تكوين المجرات

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 مركز المجرات القزمة فائقة الكثافة (وهي أنظمة نجمية كثيفة جدًا يبلغ حجمها عشرات السنوات الضوئية) تعمل مكنسة كهربائية. لكن بدلًا من الغبار، تمتص الغاز الذي تُطلقه النجوم المحتضرة. هذا الغاز لا يتطاير في كل اتجاه، بل يلتف في قمع: قرص دوّار يستقر تدريجيًا على الثقب الأسود.

في أول نصف مليار سنة بعد الانفجار العظيم، كانت المجرات تنمو بسرعة مذهلة. كان الغاز يسقط فيها بسرعة وينهار ليشكل نجومًا دون أن يواجه مقاومة. تُسمى هذه الفترة "تكوين النجوم غير المقيد". الأمر أشبه بقلي الفطائر على مقلاة شديدة السخونة دون غطاء: يتطاير الزيت في كل مكان، ولا أحد يحدّه.

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.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون. وجودها يُستدل عليه من تأثيرها الجاذبي على حركة النجوم والمجرات، لكن تكوين هذا الهيكل يظل لغزًا. إحدى الفرضيات هي جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. وهي بالكاد تتفاعل مع المادة العادية، لكنها في حالات نادرة قد تُظهر نفسها.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، مر الكون بتوسع سريع — التضخم الكوني. تمدد الفضاء أسرع من الضوء، وتحولت الاهتزازات الكمومية للفراغ إلى جسيمات حقيقية. هكذا ربما وُلدت المادة المظلمة — المادة غير المرئية التي تمنع المجرات من التمزق. درس مؤلفو العمل جسيمًا افتراضيًا — الفوتون المظلم.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تمدد الكون بسرعة هائلة — هذه المرحلة تُسمى التضخم الكوني. حتى الفراغ لم يكن هادئًا حينها: هزّات كمية كانت تُرجّح الحقول، مثلما تُحرك الريح سنابل الحقل. أحد هذه الحقول — حقل هيغز المظلم — ربما انحرف عشوائيًا عن وضعه الأكثر استقرارًا. عندما انتهى التضخم، بدأ هذا الحقل يتأرجح ويتحلل، مولّدًا جسيمات — فوتونات مظلمة.

النموذج الكوني القياسي ΛCDM (الذي يتضمّن الطاقة المظلمة والمادة المظلمة الباردة) هو أشبه بالنوتة الموسيقية لسمفونية كونية. تصف كيف تمدّد الفضاء بعد الانفجار العظيم. وكيف تكثّفت المادة المظلمة. وكيف أضاءت المجرّات. لطالما كان كلّ شيء يعزف بتناغم تام.

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.

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.

ثماني نقاط مضيئة في السماء الراديوية. إنها نفس الكوازار HS 0810+2554، الذي مر ضوءه عبر عدسة جاذبية — مجرة ضخمة في المقدمة. لكن التفسير المعتاد بتوزيع أملس لـالمادة المظلمة في العدسة يترك فجوة: المواقع المتوقعة للنقاط تختلف عن المشاهدات بعدة ملي ثانية قوسية.

الماء المغلي في قدر هو نقطة البداية. فقاعات البخار تصعد وتنفجر، ثم يهدأ السطح. وبطريقة مشابهة، في اللحظات الأولى من عمر الكون، ربما تصرف حقل خاص يملأ الفضاء: فيه انتفخت وتصادمت فقاعات طور جديد — مثل جزر بخار في سائل. كان يُعتقد سابقًا أنه بعد التصادم، يتجمد الحقل فورًا ويتحول إلى جسيمات عادية. لكن الدراسة الجديدة تقول: لا، لن يكون هناك هدوء فوري.

سديم الجبار هو واجهة الفيزياء الفلكية، ومختبر لدراسة تكوّن النجوم على مقربة منا. لأكثر من قرن، يُحلل ضوؤه إلى أطياف، وكل خط محظور يهمس بنسخته عن عدد الإلكترونات في السنتيمتر المكعب. لكن النسخ لا تتطابق: الكبريت يصر على رقم، والأكسجين على آخر، والنيتروجين يهمس بما لا يُصدق.

مثل ساعة دقيقة، يستجيب النظام الكوكبي المتعدد بحساسية لأي دفعة صغيرة. وعندما يموت النجم في مركز هذه المنظومة، طارحًا غلافه ويتحول إلى قزم أبيض، فإن دفعةً متواضعةً بسرعة 0.75 كم/ثانية يمكنها أن تطلق سلسلةً من الأحداث، قاذفةً عوالمَ بأكملها إلى الفراغ بين النجوم.

عندما ننظر إلى أعماق الكون، فإننا نرى الماضي. قانون إدوين هابل يحول الانزياح الأحمر إلى آلة زمن: استغرق الضوء من مجرة UDS 12999 للوصول إلينا 7.6 مليار سنة – أكثر من نصف عمر الكون.

تظل المادة المظلمة أحد أعظم ألغاز الفيزياء الحديثة. لقد أثبتت فيرا روبين، من خلال مراقبة دوران المجرات، أن المادة المرئية غير كافية للحفاظ على النجوم من التشتت. من بين المرشحين لدور الكتلة غير المرئية، يتميز الأكسيون بأناقته: بحل مشكلة CP القوية في النموذج القياسي، فإنه يملأ الكون بشكل طبيعي بالمادة الباردة.

في مركز مجرة صغيرة جداً توجد كتلة كثيفة من النجوم والمادة المظلمة. هذه الكتلة، التي تسمى سوليتون، ليست ثابتة في مكانها: فهي تهتز وتتذبذب مثل الهلام على طبق. تخلق الاهتزازات تموجات في سحابة المادة المظلمة المحيطة، وهذه التموجات، مثل دفعات خفيفة، تدفع النجوم بعيداً عن المركز على مدى مليارات السنين.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تمدد الكون بسرعة لا يمكن تصورها. ترك هذا التمدد وراءه تموجات — تكثفات بالغة الصغر في الإشعاع والبلازما الساخنين. عندما برد الكون، بدأت هذه التكتلات تعيش حياتها الخاصة: بعضها تبدد، والبعض الآخر، الأكثر كثافة، انضغط ليشكل ثقوبًا سوداء. أعاد مؤلفو الدراسة إنشاء هذه العملية على الحاسوب باستخدام معادلات أينشتاين في صورتها الكاملة، دون تبسيط.

بدأت القصة بنقص في الكتلة. في ثلاثينيات القرن العشرين، قام فريتز زفيكي، أثناء قياس السرعات في عناقيد المجرات، بأول شك بوجود مادة غير مرئية. لاحقًا، أظهرت فيرا روبين أن أطراف المجرات الحلزونية تدور بسرعة أكبر مما تسمح به المادة المرئية.

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.

كان الكون المبكر مكانًا مضطربًا. كانت الفضاء تهتز من الموجات الثقالية — تموجات في نسيج الوجود نفسه. في هذه المرجل الغليان، يُفترض أن المادة المظلمة وُلدت. لكن الجسيمات المولودة حديثًا لم تكن تملك كتلة — كان لا بد من الحصول عليها من مكان ما. عادةً، يكون مجال هيغز مسؤولًا عن الكتلة.

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.

المجرة NGC 1277 تشبه كتابًا قديمًا لم يفتحه أحد لمليارات السنين. لقد تشكلت بسرعة، في فجر الكون، ومنذ ذلك الحين لم تتغير تقريبًا — لم تصطدم بجيرانها، ولم تضف طبقات جديدة. يطلق علماء الفلك على مثل هذه الأنظمة اسم «الأثرية»: فهي تحفظ التركيب الكيميائي للنجوم الأولى، كما يحفظ الكهرمان الحشرات في عصور ما قبل التاريخ.

الكون يعزف. ليس بالمعنى المألوف — فسمفونيته مسجلة في تموجات الكثافة الصغيرة التي نشأت منها المجرات ونحن أنفسنا. بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء متجانساً تقريباً، لكن التقلبات الكمومية أثناء التضخم تركت نمطاً بالكاد ملحوظاً — حيث زادت المادة قليلاً هنا، وقلّت هناك.

المجرات الإهليلجية هي مدن نجمية هادئة في مرحلة التقاعد. وفق كل القوانين، ينبغي أن يكون ضوؤها هادئًا مائلاً للحمرة، مثل الغروب. لكن أطيافها تصرخ بعكس ذلك: في الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، تتوهج هذه العجائز كأنها أضواء زينة الأعياد. طوال ثلاثة عقود، حار علماء الفلك في أمر هذا 'الارتفاع فوق البنفسجي' (UV upturn).

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.

ألقِ حجرًا في بركة ماء وستظهر دوائر. شيء مشابه يحدث داخل الكتل المدمجة من المادة المظلمة عندما تدخل وسطًا خاصًا — الحقل القياسي. هذا الحقل، الذي يخترق كل شيء حولنا، يمكن أن يتضخم تلقائيًا في أعماق هذه الأجسام، تمامًا كما ترتفع الدوائر على سطح الماء وتصبح أكثر وضوحًا.

الماء يندفع نحو الهاوية، لكن جزءًا منه يصعد عائدًا — يغلي ويزبد عند الحافة تمامًا. هذا تقريبًا ما يفعله الغاز المتدفق نحو ثقب أسود فائق الكتلة عندما يصبح تدفقه كثيفًا للغاية. في دراسة جديدة، تتبّع العلماء هذه الصورة باستخدام محاكاة حاسوبية.

شارع بُنيت فيه منازل للتو. بعضها يلمع بنوافذ نظيفة، وبعضها الآخر يغطيه غبار البناء. هكذا تقريباً كانت تبدو المجرات عندما كان عمر الكون بضع مئات الملايين من السنين فقط. نظر التلسكوب الجديد «جيمس ويب» إلى تلك الحقبة ورأى عشرات الجزر النجمية الساطعة. لم يكن العدد هو المفاجئ، بل مدى اختلافها. بعض المجرات كانت تتوهج بضوء أزرق نقي – لم يكن فيها غبار تقريباً.

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.

في قلب درب التبانة، هناك شيء يتوهج — لكن ليس بضوء النجوم، بل بأشعة غاما غير المرئية للعين.

في الهالة الشمسية الملتهبة، حيث تتجاوز درجة الحرارة المليون درجة، تطفو سحب باردة كثيفة — الانتفاخات الشمسية الشمسية. تعلق لأسابيع دون أن تسقط أو تذوب، مثل جبال جليدية في محيط يغلي. كيف وصلت إلى هناك؟ سؤال ظل يحير علماء الفلك لعقود. محاكاة ثلاثية الأبعاد جديدة غطت جميع طبقات الغلاف الجوي الشمسي ولأول مرة أظهرت المسار الكامل من السطح إلى الهالة.

الأكسيونات جسيمات أولية افتراضية أدخلها في النظرية روبرتو بيتشي وهيلين كوين عام 1977 لحل ما يُعرف بمسألة CP القوية في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

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.

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%؛…

النمو السريع للثقوب السوداء — وهي مناطق من الزمكان تتمتع بجاذبية لا تفلت منها حتى الضوء — في الكون المبكر يظل أحد أعظم ألغاز الفيزياء الفلكية. ربما تقدم الكوازي-نجوم حلاً محتملاً: فهي شرانق غازية عملاقة تختبئ في أعماقها ثقوب سوداء .

يرتفع العجين بشكل أسرع إذا كان يحتوي على الخميرة. وبالمثل، ربما كانت المجرات تتجمع بشكل أسرع إذا كانت تحتوي على ثقوب سوداء مسبقًا. درس الفيزيائيون الفلكيون حالة وجود ثقوب سوداء بدائية في الكون منذ البداية - وهي أجسام ربما تشكلت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم.

أضاءت النجوم الأولى من سحب لم تحتوِ سوى الهيدروجين والهيليوم. العناصر الثقيلة — الكربون والأكسجين والحديد — ظهرت لاحقًا داخل النجوم. لكن بين تلك الأوائل ربما كانت هناك نجوم خفيفة، بكتلة أقل بقليل من كتلة الشمس. مثل هذه النجوم تعيش طويلًا جدًا، مليارات السنين، وقد تبقى حتى يومنا هذا.

بدأ الكون بالانفجار العظيم ثم التضخم — توسع سريع. افترض آلان غوث أن هذا النمو لم يتوقف أبداً في بعض المناطق. لقد بقيت إلى الأبد "جيوباً غير مكتملة الخَبز" من التوسع الأبدي. في فضائنا، تجلت هذه المناطق كـثقوب سوداء أولية — كتل ذات كثافة لا تُصدق.

وفقًا لهذه الفرضية، يتصرف الكون مثل نابض مضغوط: فهو ينهار إلى مقاييس مجهرية ثم يتمدد مجددًا في مرحلة الارتداد. خلال هذه الدورة من الانضغاط والتمدد اللاحق، تتشكل الثقوب السوداء — وهي أجسام ذات جاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها والمادة المظلمة — وهي مادة غامضة لا تظهر إلا من خلال تأثيرها الجاذبي.