمز JVAS B1938+666، صادف العلماء أمرًا غريبًا: داخل العدسة يختبئ جسم كتلته مليون شمس، لكنه مضغوط إلى حجم صغير بشكل غير متوقع. وكأنه كرة رصاص صغيرة داخل كتلة قطن ناعمة.

في مركز درب التبانة، مثل دمية داخل دمية، يختبئ ثقب أسود هائل، وحوله سرب من النجوم وغلاف غير مرئي من المادة المظلمة. هذا الغلاف، أو "السنبلة"، يجب أن يكون كثيفًا جدًا عند الأفق نفسه. لكن النجوم والثقوب السوداء الصغيرة التي تدور قربه قد تعمل مثل ملعقة في فنجان قهوة: تقلب الجسيمات وتبعثرها. قرر مؤلفو الدراسة الجديدة اختبار مدى فساد هذه "الملعقة" للسنبلة.

الكون ينمو مثل مدينة كبرى: ناطحات السحاب من المجرات تُبنى على هيكل غير مرئي من المادة المظلمة - جاذبيتها تجذب مواد البناء. بينما الطاقة المظلمة تجعل المدينة نفسها تتوسع باستمرار. كان يُفترض سابقًا أن الهيكل يزداد كثافة بمعدل ثابت، رغم توسع الفضاء. لكن القياسات الحديثة تُظهر: في العصور الأخيرة، انخفضت وتيرة البناء.

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.

كرة من الوبر، شبكة عنكبوت غير مرئية، تلفّ الثقب الأسود. هذه الشبكة هي المادة المظلمة، التي لا تُصدر ضوءًا، لكنها بثقلها تتحكم في حركة النجوم في أطراف المجرات. لطالما رصد علماء الفيزياء الفلكية مثل هذه السحب «الوبرية» حول الأجرام الكونية ورَسموا ملامحها — كيف تنخفض الكثافة من المركز نحو الحافة.

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.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده، قد يؤدي انهيار النواة إلى إنتاج مُستعر أعظم و نجم نيوتروني، لكن مع كتلة كافية لا شيء يوقف الانضغاط — فينشأ ثقب أسود.

هالة مجرتنا هي سحابة ضخمة متناثرة من النجوم القديمة تحيط بالقرص الذي نعرفه. إنها تحفظ تاريخ نمو درب التبانة عبر ابتلاعها للمجرات القزمة المجاورة. لقراءة هذا التاريخ، قاس علماء الفلك حركة أكثر من 10 000 نجم على مسافات تصل إلى 50 كيلوبارسك من المركز — أي أبعد بمقدار مرة ونصف من حافة القرص المرئي.

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).

الشبكة الكونية تشبه شبكة ثلاثية الأبعاد عملاقة: المجرات والعناقيد مرتبطة بخيوط من المادة المظلمة. هذه الخيوط تشبه جسورًا غير مرئية تتدفق عبرها المادة نحو العقد الكبيرة. حاول العلماء لفترة طويلة فهم كيفية توزيع الكثافة في هذه الخيوط، لكنهم حصلوا على نتائج متناقضة.

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.

في قلب درب التبانة، خلف ستار كثيف من الغبار، يختبئ تجمع هائل من الغاز يُعرف بالمنطقة الجزيئية المركزية. لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة: فالغبار يمتص الضوء المرئي، تمامًا كما يخفي الضباب الكثيف أضواء المدينة. لكن موجات الراديو والأشعة تحت الحمراء تخترق هذا الستار، مما يسمح لعلماء الفلك بتمييز السحب الفردية.

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.

في مركز درب التبانة يدور قضيب من النجوم — تجمع ممدود يشبه شفرة دوارة. جاذبيته تُحدث حوله مجالًا إيقاعيًا، مثل أمواج تنتشر من قارب في الماء.

في مركز مجرتنا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة، تدور حوله نجوم. حركتها تشبه رقصة دائرية: بعضها يندفع في مدارات إهليلجية ممدودة، وبعضها في مدارات شبه دائرية. إذا كانت هناك مادة مظلمة غير مرئية بالقرب من الثقب الأسود، فإنها تُحدث تشوهًا طفيفًا في هذه المدارات، وكأن يدًا خفية تدفع النجم جانبًا.

المادة المظلمة تشبه الغراء غير المرئي الذي يمسك المجرات ببعضها. إنها لا تُصدر ضوءًا، لكن إذا تصادمت جسيماتها فقد يومض إشعاع غاما. بحث العلماء عن مثل هذه الومضات في المجرات القزمة — وهي تجمعات نجمية صغيرة حيث تكون المادة المظلمة وفيرة جدًا والمادة العادية شبه معدومة. الأمر أشبه بالبحث عن همس في غرفة هادئة: كلما قلّ الضجيج، كان الاستماع أسهل.

المادة المظلمة، ربما ليست جسيمات، بل ثقوب سوداء من زمن الانفجار العظيم. في الكون المبكر، الشبيه بعجين يُعجن، كانت كحبوب ثقيلة — لا تكاد تتحرك، جمعت حولها المادة ودوّمتها في تيارات مجرية سريعة، يراها الفلكيون اليوم. لكن هناك فارق بسيط: أخف الثقوب، وفقًا لنظرية هوكينغ، تتبخر وتُصدر طاقة.

ثلاث مجرات بعيدة تدور مثل دوامات عملاقة. تتحرك نجومها وغازها على طول أذرع حلزونية، ومن خلال سرعة هذه الحركة يمكن حساب كمية المادة الكلية في المجرة — المرئية منها وغير المرئية. دمج علماء الفلك بين منظورين: أظهرت التلسكوبات الراديوية الغاز البارد، بينما أظهر تلسكوب جيمس ويب الفضائي النجوم.

الأجسام فائقة الكتلة تعمل على انحناء الزمكان، فتصبح بمثابة عدسة جاذبية تعمل على انكسار ضوء الأجسام البعيدة. هذا التأثير، المعروف باسم انحناء الزمكان، يسمح لعلماء الفلك برؤية ما هو غير مرئي — أجسام لا تصدر ضوءًا بذاتها، لكنها تكشف عن نفسها من خلال تشويه أشعة المجرات الخلفية. مؤخرًا، ساعدت هذه الطريقة في اكتشاف كتلة خفية تبلغ كتلتها حوالي مليون شمس.

لطالما حيّرت المادة المظلمة العلماء — تلك المادة الغامضة التي لا تكشف عن نفسها إلا عبر الجاذبية — وقد درسها رواد علم الكونيات فريتز زفيكي وفيرا روبين. لفترة طويلة، صُوّرت على أنها إطار بارد وسلبي، لا يفعل شيئًا سوى شدّ المجرات معًا، مثل نحّات غير مرئي يمنح الشبكة الكونية شكلها.

يعيد علماء الفلك بناء تاريخ المجرات من صورها البصرية، تمامًا كما يقرأ الجيولوجي ماضي الكوكب من طبقات الصخور. تقليديًا، تم استخدام نهجين: التحليل الطيفي — وهو تفكيك الضوء إلى خطوط طيفية تكشف التركيب الكيميائي وحركة النجوم — وهو مكلف ويستغرق وقتًا طويلاً، أو الفوتومتري — وهو تصوير عبر مجموعة من المرشحات الضوئية، ويعطي تقديرات تقريبية فقط للسطوع واللون.

مجرة NGC 1560 هي جزيرة متواضعة من النجوم والغاز على بعد عشرة ملايين سنة ضوئية منا. منحنى دورانها، الذي قيس لأول مرة في عام 1991، أصبح أيقونة للباحثين عن بديل للمادة المظلمة. على الرسم البياني لسرعة الدوران مقابل نصف القطر، تظهر انحناءات تبدو وكأنها تكرر بدقة انحناءات توزيع المادة العادية.