العدسة الدقيقة الثقالية

في قاعة مظلمة، يلتقط الوميض (الستروبوسكوب) الظلال اللحظية من بين الحشود، تلك التي لا تدركها العين. ثقب أسود بدائي بحجم فيروس، يمر أمام نجم بعيد، فيضخم ضوءه لبضع ثوانٍ، مثل عدسة مكبرة موجهة نحو مصباح. حتى الآن، لم يرصد أحد مثل هذه الومضات: فهي قصيرة جدًا بالنسبة للتلسكوبات الأرضية، وفي الحقول النجمية الساطعة تضيع بسبب اضطراب الغلاف الجوي.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

يقترب نجمان نيوترونيان من بعضهما في مسار حلزوني ويصطدمان. يولد ذلك موجة ثقالية — تموجًا في الزمكان، وومضة غاما قصيرة، وتوهجًا خافتًا يسميه الفلكيون كيلونوفا. لكن أحيانًا تمر الإشارة بالقرب من مجرة ثقيلة. تعمل جاذبيتها كعدسة: تنحني مسار الضوء والموجات الثقالية، مما يخلق صدى — صورة مكررة أو مكبرة.

في الكون الفتي، قبل نحو عشرة مليارات سنة، كانت المجرات تشبه حقولاً لا نهائية بعد عاصفة رعدية: في كل مكان، كانت تغلي وتنبت تكتلات عملاقة — بآلاف السنين الضوئية — من تكوّن النجوم، حيث كانت النجوم الفتية تولد بطاقة جامحة. أما اليوم، فقد كادت هذه المناطق أن تنقرض: ففي المجرات القريبة، نادراً ما توجد البؤر المتأججة.

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.

ضوء النجم البعيد ليس منارة مثالية. عند مروره عبر حقل الجاذبية لنجم آخر، فإنه ينحني ويتشتت ويتضخم، مكونًا في السماء حلقة أينشتاين العابرة. هكذا تتجلى عدسة الجاذبية الدقيقة، التي تنبأ بها فريتز زفيكي في ثلاثينيات القرن الماضي.

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.

يقترب شعاع كوني من ثقب أسود بشكل شبه مماسي. لا يسقط مباشرة، بل يبقى عالقًا في مدار غير مستقر — مثل بهلوان يوازن على حبل فوق هاوية. بعد أن يدور عدة لفات، يغادر الضوء أخيرًا نحو مراقب بعيد. تولّد هذه الأشعة صورًا متعددة لنفس المصدر — تُعرف بالصور عالية الرتبة. عادةً، الزاوية التي ينحرف بها الثقب الأسود الثقب الأسود الضوء تنمو بسلاسة — مثل لوغاريتم مدى قرب الشعاع من المدار الحرج.

يزداد ضوء نجم بعيد للحظة عندما يمر جسم ضخم غير مرئي بينه وبين التلسكوب. هذه الظاهرة — العدسة الدقيقة الثقالية (gravitational microlensing) — تعمل مثل تلسكوب طبيعي. عادةً ما يكون الثقب الأسود هو العدسة، حيث يشوه الزمكان حوله.

العنقود المجري العملاق المجرات Abell S1063، الواقع على بعد 4 مليارات سنة ضوئية، لا يعمل كمجرد عدسة، بل كبئر جاذبية زمنية. كتلته تحني الفضاء بشدة لدرجة أن الفوتونات القادمة من حقبة كان عمر الكون فيها 500 مليون سنة فقط، تنزلق عبر مسارات منحنية كأشعة في تصوير بطيء، وتتجمع لدينا مكبرةً 43 مرة.

شبيهة بأجرام معلقة في سرير الطفل بخيوط تستجيب لأي هبة هواء، الكواكب التي تدور في مدارات واسعة جداً بالكاد تمسكها جاذبية نجمها — فتحس بأدنى «نسمات جاذبية». اقترح الفلكيون تحويل هذه الكواكب إلى كواشف لـالمادة المظلمة. هذه المادة الخفية لا تشع ضوءاً، لكنها بجاذبيتها تتحكم في حركة النجوم والمجرات.

كشاف ضوئي يسلط نوره عبر قاعة مظلمة. بين المصباح والجدار تطفو عدسة غير مرئية — فتزداد بقعة الضوء سطوعًا للحظة وتنزاح قليلًا. هذا بالضبط ما كان يبحث عنه تلسكوب DECam خمس ليالٍ متتالية، مستهدفًا سحابة ماجلان الكبرى — المجرة التابعة لدرب التبانة. رصد التلسكوب وميضًا استمر ساعة واحدة فقط.

شعاع مصباح يدوي ينزلق على زجاج غير مستوٍ. الزجاج هو تجمعات هائلة من المجرات، والمصباح هو ضوء قديم وُلد بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. عند مروره بالقرب من هذه التجمعات، لا ينحني الضوء حولها فحسب، مثل الماء حول الحجر. بل ينزاح مساره قليلاً إلى الجانب، ويعتمد مقدار الإزاحة على كيفية "التفاف" الضوء — يمينًا أو يسارًا. هذا يشبه كرة القدم التي تنحرف في الهواء بسبب دورانها.

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.

ضوء كوكب بعيد، مُحلَّل إلى ألوان، يقفز فجأة بشكل حاد عند الحد الفاصل بين الأحمر والأشعة تحت الحمراء غير المرئية — وكأن أحدهم ضغط على مفتاح. هكذا يُظهر الحافة الحمراء للنباتات نفسها: الكلوروفيل شفاف للأشعة تحت الحمراء القريبة، والورقة، هربًا من ارتفاع الحرارة، تعكسها بعيدًا.

دوارة الضوء لا تُدير الأشخاص، بل الإلكترونات. وبدلاً من الخيول الخشبية، هناك شفرات غير مرئية مصنوعة من الضوء. هذا هو بالضبط ما بناه الفيزيائيون «دوارة» لمنح الإلكترونات دورانًا. عادةً، للف تدفق الإلكترونات في دوامة، تحتاج إلى قناع صغير — استنسل به شقوق محفورة على مقياس الذرات. من الصعب جدًا تصنيعه. تجاوز مؤلفو العمل هذه العقبة: لقد استبدلوا الشبكة المادية بشبكة ضوئية — أشعة ليزر متقاطعة.

سحابة غازية ضخمة ومظلمة تنتشر في الكون الفتي. داخلها، تخترق خطوط القوى المغناطيسية، كأصابع غير مرئية، بقيت من لحظة ولادة العالم. تؤثر هذه الحقول على الجسيمات المشحونة، وتدفعها نحو بعضها البعض — مثل نسمة هواء خفيفة تجمع أوراق الشجر المتساقطة في أكوام. ونتيجة لذلك، ينضغط الغاز بسرعة أكبر إلى كتل، تنمو منها لاحقاً المجرات.

تخيل أن عملة معدنية صغيرة وُضعت في خزنة مثالية، لكن جدرانها رقيقة جدًا لدرجة أن العملة تمر أحيانًا عبرها تاركة صوتًا بالكاد يُسمع. الأكسيونات هي مثل هذه العملات، لكن بدل المعدن لدينا جسيمات، وبدل الخزنة لدينا المادة العادية. فهي لا تكاد تلاحظ العوائق، ومن الصعب للغاية التقاطها مباشرة. لكن هناك أماكن تكون فيها هذه «الخزنات» محمّاة إلى مليارات الدرجات ومضغوطة إلى كثافة هائلة.

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.

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.

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.

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.

الضوء، عندما يسقط على لوح شفاف، ينعكس جزئيًا عن سطحه. بالنسبة لعلماء الفلك، هذا خسارة لفوتونات ثمينة قادمة من نجوم بعيدة. العدسات الدقيقة الجديدة المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد من راتنج IPX Clear تمرر الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، لكنها تفقد حوالي 8% عند الحدود مع الهواء. الحل جاء من الطبيعة.

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.

اندماج نجمين نيوترونيين يشبه قرع الجرس: ينتشر عبر الكون اهتزاز في الفضاء، هو الموجة الثقالية. تلتقط الكواشف على الأرض هذا الاهتزاز وتحسب من قوته المسافة إلى المصدر. لكن الموجة لا تسافر في الفراغ: ففي طريقها، تحنيها قليلاً حقول الجاذبية لتجمعات المجرات. هذا يشبه ارتعاش ضوء مصباح الشارع عند مروره عبر زجاج مبلل. يسمي الفلكيون هذا التشويه بالعدسة الضعيفة (weak lensing).

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.

تم اكتشاف الكوكب المعزول KMT-2024-BLG-0816، وهو واحد من العديد من الكواكب الحرة الطليقة — أي الأجرام ذات الكتلة الكوكبية غير المرتبطة جاذبيًا بأي نجم — بفضل تأثير العدسة الدقيقة الجاذبية. فعندما مرّ الكوكب غير المرئي أمام نجم خلفي بعيد، ثنّى كتلته نسيج الزمكان، فعمل مثل كرة زجاجية تجمع ضوء مصباح وتضخّمه.

وصف العلماء نوعًا جديدًا من النجوم غير المرئية التي تتصرف كعدسة تتنفس. يتكون هذا النجم من جسيمات بوزونية فائقة الخفة (لم تُكتشف بعد). جاذبيته تسبب انحناء الزمكان — وهذه هي العدسة التي تتمدد وتنكمش بإيقاع، كأنها تتنفس. عندما يقع نجم حقيقي في البؤرة المتحركة لهذه العدسة، يتضخم ضوؤه بشدة — وينشأ توهج فوتومتري.

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.