فريتز زفيكي

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.

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.

الموجة الثقالية هي تذبذب في نسيج الزمكان نفسه، ينشأ مثلًا عن اندماج الثقوب السوداء. تخيلها كقرع جرس في الليل: من شدة الصوت يمكن تقدير المسافة إلى المصدر. لكن لمعرفة السرعة التي يتمدد بها الفضاء نفسه — «الليل» في تشبيهنا — نحتاج عادةً إلى إشارة ثانية: وميض كهرومغناطيسي (ضوء) أو بيانات من كتالوج مجرات ذات انزياح أحمر معروف.

في عام 1929، وجّه إدوين هابل تلسكوبه نحو المجرات البعيدة واكتشف أنها تبتعد عنا. وبعد تسعين عامًا، قياسان لسرعة هذا التباعد — أحدهما من الضوء القديم والآخر من النجوم القريبة — يرفضان بعناد التوافق. فارق 9% لا يمكن إرجاعه إلى خطأ في القياس. وكأن الكون في طفولته وفي نضجه يعيش بساعتين مختلفتين. تخيّل أرجوحة خشبية.

في أغسطس 2019، رصد كاشفا LIGO وVirgo الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج جرمين مضغوطين في نظام نجم ثنائي. كان أحدهما يزن 23 كتلة شمسية — ثقبًا أسود عاديًا. أما الآخر فكانت كتلته 2.5–2.67 M⊙.

في لعبة الكريكيت، هناك رمية خاصة تُدعى الغوغلي. الكرة تطير بحيث يخدع دورانها الضارب. وفي الفيزياء كان هناك غوغلي خاص بنا: لما يقرب من نصف قرن، لم يستطع علماء الرياضيات جعل نظرية التوستورات تعمل مع الجاذبية الحقيقية. لقد وصفت بدقة الحقول «المريحة»، حيث يكون كل شيء ملتويًا في اتجاه واحد. ولكن بمجرد ظهور مكوّن «غير مريح» — كان الجهاز ينهار.

النموذج القياسي لعلم الكون، المعتمد على معادلات المجال التي اقترحها أينشتاين، يصف الكون كمزيج من المادة المظلمة (التي اكتُشفت بفضل فيرا روبين) والطاقة المظلمة بنسبة تقارب 1:3.

الزمكان ليس فارغًا؛ إنه يرتجف. بعد الانفجار العظيم، ملأ الكونَ طنينٌ من الموجات الثقالية، يشبه الطنين العميق لجرسٍ هائل. وفي هذه التموجات، كما تبيّن مؤخرًا، قد تولد جسيمات المادة المظلمة — تلك المادة غير المرئية التي تربط المجرات ببعضها. لكن الفكرة السابقة كانت تعترضها عقبة.

هل الثابت الكوني لأينشتاين خطأ مزعج أم بصيرة عادت كالبوميرانغ؟ تسارع الكون فاجأ الفيزيائيين: نموذج ΛCDM يعمل، لكن لماذا طاقة الفراغ صغيرة بشكل سخيف؟ تخيل محيطًا يعج بالتقلبات الكمومية، لكن على السطح لا يوجد سوى تموج مجهري. مشكلة الضبط الدقيق تتطلب أفكارًا جديدة، وهي تأتي من اتحاد غير متوقع: الحساب الكسري والمبدأ الهولوغرافي.

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.

ألقِ حصاتين في بركة في الوقت نفسه — ستنتشر الدوائر في الماء بانضباط وانسجام. هكذا الحال في مقياس التداخل الكمومي (quantum interferometer): يُقسَّم الجسيم إلى موجتين تسيران في مسارين مختلفين ثم تلتقيان. في الحالة المثالية، تتطابق قممهما. لكن إذا مرّ شيء غير مرئي عبر إحدى الموجتين — مثل جسيم من المادة المظلمة — فإن التطابق يختل.

المنارة تارة تتوهج وتارة تكاد تنطفئ، رغم أن المصباح بداخلها يضيء بثبات. هذا بالضبط ما رآه علماء الفلك عندما وجهوا التلسكوبات نحو المجرة I Zwicky 1. في مركزها يجلس ثقب أسود فائق الكتلة يلتهم الغاز والغبار بنهم شديد لدرجة أن قرصًا ملتهبًا يتشكل حوله، يتوهج أشد سطوعًا من مجرة بأكملها.

قِدر الماء المغلي يغلي ويهرس كل ما بداخله. بمجرد رفعه عن النار، يهدأ الغليان ويبرد الماء ببطء. هكذا هو الكون: بعد الانفجار العظيم مباشرة، كان «حساءً» حارقًا من الجسيمات التي كانت تتصادم باستمرار وتتحول إلى بعضها البعض. لكن مع تمدد الكون، برد الفضاء، وأصبحت الجسيمات تلتقي ببعضها بشكل أقل فأقل.

لا تزال المادة المظلمة تفلت من المراقبة المباشرة، رغم أن جاذبيتها تمسك المجرات معًا. إحدى الفرضيات: أنها تتكون من أكسيونات — جسيمات خفيفة جدًا تنبأت بها النظرية. ميزتها: في حقل مغناطيسي قوي، يمكن للأكسيون أن يتحول للحظة إلى فوتون — ومضة ضوء صغيرة.

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.

السماء الليلية مليئة بالنجوم، لكنها ليست سوى جزء صغير من كل ما يوجد في الكون. لاحظ علماء الفلك منذ زمن طويل أمرًا غريبًا: المجرات تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنه كان ينبغي أن تتناثر، لكنها لا تتناثر. شيء غير مرئي يمسكها معًا، مثل خيوط خفية تربط الخرزات على عجلة دوارة. هذا «الشيء» سُمي المادة المظلمة. إنها لا تُضيء، ولا تعكس الضوء، لكنها تجذب المادة العادية.

في عام 2019، شهد العملاق الأحمر الفائق منكب الجوزاء (Betelgeuse) "التعتيم العظيم"، حيث انخفض سطوعه بشكل كبير لدرجة أن علماء الفلك تحدثوا عن انفجار وشيك. لكن السبب كان سحبًا من الغبار الكوني التي قذفها النجم نفسه. الآن، تمكن تلسكوب جيميني الشمالي (Gemini North) من تمييز نجم صغير رفيق في وهج منكب الجوزاء المبهر، وهو الرفيق الذي توقعت الحسابات النظرية وجوده سابقًا.

المادة المظلمة هي الهيكل الخفي للكون، الذي كشفت عن وجوده دوامات المجرات منذ زمن فريتز زفيكي وفيرا روبين. وظل تكوينها لغزاً طيلة نصف قرن. ترسم الفرضية الجديدة صورة غير مألوفة.

جسيمات المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولا تمتصه — قد تظهر خصائص تشبه العسل الأسود. في أحد النماذج النظرية، تتحرك هذه الجسيمات بحرية دون أن تتفاعل مع بعضها؛ وفي نموذج آخر، تتعرض لتصادمات ضعيفة تولّد نوعًا من اللزوجة.

قرص درب التبانة النجمي هو كقرص دوار لامع، أما المادة المظلمة فسحابة غير مرئية تحيط به. لأول مرة، تم قياس شكله بدقة. تتبّع علماء الفلك حركة ملايين النجوم وبنوا خريطة ثلاثية الأبعاد لـ الهالة المظلمة حتى مسافة 160 ألف سنة ضوئية.

ضوء مجرة بعيدة انقسم إلى صورتين، ثم ثلاث، ثم أربع، وفي المركز ظهرت صورة خامسة شبحية. هكذا تبدو HerS-3: مجرة فتية مليئة بالغبار والنجوم حديثة الولادة، مرّ ضوءها عبر عدسة تثاقلية (gravitational lens)، وهي جسم ضخم يحني الأشعة كما تحني عدسة مكبرة الضوء. عادةً ما تعطي العدسة أقواسًا أو حلقات، لكن هنا تشكل صليب أينشتاين: أربع صور لمصدر واحد مرتبة حول مركز غير مرئي. وهذا المركز ليس فارغًا.

في بركة النجوم التي هي درب التبانة، ألقى أحدهم حجرًا غير مرئي. لم تنتشر تموجاته على الماء، بل على حركة النجوم: في منطقة تبلغ أبعادها 200 × 50 فرسخًا فلكيًا، تبين أن متوسط سرعتها الرأسية أقل بمقدار 7 كم/ث من جيرانها. الانحراف ذو دلالة إحصائية عند مستوى 6σ، أي لا يمكن تفسيره بالصدفة. يقع الشذوذ على بُعد حوالي 3.9–4.0 كيلو فرسخ فلكي منا، في اتجاه كوكبة الحية.