منحنى دوران المجرة

تبدو السماء الليلية هادئة، لكنها في الحقيقة ممطورة بمطر غير مرئي من الجسيمات المشحونة، وهي الأشعة الكونية. يحاول العلماء منذ زمن طويل فهم أين تولد أكثرها طاقة. حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن مجرتنا تزود الجسيمات حتى طاقة تبلغ نحو 4 إلكترون فولت (EeV)، وهي ما يُسمى "الكاحل" في الطيف. لكن البيانات الجديدة تفرض إعادة النظر في هذا الحد.

الحجر المقذوف يطير في قوس، بينما الكوكب حول الشمس يتحرك في منحنى مغلق. لماذا الإهليلج تحديدًا، وليس دائرة أو حلزونيًا؟ الجواب يقدمه قانون كبلر الأول، لكن برهانه عادة يتطلب حسابات معقدة. هذا العمل يقدم طريقًا أقصر — عبر نسبة سرعات بسيطة.

المترجم ينشغل بكل حفيف في القاعة — فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. النجم النيوتروني يضغط كتلة الشمس في كرة قطرها بحجم مدينة، والمادة في نواته أكثر كثافة من النواة الذرية. كيف تُنظَّم هذه المادة، لا يستطيع الفيزيائيون اختباره في المختبر: الضغط المطلوب لا يمكن توليده. معادلة الحالة — العلاقة بين الضغط وكثافة الطاقة — تظل اللغز الأكبر.

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.

الحجر المقذوف يطير في قوس ويسقط. الكوكب حول النجم هو نفس الحجر، لكنه يسقط إلى ما لا نهاية، ملتفًا حول النجم في منحنى مغلق. في عالم نيوتن، هذا المنحنى هو قطع ناقص مثالي، ويعود الكوكب إلى نفس النقطة في كل دورة. في الواقع، يدور المدار قليلًا — نقطته الأقرب إلى النجم، الحضيض، تنزاح. عند عطارد، هذا الانزياح حوالي 43 ثانية قوسية في القرن.

في قلب درب التبانة تمامًا، تدور نجوم حول ثقب أسود هائل غير مرئي. أحد هذه النجوم، S301، يكمل دورة كاملة في 8.7 سنة فقط. مساره يشبه قطعًا ناقصًا شديد التفلطح: تارة يقترب كثيرًا من الثقب الأسود، وتارة يبتعد بعيدًا. وعند أقصى اقتراب، تصبح المسافة إلى الثقب ضئيلة بمقاييس الكون. مدار S301 مستطيل لدرجة أن انحرافه المركزي (eccentricity) يساوي 0.982.

يرسم خبير الأرصاد خطًا أسود سميكًا عبر أوروبا: إلى الشمال صقيع، إلى الجنوب ذوبان جليد. هذا الحد — صفر الحرارة — لن يخبرنا ما درجة الحرارة في ستوكهولم أو روما، لكنه سيقول بكل أمانة أين ينتهي الشتاء. في علم الكون في السنوات الأخيرة، ظهرت خريطة يمكن رسم حد مماثل عليها.

على بعد 26,000 سنة ضوئية من الأرض، في قلب درب التبانة، يندفع النجم S301 عبر الفضاء بسرعة 18,000 كيلومتر في الثانية. إنه يدور حول الثقب الأسود الهائل Sgr A* في مدار بيضاوي.

الشعاع الضوئي الذي يمر بالقرب من جسم ضخم ينحرف — وهذا هو تأثير العدسة الجاذبية، المألوف من صور المجرات البعيدة. اعتمد الفيزيائيون الفلكيون على ثقب أسود دوّار الثقب الأسود (زمكان كير) وأضافوا تصحيحًا صغيرًا جدًا لكيفية انتشار الضوء نفسه.

عندما يمر كوكب بعيد أمام نجمه، فإنه يحجب جزءًا من الضوء لفترة وجيزة. يسمي علماء الفلك هذا العبور ويحكمون من عمق الانخفاض على حجم الكوكب. لكن للضوء خاصية: الأجسام الضخمة تعمل كعدسات. حتى الكوكب العملاق قادر على انحناء أشعة النجم قليلًا — فيصبح الانخفاض أقل عمقًا مما كان متوقعًا.

بين الكتل الجليدية التي تندفع في الفضاء الفارغ، هناك مسافرون مميزون — المذنبات البينجمية. وُلدت هذه المذنبات حول نجوم بعيدة، ثم وجدت طريقها بالصدفة إلى منطقتنا. أحدها، 3I/ATLAS، وقع في مرمى التلسكوبات عندما اقترب من الشمس. بدأت مواده — الغازات المتجمدة والغبار الحراري — تتسامى، تاركةً خلفها ذيلًا مضيئًا.

يشبه الولادة الكمومية للكون لعبة حظ حيث فرصة الحصول على النتيجة المرجوة ضئيلة للغاية. صياغة هوكينغ وهارتل — الوصفة الأنيقة لولادة العالم من اللازمن — تنبأت طوال عقود بأن كونًا مثل كوننا حدثٌ خيالي الندرة. دالة الموجة على الكرة S³ تخفض احتمال التضخم الطويل أسياً: كلما ازدادت تضاعفات التوسع الأسية، تضاءل الفرص.

هالة مجرتنا هي سحابة ضخمة متناثرة من النجوم القديمة تحيط بالقرص الذي نعرفه. إنها تحفظ تاريخ نمو درب التبانة عبر ابتلاعها للمجرات القزمة المجاورة. لقراءة هذا التاريخ، قاس علماء الفلك حركة أكثر من 10 000 نجم على مسافات تصل إلى 50 كيلوبارسك من المركز — أي أبعد بمقدار مرة ونصف من حافة القرص المرئي.

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.

مثل نهر يختفي فجأة تحت الأرض، ينقطع ذراع حامل رأس الغول في درب التبانة عند منطقة يسميها الفلكيون "خليج الزرافة". حيث كان ينبغي أن يستمر الشريط الساطع من النجوم، تظهر "فراغات" مظلمة. قرر فريق من الباحثين تمشيط هذه المنطقة من السماء باستخدام بيانات تلسكوب غايا (Gaia)، فعثروا في "الفراغ" على 31 عنقودًا مفتوحًا — عائلات نجمية وُلدت من سحابة واحدة من الغاز والغبار.

حول كل مجرة يوجد غلاف غير مرئي من الغاز الساخن، مثل البخار فوق قدرٍ من الماء المغلي. هذا الغاز بالكاد يُصدر ضوءًا في نطاق الأشعة السينية، لذا من الصعب جدًا قياسه. لكنه يحمل في طياته ذاكرة انفجارات النجوم وكيفية نمو المجرة. تستخدم الطريقة الجديدة الضوء الصادر من المركز الساطع للمجرة.

عندما تمر الموجات الراديوية عبر غاز ممغنط، ينحرف استقطابها قليلاً — تماماً كما تنحرف إبرة البوصلة بالقرب من المغناطيس. هذا الانحراف، الذي يُسمى تأثير فاراداي، كشف عن الوسط غير المرئي حول الثقب الأسود فائق الضخامة في المجرة NGC 1275. جمع علماء الفلك بيانات على مدى تسع سنوات من ثلاث شبكات مختلفة من التلسكوبات الراديوية.

مجرة بعيدة، تشبه مجرتنا درب التبانة، تنفخ الغاز في الفضاء كما تنفخ مجفف الشعر الغبار عن طاولة. اخترقت سبعة أشعة ضوئية قادمة من جسم أبعد سحابة الغاز هذه، فرأى علماء الفلك أن تدفق الغاز ضيق مثل نفث الماء من خرطوم، وليس عريضًا مثل المروحة. تصل سرعة الغاز إلى 239 كيلومترًا في الثانية، أي أسرع بـ200 مرة من طائرة ركاب.

الموجات الثقالية هي تموجات في نسيج الزمكان، تنشأ مثلاً عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تدور حول بعضها البعض. لالتقاطها، يراقب العلماء النجوم النابضة — وهي نجوم ميتة تُصدر نبضات راديوية بدقة الساعات. الموجة، أثناء مرورها عبر الفضاء، تضغط وتمد مسار الإشارة بالتناوب، فتصل النبضات أبكر أو أحدث قليلاً.

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.

ثلاثة كواكب عملاقة بعيدة تدور حول نجومها على مسافة قريبة جدًا لدرجة أن السنة عليها لا تتجاوز بضعة أيام أرضية. تُعرف هذه العوالم باسم "المشتريات الحارة" (Hot Jupiters)، ومداراتها لغز حقيقي: كيف وصلت إلى جوار النجم مباشرة، بينما وُلدت بعيدًا في الأطراف الباردة للنظام؟ أحد مفاتيح الحل هو الزاوية التي يدور بها الكوكب حول نجمه بالنسبة لدوران النجم نفسه.

المجرات في الكون ليست متناثرة عشوائياً: فالمجرات المتجاورة تتحرك في اتجاه واحد، مثل سرب من الأسماك، أما البعيدة فلكل منها حركتها المستقلة. أين يقع الحد الفاصل بين «معاً» و«منفصلة»؟ كان ذلك غير واضح حتى الآن. ابتكر علماء الفلك مقياساً جديداً — وهو المقياس الذي عنده يتوقف متوسط حركة المجرات على طول الخط الواصل بين زوج منها عن كونه متسقاً ويبدأ بالتناقض مع بعضه. سُمّي هذا المقياس بمقياس تماسك السرعات.

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.

الكون يتمدد، وكل تجمع من المجرات يشارك في رقصة كونية هائلة. وتيرة هذه الرقصة يحددها ثابت هابل — وهو قيمة أساسية تصف سرعة التمدد. وقد قاسه لأول مرة إدوين هابل قبل نحو قرن من الزمان، لكن لا يزال من الصعب تحديد قيمته بدقة: فنحن بحاجة إلى «مسطرة» قادرة على العمل على مسافات تصل إلى مليارات السنين الضوئية.

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.

مجرة NGC 1560 هي جزيرة متواضعة من النجوم والغاز على بعد عشرة ملايين سنة ضوئية منا. منحنى دورانها، الذي قيس لأول مرة في عام 1991، أصبح أيقونة للباحثين عن بديل للمادة المظلمة. على الرسم البياني لسرعة الدوران مقابل نصف القطر، تظهر انحناءات تبدو وكأنها تكرر بدقة انحناءات توزيع المادة العادية.

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.