تحليل العدسة الثقالية

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 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.

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.

منذ أن لاحظ فريتز زفيكي أن عناقيد المجرات تتحرك بسرعة كبيرة، وقامت فيرا روبين بقياس دوران الأذرع الحلزونية، ظلت المادة المظلمة اللغز الأكبر في علم الكون.

النموذج القياسي لعلم الكون، المعتمد على معادلات المجال التي اقترحها أينشتاين، يصف الكون كمزيج من المادة المظلمة (التي اكتُشفت بفضل فيرا روبين) والطاقة المظلمة بنسبة تقارب 1:3.

بعد ما يقرب من قرن منذ أن اشتبه فريتز زفيكي في وجود خلل في حركة مجرات عنقود كوما، وقامت فيرا روبين بقياس سرعات النجوم في الأذرع الحلزونية، لا تزال طبيعة المادة المظلمة واحدة من أكثر الألغاز إيلامًا.

ضوء مجرة بعيدة يصل إلينا عابرًا الكون كله، مارًا بتجمعات هائلة من المادة المظلمة والمادة العادية. جاذبيتها تحني مسار الأشعة قليلًا — كما لو أن تيار النهر يلتف حول صخور غير مرئية. في الصور، يظهر هذا كاستطالة طفيفة في صور المجرات، وكأنها مُمددة على إطار غير مرئي. يسمي علماء الفلك هذا العدسة الجاذبية الضعيفة (انحناء الضوء بفعل الجاذبية) ويستخدمونه لوزن الكون.

في ثلاثينيات القرن العشرين، كان فريتز زويكي أول من لاحظ أن المجرات في العناقيد تتحرك بسرعة كبيرة جداً – شيء غير مرئي كان يمسك بها. لاحقاً، قاست فيرا روبين دوران المجرات الحلزونية، مؤكدةً أن الكون يعج بـ المادة المظلمة. نعلم اليوم أنها ترسم الشبكة الكونية، لكن طبيعة جسيماتها لا تزال لغزاً.

عبر تموجات الماء، تبدو الحصى في قاع البركة منزاحة ومشوهة. وبطريقة مماثلة، تعمل جاذبية المادة المظلمة غير المرئية على انحناء ضوء المجرات البعيدة — وهي ظاهرة تُعرف باسم العدسة الضعيفة (weak lensing). لكن تموجات البركة تعيش فقط على السطح، بينما تتوزع المادة المظلمة في الحجم، على أعماق مختلفة. نحن نرى فقط الإسقاط المسطح — مثل صورة فوتوغرافية واحدة للسماء.

ثقبان أسودان ثقبان أسودان يضربان بعضهما بسرعة، بينما يدور ثالث قريب. في الحياة العادية، كان من شأن هذا الاصطدام أن يولّد دفقة من الموجات الثقالية (تموجات في الفضاء، مثل تموجات حجر يُلقى في بركة). لكن هنا، يمر جزء من التموجات بجوار الجار الضخم - ويتغير، مثل الضوء في مرآة مشوهة.

تصوير محيط ثقب أسود يشبه تصوير نافورة: سرعة غالق عالية تُجمّد القطرات، وسرعة بطيئة تمزج كل شيء في خطوط ضبابية. الضوء الصادر عن الغاز المتوهج الذي يدور حول الثقب يسلك مسارات مختلفة للوصول إلينا. بعض الأشعة تنحني حوله في قوس، وأخرى تدور عدة لفات بسبب انحناء الزمكان. في الصورة الواحدة، تختلط أحداث وقعت بفارق ساعات أو سنوات.

عندما يمر الضوء بالقرب من جسم هائل مثل الثقب الأسود، ينحني مساره – وهي ظاهرة تنبأ بها أينشتاين. وقد أخذ بحث جديد في الحسبان أنه بالقرب من هذه الأجسام غالبًا ما تتجمع سُحب من الهادرونات – وهي جسيمات فائقة الصغر نعرفها من البروتونات والنيوترونات في نوى الذرات.

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.

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.

في أعماق الكون المظلمة تختبئ مادة غير مرئية. إنها لا تشع، لكن جاذبيتها تُمسك المجرات معًا. يُعتقد عادةً أن المادة المظلمة تخضع لنفس قوانين الجاذبية التي تخضع لها الطاولات والكراسي. العمل الجديد يقدم نظرة مختلفة: قد تغيّر المادة المظلمة الجاذبية نفسها قليلًا. يبني المؤلفون نموذجًا ترتبط فيه المادة المظلمة بانحناء الفضاء بطريقة خاصة.

المادة المظلمة تشبه الغراء غير المرئي الذي يمسك المجرات ببعضها. إنها لا تُصدر ضوءًا، لكن إذا تصادمت جسيماتها فقد يومض إشعاع غاما. بحث العلماء عن مثل هذه الومضات في المجرات القزمة — وهي تجمعات نجمية صغيرة حيث تكون المادة المظلمة وفيرة جدًا والمادة العادية شبه معدومة. الأمر أشبه بالبحث عن همس في غرفة هادئة: كلما قلّ الضجيج، كان الاستماع أسهل.

يمر الضوء القادم من المجرات البعيدة عبر تجمعات المادة، فتعمل جاذبيتها على انحناء مساره قليلاً، مثل العدسة. ومن خلال مقدار تشوه صور المجرات البعيدة، يمكن استنتاج توزيع المادة وكيف تؤثر الجاذبية على الضوء.

السماء الليلية مليئة بالنجوم، لكنها ليست سوى جزء صغير من كل ما يوجد في الكون. لاحظ علماء الفلك منذ زمن طويل أمرًا غريبًا: المجرات تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنه كان ينبغي أن تتناثر، لكنها لا تتناثر. شيء غير مرئي يمسكها معًا، مثل خيوط خفية تربط الخرزات على عجلة دوارة. هذا «الشيء» سُمي المادة المظلمة. إنها لا تُضيء، ولا تعكس الضوء، لكنها تجذب المادة العادية.

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.

الأجسام فائقة الكتلة تعمل على انحناء الزمكان، فتصبح بمثابة عدسة جاذبية تعمل على انكسار ضوء الأجسام البعيدة. هذا التأثير، المعروف باسم انحناء الزمكان، يسمح لعلماء الفلك برؤية ما هو غير مرئي — أجسام لا تصدر ضوءًا بذاتها، لكنها تكشف عن نفسها من خلال تشويه أشعة المجرات الخلفية. مؤخرًا، ساعدت هذه الطريقة في اكتشاف كتلة خفية تبلغ كتلتها حوالي مليون شمس.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون، ولا تُظهر نفسها إلا عبر الجاذبية. فيرا روبين، أثناء دراستها لدوران المجرات، اكتشفت أن النجوم في الأطراف تتحرك بسرعة كبيرة جدًا — وكأن كتلة غير مرئية تمسك بها. أصبح هذا دليلًا قويًا على وجود المادة المظلمة، لكن جسيماتها ما تزال تهرب من الكشف المباشر.

عثر الفلكيون في الكون على جسم غير مرئي لا يتجاوز وزنه مليون شمس – وهو تافه للغاية بمقاييس الكون، وأخف بمئة مرة من أي شيء تمكنوا من «وزنه» على مثل هذه المسافات. الجسم نفسه لا يصدر ضوءًا، لكنه كشف عن نفسه عن طريق حني ضوء مجرة أبعد مجرة.

كرة سيليكونية قطرها 166 نانومترًا تطفو في شعاع ليزر تحت الحمراء. الضغط أقل من 10⁻⁸ مليبار، ودرجة حرارة الحركة حوالي 10 ملي كلفن. هذا أبرد من إشعاع الخلفية الكونية. الكرة عبارة عن مقياس زلازل مجهري يلتقط الارتجاجات الكمية للجسيمات غير المرئية. كل اصطدام لجسيم المادة المظلمة ينقل زخمًا إلى الكرة. تهتز الكرة.