عنقود مجري

في الليل، يضيء الكشّاف في الضباب أضعف مما يضيء في النهار: قطرات الماء الدقيقة تبعثر الشعاع، فتغرق الأجسام البعيدة في حجاب عكر. وعلى نحو مشابه، تضيع الموجات الراديوية الصادرة عن النجوم النبضية في الوسط بين النجمي عندما يتكدّس عدد كبير من الإلكترونات الحرة بيننا وبين النجم.

ساكن وسط المدينة الصاخب يحزم حقيبته يومًا ما وينتقل إلى ضاحية هادئة. يحدث الشيء نفسه مع العناقيد المجرية، لكن بدل الحقيبة لديهم نجوم، وبدل الانتقال مليارات السنين من الانجراف عبر القرص. بيركلي 36 هو عنقود مفتوح (open cluster)، أي مجموعة نجوم وُلدت معًا من سحابة واحدة.

تعداد سكاني حسب شكل الجسم: هكذا يمكن وصف ما فعله علماء الفلك مع 6348 مجرة ضخمة. بدلاً من الطول والوزن، قاسوا مدى تركيز الضوء نحو المركز، ومدى تفلطح المجرة، ومدى عدم تناظر شكلها. ثم أجروا نفس القياسات على المجرات من ثلاثة نماذج حاسوبية للكون وقارنوا النتائج. كل نموذج يشبه فناناً يرسم صورة شخصية من الذاكرة: يلتقط الملامح العامة لكنه يخلط في التفاصيل.

في عائلة نجوم مجرة العنقاء، هناك خمسة عناقيد كروية قديمة، أما السادس فقد اعتُبر لفترة طويلة طفلاً لقيطًا. الجسم المعروف باسم Fornax 6، الواقع على بُعد 270 فرسخًا فلكيًا فقط من مركز المجرة، بدا وكأنه تكثف عشوائي لنجوم الخلفية أو مجموعة متراصة من المجرات البعيدة. تساءل علماء الفلك عما إذا كان يستحق أن يُطلق عليه اسم عنقود.

الغابة الليلية مليئة باليراعات، لكننا في السابق كنا نرى فقط تلك التي صادف وجودها في شعاع المصباح اليدوي. هكذا كان الحال مع مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع، وهي نقاط في مجرات أخرى تتوهج في الأشعة السينية بشكل أكثر سطوعًا مما يمكن أن يشعه ثقب أسود نجمي الكتلة بشكل مستقر.

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 كل مجرة توجد هالة غير مرئية من الغاز البارد. تمتد بعيدًا إلى ما وراء حدود القرص النجمي، وتعمل في الوقت نفسه كمستودع للوقود لنجوم جديدة ومقبرة للمادة المطرودة.

في مجرة بعيدة، كان من المفترض أن يروي الضوء الصادر عن الغاز الساخن قصة تكوينها. حلل تلسكوب جيمس ويب هذا الضوء إلى طيف، ورأى علماء الفلك أن خطوط الأكسجين ضعيفة جدًا. بدا الاستنتاج واضحًا — المجرة لا تحتوي تقريبًا على عناصر أثقل من الهيليوم، وهي من تلك الأنظمة البدائية التي لم يتح لها الوقت لتُثرى بالمعادن. لكن الأمور لم تكن بهذه البساطة.

تبدو السماء ليلًا سوداء تمامًا، لكن التلسكوبات الحديثة تميز ملايين المجرات، ومع ذلك فإن بعض الأجسام شديدة الخفوت لدرجة أنها تكاد تندمج مع التوهج الخلفي. هذا بالضبط ما رصده علماء الفلك بالصدفة أثناء مراقبة عنقود العذراء بتلسكوب يبلغ قطره مترين في مرصد تيد. حصلت المجرة على التسمية TTT J1237327+143535.

المجرات الباهتة المنتشرة في عنقود برشاوس تشبه أشباحًا بين جيرانها الساطعة: فهي منتثرة إلى درجة تتخللها الأجسام البعيدة، وعدد نجومها أقل بمئات المرات من نجوم مجرتنا درب التبانة.

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.

تبدو السماء ليلاً سوداء، لكن إذا أزلت النجوم وجمعت الضوء لفترة طويلة، سيظهر توهج خافت — وهو الضوء الكلي لجميع المجرات التي وُلدت على مدى 13.8 مليار سنة. يطلق عليه علماء الفلك اسم الضوء الخلفي خارج المجري. قبل عشرين عامًا، اكتشفت تجربة الصواريخ CIBER خلال 220 ثانية من المراقبة أن هذه الخلفية في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة تومض بقوة أكبر مما يجب أن تعطيه المجرات المعروفة.

تبدو السماء ليلاً سوداء، لكن إذا أزلت النجوم وجمعت الضوء لفترة طويلة، سيظهر توهج خافت — وهو الضوء الكلي لجميع المجرات التي وُلدت على مدى 13.8 مليار سنة. يطلق عليه علماء الفلك اسم الضوء الخلفي خارج المجري. قبل عشرين عامًا، اكتشفت تجربة الصواريخ CIBER خلال 220 ثانية من المراقبة أن هذه الخلفية في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة تومض بقوة أكبر مما يجب أن تعطيه المجرات المعروفة.

تبدو السماء ليلاً موحدة، لكنها في الحقيقة تحتوي على تكتلات — مجتمعات هائلة من المجرات تعمل كعدسات تعمل على انحناء ضوء الأجسام البعيدة. عندما يحدث انفجار راديوي قوي قصير في مكان ما من الكون، قد يمر مساره نحو التلسكوب الأرضي بالقرب من إحدى هذه التكتلات. التقط التلسكوب الراديوي الكندي CHIME على مدى عدة سنوات مئات الانفجارات الراديوية السريعة — ومضات تدوم أجزاء من الثانية.

تبدو السماء ليلاً موحدة، لكنها في الحقيقة تحتوي على تكتلات — مجتمعات هائلة من المجرات تعمل كعدسات تعمل على انحناء ضوء الأجسام البعيدة. عندما يحدث انفجار راديوي قوي قصير في مكان ما من الكون، قد يمر مساره نحو التلسكوب الأرضي بالقرب من إحدى هذه التكتلات. التقط التلسكوب الراديوي الكندي CHIME على مدى عدة سنوات مئات الانفجارات الراديوية السريعة — ومضات تدوم أجزاء من الثانية.

تخيل محاسبًا أحصى جميع المصانع والمستودعات والمتاجر، لكن الميزان لم ينطبق – نصف البضاعة يبدو وكأنه تبخر. هكذا تقريبًا بحث علماء الفلك لعقود عن المادة العادية في الكون الحالي. النجوم، الغاز في المجرات، البلازما في العناقيد – كل هذا معًا لم يعطِ سوى جزء مما يجب أن يكون وفقًا للحقب المبكرة.

مجرة أندروميدا هي أقرب جار كبير لنا، ومثل درب التبانة، تمتلك عباءة غازية غير مرئية. تمتد هذه العباءة من غاز ساخن جدًا ومخلخل لمئات الآلاف من السنوات الضوئية. يكاد يكون من المستحيل رؤيتها مباشرة، فالغاز باهت جدًا. ولكن عندما يمر ضوء كوازار بعيد عبر هذه الهالة، يترك الغاز "بصماته" في طيف الضوء — خطوط امتصاص داكنة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان من المفترض أن تنشأ المادة والمادة المضادة بكميات متساوية، وفقًا لقوانين التناظر في فيزياء الجسيمات الأولية. لكن اليوم، ما يحيط بنا هو المادة العادية (بروتونات، نيوترونات، إلكترونات)، بينما المادة المضادة (مضادات البروتونات، البوزيترونات، إلخ) نادرة الوجود.

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.

التلسكوب الراديوي، كأذن حساسة، يلتقط همس المجرات البعيدة المجرة. بين هذا الضجيج يختبئ عمالقة — مصادر راديوية عملاقة. وهي سحب من الجسيمات المشحونة المنبعثة من محيط الثقب الأسود فائق الكتلة. تمتد على ملايين السنين الضوئية — أكبر بعشرات المرات من مجرة درب التبانة. قام علماء الفلك بتمشيط مسح السماء TGSS ADR1 ووجدوا 5595 من هذه الأجسام.

الغاز الساخن في عناقيد المجرات يتوهج في نطاق الأشعة السينية، وجزء كبير من هذا الضوء يأتي من ذرات الحديد التي فقدت العديد من الإلكترونات – وهي ما تسمى بالأيونات عالية التأين. تترك هذه الذرات في الطيف خطوطًا ساطعة مميزة تشبه بصمات الأصابع: كل خط يتوافق مع انتقال معين للإلكترون بين مستويات الطاقة.

العملاق الأحمر في تجمع نجمي كروي هو نجم في مرحلة متأخرة من التطور، وهو بمثابة "نجم متقاعد". لقد استنفد الهيدروجين في نواته وأصبح الآن يحافظ على الاحتراق في طبقة رقيقة حول النواة الهيليومية. خلال هذه المرحلة، يزداد لمعانه ببطء حتى يحدث وميض الهيليوم — اللحظة التي تشتعل فيها النواة فجأة من جديد.

تبدو السماء ليلاً وكأنها حفنة عشوائية من النجوم. لكن عند النظر إليها عبر مسافات شاسعة، يختفي الفوضى. تتجمع المجرات في خيوط طويلة وجدران مسطحة، وتتسع بينها فراغات هائلة — الفراغات الكونية. يُطلق على هذا البناء اسم الشبكة الكونية. لوصف مثل هذا النظام المعقد، لا يكفي مجرد النظر إلى الصورة. نحتاج إلى أداة رياضية تلتقط تكرار النمط.

مترجم يشتت انتباهه عند كل حفيف في القاعة قد يحوّل اجتماعًا مدته ساعة إلى ساعتين. نبرة خاطئة واحدة تغيّر المعنى تمامًا. هذا ما يفعله الغرافيتينو تقريبًا — جسيم افتراضي بسبين 3/2 (عدد كمي يصف الدوران الداخلي للجسيم). لا يمكنه أن يوجد بمفرده: «حديثه» يجب أن يكون متناغمًا تمامًا مع محيطه، وإلا انهار البناء النظري بأكمله.

التجمع الكروي (globular cluster) — سرب كثيف من مئات الآلاف من النجوم — يخترق المجرة مثل رصاصة تخترق الماء. في المادة المظلمة العادية (الكتلة غير المرئية التي تمسك المجرات)، يجب أن يفقد سرعته بسرعة بسبب الاحتكاك المدّي (dynamical friction). لكن في المجرة القزمة الكور، العديد من هذه التجمعات لم تسقط بعد نحو المركز. يسمي علماء الفلك هذا "مشكلة الزمن".

تبعد المجرة NGC 4254 عن مركز عنقود العذراء المجري مسافة مليون ونصف سنة ضوئية. تجر خلفها ذيلاً طويلاً من الهيدروجين المبرد — علامة على أنها تصطدم بسرعة عالية بـ الغاز الساخن. فقدان الوقود البارد يخمد ولادة نجوم جديدة.

في المجرة الحلزونية الألعاب النارية — 6410 مشتلاً نجمياً. هذا هو عدد المناطق التي تولد فيها الآن نجوم ضخمة، كشفت عنها الخوارزمية في صور قديمة فوق بنفسجية من هابل. ليست مجرد بقع على الصورة — لكل منها حدود واضحة، كدولة على خريطة كنتورية.

يشبه الكون هيكلًا خفيًا ضخمًا. لا نراه مباشرة، لكننا نعلم بوجوده: فالمجرات وعناقيدها تتماسك بفضله. هذا الهيكل هو المادة المظلمة، وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية. النسخة الأكثر شيوعًا تقول إنها «باردة» وتتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة.

تبعد المجرة NGC 4254 عن مركز عنقود العذراء المجري مسافة مليون ونصف سنة ضوئية. تجر خلفها ذيلاً طويلاً من الهيدروجين المبرد — علامة على أنها تصطدم بسرعة عالية بـ الغاز الساخن. فقدان الوقود البارد يخمد ولادة نجوم جديدة.

في المجرة الحلزونية الألعاب النارية — 6410 مشتلاً نجمياً. هذا هو عدد المناطق التي تولد فيها الآن نجوم ضخمة، كشفت عنها الخوارزمية في صور قديمة فوق بنفسجية من هابل. ليست مجرد بقع على الصورة — لكل منها حدود واضحة، كدولة على خريطة كنتورية.

في 1433 زوجًا من المجرات منتشرة عبر السماء، لاحظ علماء الفلك نمطًا غير عادي. الجيران الذين وجدوا "فوق" أو "تحت" نظام نجمي ضخم يحتويون على أكسجين أكثر بنسبة تصل إلى الربع مقارنة بتلك الواقعة في مستوى قرصه. هكذا يبدو التلقيح المتبادل الكوني — النقل الموجه لـ العناصر الثقيلة المطبوخة في بطون النجوم، من مجرة إلى أخرى.

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.

242,327 مجرة — مثل حبات الرمل على الشاطئ. لكن علماء الفلك حولوا هذه الفوضى إلى خريطة: خوارزمية UMAP (التعلم الآلي) أخذت من كل مجرة أحد عشر معلمة — سبعة ألوان من البصريات حتى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (هذا فوتومتري (Photometry))، والقدر الظاهري، ونصف القطر،…

تصل درجة الحرارة في مركز العنقود المجري إلى مئة مليون درجة. هذه الأنظمة، الأكبر في الكون المرتبطة بالجاذبية، هي مختبرات طبيعية تخبئ فيها الطبيعة 85% من كتلتها في المادة المظلمة غير المرئية.

الكون يشبه نسيجاً حريرياً تبرز منه خيوط الشبكة المظلمة. فنحن نرى اللوحات الحقيقية فقط على شكل قصاصات صغيرة – عبر التلسكوبات، وفي كتالوجات حقيقية لـالمجرات. ولفصل الإشارة الأساسية عن التداخلات الفيزيائية الفلكية في النمط الكوني، يتطلب التحليل الإحصائي آلاف المخططات المعقولة – خرائط اصطناعية للسماء.

التقط مطياف جيمس ويب انخفاضًا بالكاد ملحوظًا في طيف مجرة بعيدة المجرة — خطان كظلال تركها غاز بارد. إنهما خطا الصوديوم، نفس الضوء الأصفر لمصابيح الشوارع. هنا، على حافة الكون المنظور، يكشفان عن زفير بطيء لـ المجرة تعيد المادة إلى الفضاء.

تصل درجة الحرارة في مركز العنقود المجري إلى مئة مليون درجة. هذه الأنظمة، الأكبر في الكون المرتبطة بالجاذبية، هي مختبرات طبيعية تخبئ فيها الطبيعة 85% من كتلتها في المادة المظلمة غير المرئية.

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.

يشبه القرص المجري تموجات متجمدة على سطح الماء: كل اضطراب يترك أثرًا يمكن قراءته بعد مليارات السنين. عندما تمر مجرة قزمة تابعة أو يحدث اندماج مباشر، تبدأ النجوم في القرص بالتأرجح — مثل عوامات حركتها موجة. وبمرور الوقت تخمد هذه التذبذبات، لكن مدى الحركات العمودية للنجوم من مختلف الأعمار يظل مختلفًا.

في مراكز العديد من المجرات لا تختبئ فقط الثقوب السوداء فائقة الضخامة، بل أيضًا سحب هائلة من المادة غير المرئية. إذا كانت هذه المادة تتكون من جسيمات فائقة الخفة، فإنها قادرة على التجمع في كتل كثيفة — نوع من "النجوم" المصنوعة من المادة المظلمة.