انطفاء الغبار

ضوء المجرة البعيدة يخترق غبارها الخاص ليصل إلينا. هذا الغبار ليس ضبابًا متجانسًا، بل سحب ممزقة تشبه قطع القطن. النماذج القديمة اعتبرته ضبابًا موحدًا، وعندها لم تكن المجرة متوازنة الطاقة: الكثير من الضوء كان يختفي في الأشعة فوق البنفسجية، والقليل جدًا يعود في الأشعة تحت الحمراء.

كل صباح، يكنس عامل النظافة أوراق الشجر في كومة واحدة. الشمس، أثناء عبورها المجرة، تفعل شيئًا مشابهًا: جاذبيتها تجمع الغاز بين النجمي المتناثر في مخروط غير مرئي — قمع جاذبية عملاق يركّز المادة.

عندما تولد النجوم في المجرة، تثير أشعتها فوق البنفسجية ذرات الهيدروجين، مما يجعلها تتوهج — كلافتة نيون، لكن على نطاق كوني. كان بإمكان هذا الضوء أن يخبرنا الكثير عن معدل تشكل النجوم، لكنه في طريقه إلينا يمر عبر الغبار الكوني — جسيمات صلبة مجهرية.

في مجرة NGC 1052 DF2 تتحرك النجوم بسرعة 8 كيلومترات في الثانية فقط — وكأنه لا توجد كتلة غير مرئية حولها. للمقارنة: في مجرتنا درب التبانة، تصل سرعة النجوم البعيدة إلى 200 كيلومتر في الثانية، محتجزة بهالة ضخمة من المادة المظلمة.

مدينتان تعرضتا لسلسلة من الحرائق. في إحداهما، تبعثر الرياح الرماد بعيدًا إلى ما وراء الأطراف، فتبقى السماء صافية. وفي الأخرى، يترسب الرماد كستار كثيف يصبغ الغروب بلون قرمزي. تقريبًا هكذا، لكن على نطاق المجرات، تعمل انفجارات المستعرات العظمى (supernovae) — الومضات الأخيرة للنجوم الضخمة. عندما تتوالى انفجارات المستعرات العظمى في تجمع نجمي فتي، تندمج موجات صدمتها في تيار قوي.

قبل عشرة مليارات سنة، كان الكون مليئًا بشرارات قرمزية غريبة. رصدها تلسكوب جيمس ويب في صور الأعماق السحيقة عند انزياحات حمراء بعيدة — مصادر مدمجة تتوهج كـمجرات بأكملها، لكن بحجم منطقة صغيرة جدًا في مركزها. أطلق عليها الفلكيون اسم «النقاط الحمراء الصغيرة». وظلت طبيعتها عصية على التفسير طويلًا.

تُمثّل التدفقات الغازية الهائلة الخارجة من أنوية المجرات النشطة مُنظّمًا رئيسيًا لـ تطور المجرات. فهي تكنس الوسط بين النجمي، وتُخمد تشكّل النجوم، وتتحكم في نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

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 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.

لا تفصل الحضارات في الكون المسافات فحسب، بل فجوات الزمن أيضًا. البحث عن آثارها يشبه علم الآثار: بدلًا من أنقاض القصور - سحب من الغبار الكوني. الهياكل الضخمة، سواء كانت مرايا عملاقة أو أجرام دايسون الافتراضية (أغلفة لجمع طاقة النجم)، تتدمر مع الزمن تاركة أدلّة دامغة - بصمات تقنية سلبية. هذه الآثار لا تحتاج إلى أي دعم ويمكنها البقاء لمليارات السنين، وتظهر في التركيب الشاذ أو دوران سحب الغبار.

المستعرات العظمى من النوع Ia هي الأوتار الأخيرة المبهرة في سيمفونية التطور النجمي: عندما يتجاوز قزم أبيض الحد الذي تنبأ به سوبراهمانيان تشاندراسخار، ينفجر بسطوع يعمي للحظة مجرة كاملة.

باستخدام تلسكوب جيمس ويب، ألقى علماء الفلك نظرة على نجم زائف قديم — القلب المتوهج لـمجرة، حيث يمتص ثقب أسود عملاق المادة. اتضح أنه لا يدمر فحسب، بل يخلق أيضًا: فتدفقاته القوية وموجاته الصدمية تعمل كطاحونة كونية حقيقية. تطحن جسيمات الغبار الكوني إلى مسحوق ناعم جدًا — تمامًا كالرمال العادية، لكنها مطحونة إلى أحجام ميكروسكوبية.

المليارا سنة الأولى بعد الانفجار العظيم — حقبة كان الكون فيها أشبه بموقع بناء يغلي بالنشاط. المادة المظلمة كانت تجمع الغاز في كتل، فاشتعلت تلك الكتل بالنجوم الأولى. كان يبدو أن الوقت لم يكن كافياً لتجميع مجرات إهليلجية ضخمة من هذه المواد الخام — تلك 'المدن النجمية' الخامدة.

كشفت صور تلسكوب «جيمس ويب» الفضائي عن توهج شديد بشكل غير متوقع من المجرات الأولى — أنظمة نجمية هائلة تشكّلت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. تخيّل: المحمصة تُحمّر شريحة الخبز في دقيقة، بينما يحتاج الفرن إلى ساعة كاملة لخبز رغيف — والنتيجة، في جوهرها، متشابهة.

المجرة البعيدة تظهر دائمًا أكثر احمرارًا مما هي عليه في الواقع. هذا ما يفعله الغبار الكوني — جسيمات صلبة متناهية الصغر تعمل على تشتيت الأشعة الزرقاء بقوة أكبر من الحمراء، مثل الضباب عند الغروب. قاس علماء الفلك هذا التأثير لعشرات الآلاف من المجرات باستخدام أداتين قويتين.

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.

النجم النيوتروني هو نواة ميتة لنجم ضخم، مضغوطة إلى حجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن مثل جبل. عبر هذه البيئة الكثيفة، تمر جسيمات المادة المظلمة بحرية تقريبًا، لكنها أحيانًا تصطدم بالنيوترونات وتعلق، مثل الرصاص الذي يغوص في الرمال. بعد أن تستقر في المركز، تطلق طاقة — فيسخن النجم قليلاً.

خمس مجرات توقفت منذ زمن طويل عن إشعال نجوم جديدة، تبدو كبيوت أُطفئت أنوارها. لكن مقراب ألما الراديوي ومقراب جيمس ويب الفضائي نظرا إلى داخلها فرأيا: في هذه البيوت «النائمة» ما زالت النار متقدة. قاس علماء الفلك توهج أول أكسيد الكربون والغبار الدافئ في خمس من هذه المجرات، التي تبعد عنا مليارات السنين الضوئية.

المادة المظلمة — مادة غير مرئية تمنع المجرات من التبعثر. إذا اضمحلت جسيماتها أحياناً قرب الشمس، فإنها تقذف تيارات من الجسيمات السريعة — كأنها مطارق غير مرئية تصدم الضوء. كل صدمة تحوّل جسيماً من ضوء الشمس إلى شعاع غاما — وميض فائق القوة يمكن للتلسكوبات رصده.

الضوء القادم من النجوم البعيدة، عندما يشق طريقه عبر الغبار الكوني، يفقد جزءًا من طاقته. تمتص حبيبات الغبار الضوء وتنثره، ومن كيفية قيامها بذلك عند الأطوال الموجية المختلفة يمكننا استنتاج تركيبها وأحجامها. يسمي علماء الفلك هذا بمنحنى امتصاص الغبار.

عندما ينفجر نجم ضخم، تتطاير بقاياه في كل اتجاه مثل شظايا الألعاب النارية. ولكن كيف يمكننا معرفة مدى بُعد هذا الانفجار عنا؟ وجد علماء الفلك طريقة: ينظرون إلى سحب الغاز التي تصطدم بها هذه البقايا. الفكرة بسيطة. حول بقايا المستعرات العظمى غالباً ما توجد سحب من الغاز الجزيئي البارد. تتحرك هذه السحب بسرعة معينة يمكن قياسها من خلال إشعاع غاز أول أكسيد الكربون (CO).

المجرة تشبه منزلًا نوافذه مغلقة بالستائر: داخله يولَّد أشعة فوق بنفسجية ساطعة، لكن من الخارج لا يُرى إلا ما استطاع اختراق الغبار والغاز. من المهم لعلماء الفلك معرفة كمية هذا الضوء الذي يغادر إلى الفضاء بين المجرات، فهو الذي يؤيِّن الهيدروجين في الكون المبكر ويجعله شفافًا. لكن قياس هذا التدفق مباشرة من المجرات البعيدة شبه مستحيل — فالغبار يخفيه عن التلسكوبات.

حول النجم إبسيلون إندي، الذي يمكن رؤيته بالعين المجردة من نصف الكرة الجنوبي، يدور كوكب بحجم المشتري. درجة حرارته هناك مثل درجة حرارة مجمد جيد: ناقص 200 درجة مئوية. تلسكوب جيمس ويب التقط صورته المباشرة لأول مرة وقاس الضوء الذي يصدره الكوكب في النطاق الحراري. تبين أن ضوء الكوكب عند طول موجة 11.3 ميكرومتر أكثر سطوعاً بشكل ملحوظ منه عند 10.6 ميكرومتر.

في منتصف القرن العشرين، اكتشفت عالمة الفلك فيرا روبين أن النجوم على أطراف المجرات تتحرك بسرعة كبيرة جداً - كتلة غير مرئية تمسك بها. هكذا ظهر لغز المادة المظلمة. إنها لا تشع ضوءاً، لكنها تظهر نفسها عبر الجاذبية. السؤال الرئيسي: لماذا بقيت منها هذه الكمية بالذات؟ عمل جديد يقدم إجابة غير متوقعة.

السماء الليلية في صورة تلسكوب تشبه صورة فوتوغرافية ملتقطة عبر زجاج ضبابي: النجوم الساطعة مرئية، لكن كل ما هو خافت يغرق في حجاب معتم. هذا الحجاب هو الضوضاء، تشويش عشوائي من الإلكترونيات والحرارة والغلاف الجوي نفسه. جزء من الضوضاء يتكرر من صورة إلى أخرى، مثل خدش على الزجاج، ويمكن حسابه وإزالته. خوارزمية ASTERIS تفعل ذلك بالضبط.

عادة ما يعني الجرم الأحمر البعيد شيئاً واحداً: أمامنا ستار من الغبار فوق قرص ملتهب يسقط في ثقب أسود. لكن عندما قام جيمس ويب بتحليل ضوئه إلى أطيافه، ظهر ظل بداخله – تماماً كما يعترض بخار الماء المغلي الأشعة. هذا يكشف عن درجة الحرارة: الغاز المتوهج ليس شديد الحرارة لدرجة البياض، بل دافئ فحسب، حوالي 2000-4000 درجة مئوية.

تلسكوب جيمس ويب ألقى نظرة على الكون المبكر ورأى العديد من النقاط الحمراء الغامضة. لم يكن توهجها يشبه المجرات المألوفة أو النجوم. كان الحل غير متوقع: إنها ثقوب سوداء نامية، وُلدت دون أن تمر بمرحلة النجم. سحابة الهيدروجين، متجاوزة مرحلة النشوء النجمي، تنهار مباشرة إلى عملاق كوني.

وجّه الفلكيون تلسكوب جيمس ويب نحو ثلاث مجرات يقطع ضوؤها مسافة 12 مليار سنة. أشارت البيانات الأولية إلى نمو سريع لا يُصدق — كأن رضيعاً بلغ طول شخص بالغ في عام واحد، مما يتعارض مع تمدد الكون.

يحمل الضوء القادم من المجرات البعيدة وصفة خفية - رمز لوني يكشف العناصر الموجودة بداخلها. لعقود، استخدم الفلكيون حيلًا مألوفة لفك شفرته، لكن تلسكوب جيمس ويب الفضائي يُظهر أن هذه الحيل تفشل مع المجرات الأولى. في ثلاث مجرات قديمة، وجد الباحثون عُقدًا غازية فائقة الكثافة مخبأة داخل سحب الهيدروجين الشاسعة.

بعض النجوم تنطفئ مثل الألعاب النارية المعيبة: فبدلاً من الانفجار المضيء، تظهر سحابة من الدخان. عادةً ما ينهي النجم الضخم حياته بانفجار مستعر أعظم، تاركاً وراءه ثقباً أسوداً. لكن أحياناً لا يحدث انفجار: فالنجم ينضغط مباشرة إلى ثقب أسود، ويكاد لا يُلاحَظ ذلك.

في مركز بقايا المستعر الأعظم SN 1987A، على بعد 168 000 سنة ضوئية من الأرض، يختبئ جسم يبحث عنه علماء الفلك منذ 37 عامًا. إنه أقرب مستعر أعظم انفجر أمام أعين التلسكوبات الحديثة، والوحيد الذي لم يُرَ بقاياه المدمجة مباشرة حتى الآن. في عام 2022، ميّز تلسكوب جيمس ويب لأول مرة خطوطًا ضيقة للأرجون والكبريت صادرة من قلب المقذوف.