حركية المجرات

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.

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.

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.

المجرة تشبه طريقًا سريعًا كونيًا، حيث تندفع النجوم-السيارات في مدارات دائرية. سرعتها تحددها "الحمولة" غير المرئية من الكتلة الموجودة داخل المدار: كلما كانت المنطقة المركزية أضخم، زادت سرعة النجوم في الأطراف.

ذراع نهر نجمي يلتف حول مركز مجرة بعيدة، مثل شريط مضيء على إطار غير مرئي. هذا الإطار هو الهالة المظلمة: سحابة ضخمة من المادة المظلمة غير المرئية، والتي تمسك النجوم والغاز بجاذبيتها. إذا كانت الهالة مفلطحة مثل القرع، أو مستطيلة مثل الشمام، فإن التيار النجمي سينحني بشكل مختلف. العلماء من فريق Potamides تتبعوا انحناءات 15 تيارًا في مجرات أخرى، ولأول مرة حصلوا على شكل الهالة منها.

تشبه المجرة فطيرة مضيئة مرصعة بالنجوم. إذا نظرت إليها بشكل مسطح، ترى كل شيء دفعة واحدة — الأذرع الساطعة والطبقات الداكنة من الغبار. لكن بمجرد إمالة الفطيرة، يتغير المشهد: تتراكب الطبقات ويختلط الضوء. هذا التأثير بالذات، كما اتضح، يخلق وهم الارتباط الوثيق بين إشعاع الراديو وأشعة غاما في الأنظمة النجمية البعيدة.

إذا ألقيت حفنة من اللمعان في نهر، فبعضها سيطفو مباشرة، وبعضها سيدور في دوامات صغيرة. مع المجرات في الكون يحدث شيء مشابه: فهي لا تبتعد فقط بسبب التوسع، بل تدور أيضًا في تيارات هائلة، مثل شظايا الخشب في دوامات غير مرئية. هذه الدوامات — التفاف الغاز الكوني والمادة المظلمة — هي أثر بالغ الأهمية لكيفية نمو الكون وتزايد تعقيده.

إذا أخذت كرتين ثقيلتين وباعدت بينهما مسافة متر واحد، فسوف تتجاذبان بقوة تضعف أربع مرات عند مضاعفة المسافة. هذا القانون اكتشفه نيوتن، وهو يعمل في الغرفة، وفي النظام الشمسي، وفي المجرة. لكن هل يظل صحيحًا عندما يتعلق الأمر بمئات الملايين من السنوات الضوئية؟ وجد علماء الفلك طريقة لاختبار ذلك مباشرة.

في السابق، كان علماء الفلك يحسبون كتلة المجرات كما لو كانت كرات مثالية. لكن المجرة عبارة عن قرص مسطح كالرقاقة. النموذج الجديد «المفقود والمعثور عليه» يأخذ الشكل الحقيقي في الحسبان: فهو يجمع قوى الجاذبية من جميع أجزاء القرص، وليس فقط من الانتفاخ المركزي.

في السحب الباردة من الغاز بين النجوم، تمتد خيوط كثيفة طويلة. وفيها، كما في الحاضنات الممتلئة، تنضج نجوم المستقبل. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن كل شيء داخل هذه الخيوط يخضع للجاذبية: المادة تتدفق بسلاسة نحو المراكز حيث تزداد الكثافة وفي النهاية يتوهج نجم. لكن الملاحظات الجديدة تظهر صورة مختلفة.

عندما تدور النجوم في أطراف المجرات أسرع مما تتنبأ به الحسابات بناءً على الكتلة المرئية، يستدعي علم الكونيات القياسي فرضية المادة المظلمة الخفية — وهي مادة غير مرئية لا تُظهر نفسها إلا من خلال الجاذبية. يقدم العمل الجديد بديلاً لا يتطلب إدخال جسيمات جديدة.

تدور النجوم على أطراف المجرات بسرعة فائقة غير متوقعة. وفقاً لنيوتن، كلما ابتعدنا عن المركز، يفترض أن تتباطأ الحركة — كما في حلقة الرقص، حيث يتحرك الراقصون على الأطراف ببطء. لكن في الواقع، تندفع أطراف المجرات بسرعة تقارب سرعة النواة، مما يشبه دوامة الخيل الضخمة: حيث تجري الخيول الخارجية أسرع لتلحق بالداخلية. لكن المجرة لا تحتاج إلى محرك — فهي تدور بنفسها.

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 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.

كوكب عملاق يدور قريبًا جدًا من نجمه. في كل دورة، يجذب الكوكب النجم بجاذبيته، فتنشأ في أعماق النجم موجات تشبه الدوائر التي تتكون عند رمي حجر في الماء. هذه الموجات تثبط مدار الكوكب، فيسقط الكوكب في النجم بشكل حلزوني. يبتلع النجم الكوكب ويبدأ في الدوران بشكل أسرع. دوران النجم هو مفتاح الحل.

خذ قمة دوّارة للأطفال وأطلقها على الطاولة. ستدور بثبات، وستتحرك جميع أجزائها في اتجاه واحد. والآن ارْمِ حفنة من الخرز على الأرض وانفخ فيها — ستتطاير كل خرزة في اتجاه. هكذا تقريبًا يميز علماء الفلك بين نوعين من المجرات الكبيرة: "القمم الدوّارة" (الدوارات السريعة) و"الخرز" (البطيئة ذات الحركة العشوائية للنجوم).

خريطة مدينة، حيث الشوارع هي سرعات السيارات، والمباني هي محتوى المعادن في النجوم. على مثل هذه الخريطة يمكنك أن تفهم أين المركز وأين الأطراف، حتى دون معرفة المسافات الدقيقة. هذا هو النهج الذي طبقه علماء الفلك على مجرتنا، مستخدمين مخططات «خط الطول – السرعة» (ℓ–v).

قام التلسكوب الفضائي Gaia بقياس سرعة دوران أكثر من مائة ألف نجم. اتضح أن سرعة الدوران تعتمد على درجة حرارة النجم. في النجوم الأبرد من 6500 درجة، تتحرك السطح بسرعة تتراوح بين 10 و20 كيلومترًا في الثانية. ولكن بمجرد أن يصبح النجم أكثر سخونة، تقفز السرعة فجأة إلى 100 كيلومتر في الثانية.

على المقاييس الكبيرة، يشبه الكون شبكة عنكبوت هائلة: عناقيد المجرات الساطعة مترابطة بخيوط طويلة من المجرات والغاز والمادة المظلمة. كان يُعتقد سابقًا أن المادة تتدفق عبر هذه الخيوط نحو العناقيد، كما تتدفق عبر الأنابيب. لكن دراسة جديدة تُظهر أن الخيط بين عنقودين ليس مجرد قناة، بل ساحة لشد الحبل.

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.

الفورتونات هي أطواق كونية غير مرئية، حلقات مغلقة من الزمكان المنحني. أرق من الذرة لكنها أثقل من النجوم، تدور هذه البقايا من الانفجار العظيم مثل دوامات عملاقة، ملتفة بكل ما حولها. معادلات أينشتاين تصف كيف ترقص الجسيمات قرب هذا الطوق: المسارات إما تلتف في لوالب أو تتحرك بفوضوية.

في عام 2019، قدّم تلسكوب Event Horizon للبشرية أول صورة لظل ثقب أسود. ومنذ ذلك الحين، يحلم علماء الفيزياء الفلكية بالمزيد: رؤية كيفية تحرك المادة داخل قمع الزمكان نفسه. ومن الألغاز المطروحة: الفوضى. تتنبأ النظرية بأن مدارات الجسيمات حول الثقب الأسود قد تكون منتظمة مثل نبضات القلب، أو فوضوية مثل الضجيج.

يُكمل النظام الشمسي دورة كاملة حول مركز درب التبانة كل 210 ملايين سنة. آخر مرة كنا فيها على هذا الجانب من المجرة كانت عندما كانت الديناصورات المبكرة تجوب الأرض. هذا الرقم، 243.72 كم/ث، أمكن تحسينه بفضل نجوم نادرة تندفع عبر المجرة مثل قذائف المدفع. النجوم عالية السرعة هي مسابر تستكشف الحقل الثقالي للمجرة.