العدسة التثاقلية

شعاع الضوء الذي يمر بالقرب من جسم ضخم ينحني حوله، مثل عداء يلتف حول زاوية الملعب. بالنسبة للنجم النيوتروني النجم النيوتروني، عادةً ما تُعتبر زاوية الانحراف هذه مماثلة لتلك الخاصة بكتلة نقطية. ولكن إذا كان النجم محاطًا بهالة غير مرئية من المادة المظلمة، يتغير المشهد: الضوء الذي يمر عبر الهالة ينحرف بشكل أضعف مما تتنبأ به الكتلة الكلية.

المسطرة لا تُلصق بالقرص الخفي، بل تُمد عبر الكون كله. ضوءُ الكويزار البعيد الكويزار، وهو غاز متوهج يدور حول ثقب أسود فائق الكتلة، يمر في طريقه إلينا عبر مجرةٍ تعمل كعدسة. الجاذبية الصادرة عن نجوم تلك المجرة تحني الأشعة كما يفعل زجاجٌ غير مستوٍ، فتظهر صورة الكويزار مزدوجةً في اللقطات، ويتراقص سطوعه قليلًا.

في قاعة الحفلة التنكرية الكونية الواسعة، الكوازارات هي أمهر الممثلين. يرتدون أزياء الآخرين، ويغيرون ملامحهم، ويتظاهرون بأنهم ليسوا هم. اثنان من هؤلاء "المتنكرين" لفتا انتباه علماء الفلك: كلاهما ادعى أنه كوازار بعدسة تثاقلية في الكون المبكر، لكن الفحص كشف حقيقتهما. العدسة التثاقلية هي عندما يقوم جسم ضخم بثني ضوء كوازار بعيد، مثل عدسة مكبرة.

شعاع الضوء، عند مروره بالقرب من جسم ضخم، ينحرف عن مساره المستقيم — وهي ظاهرة تعرف باسم العدسة الثقالية (gravitational lensing). تشبيه تدفق الماء الذي ينحني حول حجر في جدول ينقل الفكرة بشكل جيد: جاذبية الجسم الضخم تحني مسار الفوتونات، تمامًا كما يغير العائق مسار الماء.

شعاع الضوء، عند مروره بالقرب من جسم ضخم، ينحرف عن مساره المستقيم — وهي ظاهرة تعرف باسم العدسة الثقالية (gravitational lensing). تشبيه تدفق الماء الذي ينحني حول حجر في جدول ينقل الفكرة بشكل جيد: جاذبية الجسم الضخم تحني مسار الفوتونات، تمامًا كما يغير العائق مسار الماء.

في السماء الجنوبية، خلف حجاب كثيف من الغبار الكوني، يختبئ مصدر لأشعة غاما — وهي أكثر أشكال الضوء طاقةً في الكون. إنه يضيء بسطوع شديد لدرجة أن إشعاعه يخترق هذا الحجاب، لكن الجسم نفسه يظل غير مرئي للتلسكوبات البصرية. وجّه علماء الفلك تلسكوب ALMA الراديوي نحو السحب الغازية المجاورة ورصدوا نمطًا كشف النقاب عن هذا الجسم الخفي.

السماء الليلية مليئة بالأضواء الخادعة. كان الفلكيون يبحثون عن مجرات تشكلت في أول مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، وقد قطع ضوؤها إلينا ما يقرب من 13 مليار سنة. اختيرت ست بقع خافتة بناءً على صور التقطها التلسكوبان الفضائيان «هابل» و«سبيتزر». وُجّهت إليها شبكة أطباق ألما الراديوية العملاقة في صحراء أتاكاما التشيلية لالتقاط الحرارة الضعيفة للغبار البعيد.

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.

كل صباح، يكنس عامل النظافة أوراق الشجر في كومة واحدة. الشمس، أثناء عبورها المجرة، تفعل شيئًا مشابهًا: جاذبيتها تجمع الغاز بين النجمي المتناثر في مخروط غير مرئي — قمع جاذبية عملاق يركّز المادة.

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.

عداد السرعة في المجرة يتجاوز الحد. النجوم الخارجية تدور بسرعة تجعلها، وفقًا لكل قوانين الجاذبية، يجب أن تتطاير بعيدًا مثل رذاذ من عجلة دوارة.

الكون يتمدد، وهذا التمدد يتسارع. ولكن ماذا لو كانت الجاذبية - انحناء الزمكان بسبب الأجسام الضخمة - تعمل بشكل مختلف في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم؟ أضاف مؤلفو الدراسة الجديدة حقلاً غير مرئي إلى معادلات أينشتاين، يعترض الطاقة من المادة والإشعاع العاديين.

مصباح مختبئ خلف حوض سمك كبير مملوء بالماء. أنت لا ترى مصدر ضوء واحدًا، بل عدة انعكاسات وانكسارات له — فالماء يحني مسار الأشعة. وعلى نحو مماثل تقريبًا، تعمل المجرة الضخمة كـ عدسة جاذبية عملاقة: فمجال جاذبيتها يحني أشعة الكوازار البعيد (النواة الساطعة لـمجرة)، فتظهر في السماء عدة نسخ منه دفعة واحدة.

هيكل الجاذبية غير المرئي يمنع المجرات من التمزق. هذه هي المادة المظلمة — مادة لا تصدر ضوءًا ولا تتفاعل تقريبًا مع المادة العادية إلا عبر الجاذبية. لطالما اختلف علماء الفيزياء الفلكية حول طبيعتها.

عندما يصطدم نواتان ثقيلتان في مسرّع الجسيمات، يتشكل كرة نارية صغيرة من بلازما كوارك-غلوون (Quark-Gluon Plasma) — وهي حالة خاصة من المادة حيث لا تكون الكواركات والغلوونات محبوسة داخل الجسيمات. تتمدد هذه الكرة وتبرد، وغالبًا ما تخرج الجسيمات منها وهي "ملفوفة": تتجه لفّاتها على طول اتجاه الحزمة.

شعاع مصباح يدوي يخترق الضباب. كلما كان الضباب أكثر كثافة، زاد تشتت الضوء وتأخر وصوله إلى العين. مبدأ مشابه يعمل مع ومضات الراديو السريعة، وهي نبضات غامضة فائقة القوة من مجرات بعيدة. تتفاعل موجاتها الراديوية، أثناء مرورها عبر الفضاء الكوني، مع الإلكترونات الحرة، وهي جسيمات منفصلة عن الذرات. هذا التفاعل يؤخر الإشارة: فكلما زاد عدد الإلكترونات في المسار، زاد التأخير.

الضوء الذي يغادر جسمًا ضخمًا يفقد طاقة: يقل تردده قليلًا، وينزاح لونه نحو الطرف الأحمر من الطيف. يسمي الفيزيائيون هذه الظاهرة بالانزياح الأحمر الجذبوي الانزياح الأحمر الجذبوي. في إطار الفيزياء الكلاسيكية، كل شيء واضح، لكن على المستوى الكمومي تظهر دقائق. سابقًا، حاولوا نمذجة هذا الإزاحة كتأثير «خالط الأنماط» — جهاز يخلط الحالات الكمومية المختلفة للضوء. لكن هذا النموذج كان يفشل.

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 عام 2017، رصدت كاشفات الموجات الثقالية LIGO وVirgo موجة ثقالية — تذبذبًا في نسيج الزمكان نفسه ناتجًا عن اصطدام نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة. وبعد 1.7 ثانية، رصدت التلسكوبات المدارية وميض انفجار أشعة غاما — انبعاثًا قويًا للإشعاع الكهرومغناطيسي من نفس النقطة في السماء.

في الأطراف المظلمة لمجرتنا، بعيدًا عن التجمعات النجمية الساطعة، تختبئ ملايين الثقوب السوداء — وهي أجسام لا تشع ولا تبتلع المادة تقريبًا. الطرق التقليدية للبحث، المصممة للحقول النجمية القريبة، عاجزة هنا. نحتاج إلى نهج مختلف. اقترح علماء الفلك استخدام نسيج الفضاء نفسه ككاشف.

في مركز مجرتنا المجرة يقع الثقب الأسود فائق الكتلة الثقب الأسود المعروف باسم القوس A* — جسم بجاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منه. إذا كان هناك رفيق غير مرئي يدور حوله — على سبيل المثال، ثقب أسود ثانٍ — فيمكن اكتشاف رقصتهما المدارية من خلال سلوك ضوء النجوم البعيدة.

الجسم الكوني يدور، لكن ظله ليس دائريًا. درس الفيزيائيون الفلكيون ثقبًا أسود في نسخة غير عادية من الجاذبية — ما يسمى بعالم الغشاء (حيث يكون كوننا سطحًا ثلاثي الأبعاد في فضاء ذي أبعاد أكثر). في هذا النموذج، يظهر للثقب الأسود معامل إضافي — الشحنة المدية (مقياس لكيفية تشويه الأبعاد الإضافية للجاذبية). تتبع مؤلفو العمل كيف تنحني أشعة الضوء حول هذا الثقب، وبنوا صورته.

في محيط كوني شاسع، تتجمع المادة المظلمة في كتل وخيوط، مثل العوالق في التيارات. لكن إذا كانت الجاذبية لا تعمل تمامًا وفقًا لنظرية أينشتاين، فإن هذه الأنماط تتغير — بشكل بالغ الدقة، مثل تموجات من رياح غير مرئية. يمكن رؤية هذه التموجات بمقارنة خرائط السماء بالمحاكاة الحاسوبية.

في مركز مجرتنا المجرة يقع الثقب الأسود فائق الكتلة الثقب الأسود المعروف باسم القوس A* — جسم بجاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منه. إذا كان هناك رفيق غير مرئي يدور حوله — على سبيل المثال، ثقب أسود ثانٍ — فيمكن اكتشاف رقصتهما المدارية من خلال سلوك ضوء النجوم البعيدة.

يشبه علماء الكون رسّامي الخرائط، غير أنهم بدلًا من الجبال والأنهار يرسمون قوى خفية. لا تزال الطاقة المظلمة، التي تدفع الكون إلى التوسع بتسارع، لغزًا حتى اليوم. أحد التخمينات هو نموذج «التشابك الجاذبي الحركي» (KGB). وفيه تتشابك الطاقة المظلمة مع الجاذبية. فتكتسب ورقة الخريطة السماوية مرونة، وتغيّر مسار خطوط الضوء.

يشبه علماء الكون رسّامي الخرائط، غير أنهم بدلًا من الجبال والأنهار يرسمون قوى خفية. لا تزال الطاقة المظلمة، التي تدفع الكون إلى التوسع بتسارع، لغزًا حتى اليوم. أحد التخمينات هو نموذج «التشابك الجاذبي الحركي» (KGB). وفيه تتشابك الطاقة المظلمة مع الجاذبية. فتكتسب ورقة الخريطة السماوية مرونة، وتغيّر مسار خطوط الضوء.

الكون المبكر لم يكن مجرد حساء ساخن من الجسيمات. في الكسور الأولى من الثانية، ربما انكسر التناظر المرآتي (التكافؤ): لم يعد العالم وصورته في المرآة متطابقين تمامًا. إذا كان الأمر كذلك، فستبقى في الشبكة الكونية الواسعة للمجرات "لَيّة" خفية — كما لو أن كل المادة ملتوية قليلًا في اتجاه واحد.

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.

الضوء في العدسة يغير اتجاهه — هذا معروف للجميع. الموجات الثقالية، عند مرورها بالقرب من جسم ضخم، تنحني أيضًا في مسارها. لكن مؤلفي هذا العمل نظروا أبعد: ماذا يحدث لـ«لون» الموجة نفسه — استقطابها، أي اتجاه التذبذبات.

كرتان ألقيتا من ارتفاعات مختلفة تسقطان على الأرض بتسارع مختلف. في الفضاء، الأمور أكثر تعقيدًا: حتى الفراغ يجعل الأجسام تتحرك بشكل مختلف. أخذ مؤلفو العمل زمكانًا يحتوي على الجذب العادي للمادة وعلى التنافر الكوني الغامض (يسمى الطاقة المظلمة)، ونظروا كيف تتغير المسافة بين جسيمين يتحركان بحرية. اتضح أن هناك سطحًا حرجًا — كرة غير مرئية تقسم العالم إلى منطقتين.

أربعة خطوط خافتة على الصورة – كل ما يراه الفلكي. هكذا يستعيد النحّات شكل الزجاج غير المرئي من أربعة ظلال. قبل نحو مئة عام، تنبأ ألبرت أينشتاين بها، واقترح فريتز زفيكي استخدام العدسات الثقالية – تلسكوبات طبيعية من المادة المظلمة، تعزز ضوء النوى المجرية النشطة البعيدة بمئات المرات.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات هو كتالوج لجميع لبنات الكون المعروفة: الإلكترونات والكواركات وغيرها. لكنه لا يفسر المادة المظلمة ولا يتوافق مع الجاذبية. يخطو العمل الجديد خطوة جريئة: لكل لبنة في الكتالوج يُضاف انعكاسها المرآتي ذو الدوران المعاكس. هذه المجموعة المرآتية هي التي تشكل المادة المظلمة غير المرئية.

أربعة خطوط خافتة على الصورة – كل ما يراه الفلكي. هكذا يستعيد النحّات شكل الزجاج غير المرئي من أربعة ظلال. قبل نحو مئة عام، تنبأ ألبرت أينشتاين بها، واقترح فريتز زفيكي استخدام العدسات الثقالية – تلسكوبات طبيعية من المادة المظلمة، تعزز ضوء النوى المجرية النشطة البعيدة بمئات المرات.

في 23 نوفمبر 2023، التقطت كاشفات LIGO شيئًا غريبًا. كانت إشارة الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج ثقبين أسودين، والتي حملت الرقم GW231123، تشير إلى كتل قياسية – 137 و101 كتلة شمسية – ودوران سريع بشكل غير طبيعي. لكان ذلك أثقل وأسرع زوج دوار تم تسجيله على الإطلاق.

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.

مجرة درب التبانة وقمرها سحابة ماجلان الكبرى تدوران ببطء حول بعضهما البعض. جاذبيتهما المتبادلة تهز الأطراف البعيدة لدرب التبانة، كما أن إلقاء حصاة في بركة يجعل الماء يتموج.

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.

قبل ألف عام، كان الفايكنغ يأخذون معهم في البحر بلورة الصاري الأيسلندي. كانت البلورة شبه الشفافة تشق الضوء إلى شعاعين. ومن خلال سطوعهما، حتى في الضباب، كانوا يجدون الشمس. الانكسار المزدوج — المصطلح الفيزيائي لهذه الظاهرة — يساعد الآن في مطاردة أكثر قوى الكون خفاءً. بلورة الصاري الأيسلندي — نوع شفاف من الكالسيت (calcite) — استخدمها الفايكنغ بالفعل للملاحة.

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.