عمليات التطور المجري

مدينة قديمة تكتسب ضواحي جديدة. في المركز أزقة ضيقة تكاد الحياة فيها تتجمد، بينما في الأطراف يزدهر البناء. هكذا تبدو المجرة الحلزونية المجرة التي شاخت نجوم نواتها منذ زمن بعيد، بينما ما زالت نجوم جديدة تولد في قرصها الخارجي.

حول نجمٍ بدأ للتو في الاشتعال، يدور دوام من الغبار والغاز. هذا الدوام — القرص الكوكبي الأولي (protoplanetary disk) — ينمو بامتصاص المادة من السحابة المحيطة. ولكن كيف تسقط هذه المادة بالضبط: هل تتدفق بالتساوي على طول "الحواف" أم تندفع في تيارات كثيفة منفصلة؟ درس علماء الفيزياء الفلكية تسعة أنظمة نجمية باستخدام محاكاة ثلاثية الأبعاد على حاسوب فائق.

على منحدر جبلي شديد الانحدار، قد يتسبب حجر واحد متساقط أحياناً في انهيار جليدي، وأحياناً أخرى يعلق. كل شيء يتوقف على حالة المنحدر. تمت دراسة انتقال مماثل من السكون إلى شلال من الأحداث باستخدام الأتومات الخلوي (cellular automaton) — نموذج مبسط حيث يمكن لكل خلية أن تنقل الإثارة إلى جيرانها وفقاً لقوانين احتمالية.

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.

تصادم المجرات يشبه رقصة بطيئة يتقارب فيها الشريكان تدريجيًا. وفي مركز كل مجرة يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة — دولاب موازنة غير مرئي كتلته تعادل ملايين أو مليارات الشموس. بعد اندماج المجرات، تبدأ هذه الثقوب السوداء بالتحرك نحو بعضها البعض، فاقدةً الطاقة بسبب الاحتكاك بالنجوم والغاز.

إذا أخذت قدرًا فيه ماء يغلي وأضفت حفنة من المعكرونة، فإنها سرعان ما تنضج وتلتصق ببعضها في كتلة واحدة. لكن في مرجل مطعم ضخم، حيث تسبح المعكرونة بحرية، تبقى كل واحدة منفصلة. مع المجرات قصة مشابهة: قوانين الحرارة المعتادة (الإنتروبيا) تعمل عندما لا تكاد الجسيمات تلاحظ بعضها البعض، أما في «قِدر» الجاذبية الضيقة، فالنجوم والغاز مرتبطون بشدة لدرجة أن القواعد المألوفة تنهار.

عندما فقد الكون المبرد بعد الانفجار العظيم تماثله البدائي، نشأت توترات في الحقول - تمامًا كما تظهر تشققات دقيقة في الزجاج أثناء تبريده. الأحاديات القطبية الشاملة التي تنبأ بها جيرارد ت هوفت وبولياكوف أصبحت بمثابة "ندوب" على جسد الوجود. كل أحادي قطب هو عقدة حقلية دقيقة لكنها هائلة الكتلة.

في قلب كل مجرة تقريبًا، يسبت ثقب أسود هائل ثقب أسود — قائد غير مرئي لأوركسترا النجوم. عندما تتصادم مجرات، تقترب وحوشها المركزية من بعضها، ملتفة في رقصة جذبية. أحيانًا ينضم شريك ثالث إلى الثنائي، وعندها تبدأ رقصة فالس ثلاثية، نتائجها غير متوقعة. عمل جديد قام بأداء هذه المسرحية لأول مرة داخل محاكاة حية تتنفس بالغاز والمادة المظلمة، واكتشف: الثالث ليس زائداً على الإطلاق.

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.

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.

تولد النجوم في سحب باردة من الغبار الكوني والهيدروجين. داخل هذه الشرانق، طالما اعتُبرت النجوم الأولية — نوى النجوم المستقبلية — مجرد كتل ساخنة. لكن اتضح أن العديد منها عبارة عن مسرعات قوية: تقذف نفاثات ضيقة من الغاز، والتي عند اصطدامها بالمادة المحيطة، تولد ضوء غاما غير المرئي.

في مركز مجرة بعيدة، يحيط بالثقب الأسود فائق الكتلة قرص مسطح دوار من الغاز والغبار — قمع عملاق يحتوي مادة كونية. قد يظهر في هذا القرص جسم مضغوط صغير، مثل ثقب أسود آخر بكتلة نجمية. يتحرك على طول مداره، لكنه من وقت لآخر يخترق القرص بالكامل، مثل إبرة تخترق القماش. كل اختراق من هذا القبيل هو لقاء مع مقاومة الغاز، مما يغير مساره تدريجياً.

الرسام يرسم لوحة بورتريه ضربة فرشاة تلو الأخرى، ثم يُعرض عليه كاميرا مع فلاش — نقرة واحدة، وينتهي الأمر. هذا تقريباً شكل الانتقال من النماذج متعددة الخطوات إلى النماذج أحادية الخطوة في توليد صور المجرات. الشبكات العصبية التعلم العميق في التصوير الطبي المعتادة لتوليد الصور تعمل مثل رسام الألوان المائية: تضع طبقة، تمزج الألوان، تضيف تفاصيل.

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.

تتطلب دراسة ولادة المجرات نمذجة مليارات السنين من نمو المادة المظلمة وتشكل النجوم - حتى الحواسيب العملاقة تنجز ذلك ببطء. جاء الحل من مجال التعلم الآلي: شبكة عصبية، مثل طباخ بارع، تقيّم المجرة المستقبلية فورًا من خلال "وصفة" اندماجات المادة المظلمة - كتلتها، سطوعها، تركيبها الكيميائي.

يستغرق الضوء القادم من مجرة التنين البعيدة أكثر من سبعة مليارات سنة للوصول إلينا. في طريقه، يمر بجوار عنقود مجرات ضخم تعمل جاذبيته على انحناء مسار الضوء، مثل العدسة. لذلك تبدو لنا المجرة أكثر سطوعاً وأكبر مما هي عليه في الواقع — تماماً كما تكبّر العدسة المكبرة النص الصغير. داخل هذه العدسة الكونية توجد أيضاً نجوم منفردة.

يرث النجم التركيب الكيميائي للسحابة الغازية — كما يرث الطفل جينات والديه. حوّل الفلكيون ذلك إلى منهجية: فبناءً على نسبة الكربون والعناصر الأخرى، المُقاسة بواسطة التحليل الطيفي (تفريق الضوء إلى ألوانه)، يُنشئون أشجار أنساب لنجوم المجرة. يشبه ذلك علم الأنساب، لكن بدلاً من الحمض النووي، نستخدم الكيمياء.

ارمِ حصاتين متطابقتين من قمة جبل: إذا سقطت إحداهما سنتيمترًا إلى اليسار، فبعد دقيقة ستجد نفسيهما في واديين مختلفين. المجرة هي نفس الجبل، لكن فيها مليارات الحصى، والمنحدر يمتد لملايين السنين. قام مؤلفو الدراسة الجديدة بمحاكاة قرص من 40 مليون نقطة-نجمة واختبروا مدى سرعة نسيانه لمكانه في البداية. اتضح أنه ينسى بشكل شبه فوري. الزمن الذي يتضاعف فيه الاختلاف بين مجرتين شبه متطابقتين أقل من 0.1 مليون سنة.

في السحابة، تعلق آلاف القطرات المائية الصغيرة في الهواء. لكي يهطل المطر، يجب أن تكبر: أن تلتصق ببعضها لتشكل قطرات كبيرة وتصبح ثقيلة بما يكفي لتسقط على الأرض. ولكن كيف تجد القطرات بعضها البعض في سحابة ضخمة؟ ابتكر العلماء نموذجًا حاسوبيًا يتتبع كل قطرة على حدة — وكأن لكل قطرة مستشعرًا صغيرًا خاصًا بها. يغطي النموذج عمود الهواء بأكمله من الأرض إلى قمة السحابة.

المجرات الأخرى مجرد لقطات قديمة، بينما درب التبانة نراقبها حية. بمقارنة بيانات 30 عاماً، اكتشف العلماء أن مركز المجرة يتسارع وكأنه يزداد نشاطاً: الثقب الأسود فائق الكتلة ازدادت كتلته، حيث يبتلع سنوياً كتلة تعادل كتلة كويكب كبير؛ القضيب النجمي (شريط ضخم من مليارات النجوم، يشبه ذراع دوامة ضخمة) أصبح يدور بسرعة تزيد 5%؛…

الفقاعات العملاقة هي هياكل كونية هائلة تشبه فقاعات الصابون، لكن بدلاً من غشاء الصابون، يتكون غلافها من غاز بين نجمي مخلخل، ولا تنفخها زفرة، بل انفجارات متتالية من المستعرات العظمى. في المحاكاة الحاسوبية، تتصرف هذه الأجسام تقريبًا ككائنات حية: فهي تتمدد، تبرد، وتتحرك. ومع ذلك، لفترة طويلة، لم يتمكن العلماء من تتبع حدودها بدقة — فالطبيعة الديناميكية المضطربة جعلت ملامحها ضبابية.

عادةً ما تُفسَّر الشعاب المرجانية الحلقية — الأتولات — على النحو التالي: تنمو الشعاب المرجانية على طول حافة جزيرة بركانية، بينما تغرق الجزيرة نفسها ببطء. ويبقى حلقة فارغة قد تمتد لعدة كيلومترات. لكن صور الأقمار الصناعية تُظهر حلقات مماثلة حتى عند الشعاب الصغيرة جدًا، حيث لا توجد براكين ولا هبوط. أحيانًا توجد حلقات صغيرة داخل الأتولات الكبيرة — مثل حلقات داخل حلقات.

يشبه الكون شبكة عنكبوتية عملاقة: فالمجرات ليست متناثرة عشوائيًا، بل تتجمع في عُقد وعلى امتداد خيوط. داخل الخيوط توجد كميات كبيرة من الغاز، وهناك غالبًا ما تتوهج نجوم جديدة. ولكن كيف تغير هذا الأمر مع مرور الزمن؟ قارن العلماء بيانات من نموذج حاسوبي مع ملاحظات حقيقية لآلاف المجرات. اتضح أنه في الكون الفتي، كانت المجرات التي تشهد ولادة نجوم عنيفة تقترب بالفعل من الخيوط.

عندما يموت نجم ضخم وينفجر، فإنه يقذف ليس فقط الضوء، بل أيضًا جسيمات خفيفة غير مرئية. تنتشر هذه الجسيمات في جميع الاتجاهات بسرعة تقارب سرعة الضوء. لا يصل إلى الأرض سوى جزء صغير، ولكن من كل وميض تأتي دفعة خاصة. هذه الدفعات تتمدد على طول الطريق: الجسيمات السريعة تتجاوز البطيئة، وبحلول وقت الوصول قد تتمدد الدفعة على مدى عشرات الآلاف من السنين.

العنقود المجري يشبه تقاطعًا مزدحمًا حيث تندفع المجرات-السيارات عبر رياح معاكسة من الغاز الساخن. هذه الرياح، المسماة بضغط الدفع (ram pressure)، تقتطع من المجرات مخزونات الغاز البارد — وقود ولادة النجوم. تابع علماء مسح SAMI كيف يحدث هذا لدى مئات المجرات في ثماني عناقيد قريبة. قسّموا المجرات إلى ثلاث مجموعات حسب شكل الهيدروجين المتوهج: هادئة، مائلة، ومبتورة.

تخيل طريقًا سريعًا: تدفق السيارات المنتظم يتحول فجأة إلى ازدحام بسبب تباطؤات عشوائية — شخص ما خفف سرعته، وموجة الكثافة انتشرت للخلف. في الكون الفتي، كان التوسع العام بعد الانفجار العظيم يشبه تلك الحركة المنتظمة: المجرات كانت تتباعد خاضعة للتدفق هابل العالمي. لكن كل مجرة كانت أيضًا تقوم بمناورات خاصة بها — تتباطأ أو تتسارع تحت تأثير جاذبية جيرانها.

في 9 أكتوبر 2022، رصدت كواشف أرضية انفجار غاما بقوة غير مسبوقة. كان GRB 221009A شديد السطوع لدرجة أن إشعاعه أيّن الطبقات العليا من الأيونوسفير، بينما تعمّت أجهزة الأقمار الصناعية مؤقتًا. في طيف هذا الانفجار، ميّز علماء الفلك لأول مرة بشكل موثوق سلسلة من خطوط الانبعاث التي تغيّرت طاقتها مع الزمن وفق قانون أُسّي.

المجرة غابة لا تبدأ طيورها بالغناء فورًا. يجب أولاً أن تنمو الأشجار - النجوم - التي تظهر حولها الكواكب بمرور الوقت. تحسب معادلة دريك عدد الطيور التي قد تغني في هذه الغابة الآن، لكنها تفترض ضمنيًا أن عددها لا يتغير: ما هو موجود الآن هو ما كان موجودًا دائمًا. العمل الجديد يزيل هذا القيد ويُظهر كيف نما جوق الحضارات، وكيف خفت، وكيف يمكن أن يعلق في حالات غريبة.