نمذجة العدسة الجاذبية

المترجم يتعلم اللغة لا من القاموس، بل من الأحاديث الحية: يسمع شذرات من الجمل، وضجيج الشارع، ولهجات مختلفة. من هذه الفوضى يجمع قواعدَ لا تُدوَّن في أي كتاب. وهكذا هنا أيضًا: بدل أن يحشر كتل الثقوب السوداء في قالب جاهز مسبقًا، تستمع الشبكة العصبية إلى الإشارات نفسها وتستنتج بنفسها كيف تتوزع هذه الكتل. لا تلتقط كاشفات LIGO وVirgo الثقوب السوداء نفسها، بل اهتزاز الفضاء حين يندمج ثقبان.

صورة المجرة البعيدة الملتقطة من الأرض تشبه النظر عبر زجاج مصنفر: الغلاف الجوي يشوش التفاصيل، ويظل البنية الداخلية مخفيًا. لطالما أراد علماء الفلك معرفة أين بالضبط يتوقف تشكل النجوم في المجرات، لكن التلسكوبات الأرضية لم تسمح برؤية التدرجات اللونية الدقيقة. الآن، تعلمت شبكة عصبية إزالة هذا الضباب، مستعادة الوضوح بالاستناد إلى نماذج من الصور الفضائية.

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.

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.

مئتا مليون نجم. في مركز المجرة، حيث يستهدف المسح المستقبلي لتلسكوب نانسي غريس رومان، حوالي 250 مرة خلال المهمة سيرتعش ضوء أحدها من لمسة غير مرئية. هذه هي الكواكب العائمة بحرية – عوالم طُردت من أنظمتها الأم – و الكواكب الخارجية الأرضية التي تدور حول شموس بعيدة.

تأمل في سماء الليل — ما تراه ليس مجرد تناثر أضواء، بل مخطوطة متعددة الطبقات. تحت حبر النجوم والمجرات اللامع، يظهر نص باهت يكاد يُمحى. إنها رسالة المادة المظلمة، منقوشة بالعدساتية الجاذبية: كتل خفية تشوّه ضوء المجرات البعيدة، تاركةً علامات مائية خافتة على رقّ الكون.

في عام 1981، اقترح آلان غوث سيناريو التضخم الكوني — انتفاخ سريع خاطف للفضاء، مدّد التموجات الكمومية إلى مقاييس مجرات كاملة. منذ ذلك الحين، يقوم علماء الكونيات، كعلماء الآثار، بالتنقيب عن هذا الحدث عبر بنى الكون.

الكون متاهة عملاقة من المرايا الملتوية. كتلة المجرات والعناقيد تشوه ضوء الكويزارات البعيدة، وكأنها تتلاعب بإدراكنا للكون. في غرفة المرايا هذه، يختبئ حل اللغز الأعظم: الطاقة المظلمة التي تدفع الفضاء بعيدًا بسرعة متزايدة. لالتقاط أنفاسها، لطالما حلم علماء الفيزياء الفلكية بزوج من المرايا المتطابقة، الموضوعتين على مسافات مختلفة - وعندئذ، بمقارنة الانعكاسات، يمكننا إعادة بناء هندسة القاعة.

في حقل رؤية بحجم حبة رمل مرفوعة إلى العين، تختبئ مئات المجرات، ممتدة على شكل أقواس بفعل التجمع الهائل Abell S1063. بعضها أخفت بمليارات المرات من أضعف النجوم في سمائنا. في أول بضع مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، كان الكون أشبه بقاعة مظلمة عملاقة، مليئة بضباب معتم من الهيدروجين المحايد.

يسافر الضوء من المجرات البعيدة إلينا مليارات السنين، لكن في طريقه تلتويه وتثنيه شبكة غير مرئية من المادة المظلمة. هذا التأثير، الذي تنبأ به أينشتاين في إطار النسبية العامة، يُسمى العدسة الجاذبية.

كاشفات الأشعة السينية مبنية على غرار أقراص العسل: في الخلايا السداسية، تُسجَّل هنا وهناك ومضات — آثار اصطدام فوتونات فردية. تضطر الخوارزميات التقليدية إلى تمديد هذا البنية السداسية الطبيعية إلى شبكة مستطيلة، مما يولد قطعًا أثرية — أشباحًا زائفة للاستقطاب الاستقطاب تشوه الصورة الحقيقية.

نقطتان على سطح بالون منفوخ — هذا كل ما تحتاجه عندما تحاول فهم كيف يتمدد. هكذا تقريبًا يعيد علماء الكون بناء تاريخ تمدد الكون. لكن بدلاً من النقاط، لديهم موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج أجسام فائقة الكثافة: النجوم النيوترونية والثقوب السوداء. تسمى هذه الأحداث "الصفارات القياسية" — تشبيهًا بالصوت الذي يحدد جهارة صوته بدقة المسافة إلى المصدر.

الكون يتحدث بلغتين أساسيتين — الجاذبية والضوء. وفي الظروف العادية، لا يختلطان: الأمواج الثقالية تنزلق عبر المادة دون أن تترك أثراً، بينما ترقص الفوتونات في متاهات المرايا. لكن في عام 1962، اكتشف الفيزيائي ميخائيل غيرتسنشتاين أن الحقل المغناطيسي يمكن أن يصبح مترجماً — للحظة وجيزة جداً، يتحول الغرافيتون إلى فوتون.

في عام 2019، أهدى مقراب أفق الحدث البشرية أول صورة لظل ثقب أسود — حلقة نارية حول الهاوية في مركز مجرة M87. أصبحت هذه الصورة الذاتية الجذبية، المرسومة بضوء البلازما المتساقطة، أيقونة للفيزياء الفلكية الحديثة على الفور. ولكن أي صورة تحتاج إلى تفسير.

نهر يجري ليس في مجرى مكشوف، بل داخل إسفنجة، ويتغير تياره من مكان إلى آخر — يمكن تشبيهه بالجهاز الجليمفاوي في الدماغ. إنه شبكة من القنوات الدقيقة حول الأوعية الدموية، يمر عبرها السائل النخاعي ليتسرب إلى عمق النسيج ويغسل الفضلات المتراكمة خلال اليوم. رؤية هذه التيارات مباشرة شبه مستحيلة: فهي بطيئة ومعقدة للغاية، وصور الرنين المغناطيسي، حتى مع مادة التباين، تعطي صورة ضبابية فقط.

الضوء، عند مروره عبر وسط عكر مثل الحليب أو الأنسجة الحية، يتشتت في جميع الاتجاهات. استعادة المواضع التي امتص فيها الضوء بقوة أكبر يشبه تخمين شكل الجسم الساقط من بركة ماء على الأسفلت. التصوير المقطعي البصري يحل هذه المشكلة، لكنه عادة يتطلب موارد حاسوبية كبيرة. الطريقة الجديدة GS-DOT تمثل خريطة الامتصاص كمجموع من البقع الضبابية — العناصر الأولية الغاوسية.

الكون شاسع، وحساب كيفية توزيع المجرات والمادة المظلمة فيه ليست بالمهمة السهلة. عادةً، يشغّل العلماء محاكاة حاسوبية "تمثّل" تطور مناطق كاملة من الفضاء يبلغ حجمها مليارات السنين الضوئية. لكن هذه الحسابات تتطلب موارد ووقتًا هائلين. المادة المظلمة غير مرئية، لكنها هي التي تحدد، مثل هيكل خفي، أين تتجمع المجرات.

إذا ألقيت حفنة من اللمعان في نهر، فبعضها سيطفو مباشرة، وبعضها سيدور في دوامات صغيرة. مع المجرات في الكون يحدث شيء مشابه: فهي لا تبتعد فقط بسبب التوسع، بل تدور أيضًا في تيارات هائلة، مثل شظايا الخشب في دوامات غير مرئية. هذه الدوامات — التفاف الغاز الكوني والمادة المظلمة — هي أثر بالغ الأهمية لكيفية نمو الكون وتزايد تعقيده.

البحث عن نقطة مضيئة مفردة في عينة مظلمة يشبه محاولة إيجاد إبرة في كومة قش: شعاع المجهر يزحف سطرًا بعد سطر، مضيِّعًا الوقت والضوء. استبدل الفيزيائيون هذا المسح البطيء بأنماط ضوء عشوائية. تُضاء العينة بحقل واسع في كل مرة، لكن بنمط جديد من البقع المضيئة والمظلمة، كما لو كانت تُسقط عليها ظلال عشوائية من شبكة. تسجّل الكاميرا كمية الضوء القادمة من المساحة كلها، ثم يجمع الخوارزم الصورة من هذه الشظايا.

كل مجرة تسبح في سحابة غازية غير مرئية، مثل فاكهة في شراب. هذا الغاز هو بقايا مواد البناء التي تشكلت منها النجوم، ويتم تجديده باستمرار بكميات جديدة من الفضاء بين المجرات. يكاد يكون من المستحيل رؤيته مباشرة: فهو مخلخل جدًا وبارد. ولكن عندما يمر ضوء كوازار بعيد عبر مثل هذه السحابة، تمتص ذرات المعادن في الغاز جزءًا من الضوء عند أطوال موجية محددة.

يعمل تحليل التألق بالأشعة السينية التقليدي مثل ناسخ دقيق: لمعرفة تكوين الصورة، يمر على كل سنتيمتر مربع ويسجل في دفتره إن كان هناك رصاص أو نحاس. بالنسبة لصفيحة مسطحة، هذا مقبول، لكن بالنسبة لجسم حجمي، فهو عذاب. يتطلب التصوير المقطعي تكرار المرور تحت زوايا متعددة، فيتضخم عدد القياسات مثل كرة الثلج.

يبدو الكوازار البعيد كأربع نقاط ضوء مرتبة على شكل صليب. هكذا تظهره جاذبية مجرة تقع على خط الرؤية: فهي تعمل كزجاج غير منتظم وتضاعف الصورة. كل نقطة ضوء هي نفس الجسم، لكن الضوء القادم منها يسلك مسارات مختلفة. لذلك، عندما يتوهج الكوازار، تستجيب الصور الأربع ليس في نفس الوقت ولا بنفس الطريقة. جمع علماء الفلك أرصادًا على مدى 25 عامًا من تلسكوبات في نصفي الكرة الأرضية.

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.

يستغرق ضوء المجرة البعيدة مليارات السنين ليصل إلينا، وفي طريقه ينحني مساره قليلاً — وهكذا تظهر الكتلة غير المرئية التي تسمى المادة المظلمة. هذا الانحناء يمدد أو يضغط صورة المجرة قليلاً، مثل الانعكاس في زجاج غير مستوٍ. التقاط هذه التغيرات الطفيفة في الشكل ليس بالمهمة السهلة، فالمجرات نفسها قد تكون ممدودة أو حلزونية أو غير منتظمة تمامًا، والتلسكوب يضيف ضبابية وضوضاء.

صور المجرات البعيدة المجرات تزخر بأقواس وبقع منحنية — إنه ضوء تشوه في طريقه إلينا. هذا التأثير، الذي تنبأ به ألبرت أينشتاين في إطار النسبية العامة، يعمل كمرآة مشوهة عملاقة: فالتجمع المجري الضخم تجمع المجرات بجاذبيته يشوه صور المصادر الخلفية — وهي ظاهرة تُعرف باسم العدسة…

الضوء الذي وُلد في لحظة الانفجار العظيم، قطع إلينا مسافة استمرت نحو 14 مليار سنة. لكنه في طريقه مر عبر حقول جاذبية المجرات وتجمعات المادة المظلمة — وهي صورة افتراضية للمادة لا تشارك في التفاعل الكهرومغناطيسي، ولذلك لا يمكن رصدها مباشرة. هذه الحقول ثنّت أشعة الضوء، تمامًا كما تشوه الزجاج غير المنتظم الصورة.

البروتون ليس كرة ملساء، بل كتلة متشابكة من الكواركات والغلونات تتحرك باستمرار وتتبادل الطاقة. لا يمكن معرفة كيفية توزيع الطاقة والضغط واللف المغزلي داخله مباشرة: فالقياسات تعطي نقاطًا نادرة ومشوشة فقط. الأمر أشبه بمحاولة تخمين شكل الوجه من بضع صور ضبابية ملتقطة من زوايا مختلفة.

المجال المغناطيسي للأرض يشبه نهرًا غير مرئي يتعرج تحت أقدامنا. يعتمد الملاحون والجيولوجيون على خرائط هذا النهر، لكن الأجهزة لا تسجل القراءات إلا في نقاط متفرقة، تاركةً بقعًا بيضاء بينها. ملء هذه الفراغات يشبه إعادة رسم مجرى النهر بالاعتماد على بضع حصى وجدت على الضفة.

عنقود المجرات الرصاص هو مكان تصادم فيه سحابتان هائلتان من المجرات والغاز والمادة غير المرئية. عندما يمر ضوء النجوم البعيدة بالقرب من مثل هذا العنقود، تعمل الجاذبية على انحناء مساره مثل العدسة. ينظر علماء الفلك إلى هذه التشوهات ويحسبون مكان الكتلة المخفية. سابقًا، كانت الخريطة تقريبية: لم تكن هناك مسافات دقيقة للعديد من المجرات التي تظهر بشكل مشوه.

تجمع المجرات بجاذبيتها يحني الزمكان، عاملاً كعدسة هائلة: تركز وتضخم ضوء الأجسام البعيدة، والتي تنبأ بها أينشتاين من قبل. هذه العدسات نادرة، لكنها تسمح لنا برؤية ما هو مخفي في أطراف الكون. للعثور عليها، دُرِّبت الشبكة العصبية على عشرات الآلاف من الصور الاصطناعية والحقيقية، ثم كُلِّفت بغربلة 540,432 صورة.

الضوء القادم من المجرات البعيدة، أثناء مروره عبر تجمعات ضخمة من المادة، يتعرض لتشوهات — تمامًا كما تبدو قاع حوض السباحة مكسورًا بسبب تموجات سطح الماء.

النظارات ذات العدسات المستوية تُظهر العالم متناظرًا: الصعود والهبوط، الحرارة والبرودة تبدو متشابهة. لسنوات طويلة، نظر علماء المناخ إلى إل نينو من خلال هذه النظارات، أي النماذج العكسية الخطية. كانت تلتقط إيقاع التذبذبات، لكنها لم ترَ أن الطور الدافئ لإل نينو عادة ما يكون أكثر حدة وقوة من لا نينيا الباردة. بقي الالتواء خارج نطاق المرئي.