جي دبليو 170817

في الليل لا تنطفئ المنارة على الصخرة، لكن حارسها قد يُرخي الستائر على مصباحها. يبقى الضوء، غير أنه أقل. وشيء من هذا القبيل جرى للنبّاض السيني 4U 0114+65: لم يختفِ، بل خفت إشعاعه فقط. النبّاض نجم نيوتروني يلتقط مادة نجم مجاور ويطلق نبضات من الأشعة السينية مع كل دورة.

مستقبل راديو مضبوط على محطة واحدة يبدأ فجأة في التقاط محطة أخرى لأن شخصًا غير مرئي يدير مقبض الضبط. هذا تقريبًا ما يفعله الطيف الراديوي للنجم النابض الملي ثانية PSR J2144−5237: التردد الذي يضعف عنده إشعاعه فجأة ينزاح بسلاسة من 0.8 إلى 3 جيجاهرتز بينما يدور النجم حول مرافقه.

صورتان لنفس المنارة. الأولى التُقطت من قارب يبحر مباشرة نحو شعاع الضوء، والثانية من الشاطئ حيث يلامس الشعاع حافة السماء فقط. من هاتين الصورتين يمكن استعادة كيفية توزيع ضوء المنارة عبر الزوايا، دون الاقتراب منها. هذا تقريبًا ما فعله علماء الفلك مع انفجارين من أشعة غاما يعتبرونهما توأمين. الانفجار الأول، GRB 090510، رُصد في عام 2009.

المترجم الذي ينشغل بكل حفيف في القاعة يجد أن ساعة الاجتماع تتحول إلى ساعتين. هذا تقريبًا ما كانت تفعله كواشف الموجات الثقالية عند تحليل الإشارات الطويلة: فكل دورة للأرض كانت تضيف تشويشًا إلى الحسابات، وكانت معالجة اندماج نجمين نيوترونيين يستمر يومًا كاملًا تهدد بالامتداد لأسابيع. العمل الجديد يبيّن كيف نُدخل النظام ونسمع الحوار كاملًا.

منارة على حافة المجرة تومض دون جدول زمني: تارة تصمت لسنوات، وتارة تطلق مئات التوهجات في يوم واحد. مثل هذه المنارة تحتاج إلى مراقب لا ينام ولا يشتت انتباهه. منذ عام 2008، يتولى هذه المهمة مرصد أشعة غاما Fermi GBM في مدار حول الأرض، وقد امتلأ سجله للتو بأكمل تسجيل في تاريخ المراقبة.

تخيل قمتين دوارتين تُطلقان على طاولة. إذا دارتا في نفس الاتجاه، يكون دورانهما الكلي كبيرًا؛ وإذا دارتا باتجاه بعضهما البعض، فقد يكون الدوران الكلي صفرًا، رغم أن كل قمة تدور بسرعة منفردة. في زوج من النجوم النيوترونية يقتربان قبل الاندماج، تلعب لفات كل منهما دور هذه القمم الدوارة — اللفات (spins).

المنارة لا تومض بشكل منتظم، بل بنبضات قصيرة ساطعة. النجم النيوتروني في النظام 4U 1323-62 هو مثل هذه المنارة في نطاق الأشعة السينية. فهو يجذب الغاز من نجم مجاور، وعندما يتراكم ما يكفي من المادة على سطحه، يحدث انفجار نووي حراري — وميض من الأشعة السينية.

عنقود المجرات RXC J0528.9−3927 يشبه مدينة يكتنفها الضباب: في المركز تتوهج هالة راديوية ساطعة، وما وراء الحدود المألوفة، رصد علماء الفلك توهجًا بالكاد يُرى. يمتد على مليوني سنة ضوئية — أي ثلاثة أضعاف بعد الهالة نفسها. جمع تلسكوب ميركات في جنوب أفريقيا هذا الضوء الخافت على مدى 12.9 ساعة، مثل مصور فوتوغرافي يلتقط سماء الليل بتعريض طويل.

في مكان ما في أعماق الفضاء، يدور ثقبان أسودان فائقا الكتلة ثقب أسود حول بعضهما البعض. رقصتهما ليست سلسة — فالمدار بيضاوي الشكل، كحبل مطاطي يتمدد تارة وينكمش تارة أخرى. كل دورة من هذا القبيل تولد تموجات في نسيج الزمكان — موجات ثقالية. تنتشر هذه الموجات في كل الاتجاهات، وبعد ملايين السنين تصل إلى الأرض، فتمدّدها وتضغطها بمقدار أصغر من نواة الذرة.

اندماج نجمين نيوترونيين نجم نيوتروني ليس مجرد اصطدام. فقبل التلامس، يشوّه كل منهما الآخر بقوى المدّ، ويعتمد هذا التشوه على مدى «ليونة» أو «صلابة» المادة في الداخل. المادة الصلبة تقاوم بقوة أكبر، بينما المادة اللينة تتغير هيئتها بسهولة. ويظهر الفرق في تردد وطور الموجة الثقالية التي تلتقطها الكاشفات.

الموجة الثقالية هي تذبذب في نسيج الزمكان نفسه، ينشأ مثلًا عن اندماج الثقوب السوداء. تخيلها كقرع جرس في الليل: من شدة الصوت يمكن تقدير المسافة إلى المصدر. لكن لمعرفة السرعة التي يتمدد بها الفضاء نفسه — «الليل» في تشبيهنا — نحتاج عادةً إلى إشارة ثانية: وميض كهرومغناطيسي (ضوء) أو بيانات من كتالوج مجرات ذات انزياح أحمر معروف.

عندما يموت نجم يفوق كتلة الشمس بعدة مرات، ينكمش ثم ينفجر كمستعر أعظم. ليس هذا مجرد وميض ضوئي؛ فالعملية برمتها، من انهيار النواة إلى تطاير الغلاف، تُحدث ارتعاشًا في نسيج الفضاء نفسه. تُعرف هذه الموجات باسم الموجات الثقالية (gravitational waves).

الحجر الملقى في الماء يترك دوائر تنتشر. الموجة الثقالية هي تموّج مماثل، لكن في نسيج الزمكان. تُنتج، على سبيل المثال، عن اندماج ثقبين أسودين. في الفيزياء الكلاسيكية، هذا التموّج أبدي: بمجرد أن ينشأ، يطير عبر الكون دون أن يخمد. لكن الجاذبية تخضع للقوانين الكمومية. تتكون الموجة من حِزَم صغيرة تسمى الغرافيتونات (الجسيمات الحاملة للجاذبية).

في اللحظات الأولى من عمر الكون، كان يشبه مرجلًا يغلي. لم تكن المادة موزعة بالتساوي — بل كانت تتشكل فيها تكتلات وفراغات، وكانت حركتها المضطربة تولد ارتجاجًا في الفضاء نفسه: الموجات الثقالية. اليوم نحاول التقاط أصداء هذه الموجات — على سبيل المثال، عبر شبكة التلسكوبات الراديوية NANOGrav — ومقارنتها بالتوقعات.

خلال 10⁻³⁵ ثانية بعد الانفجار العظيم، حدث الجزء الأسرع. تمدد الفضاء أسرع من الضوء — هذا هو التضخم. عزف حقل واحد، الإنفلاتون، النوتة الرئيسية تقريبًا، قائدًا الإيقاع والنغمة. ولكن في الختام، عندما كان التضخم يخبو، ربما استيقظ عازفون آخرون لفترة وجيزة — حقول قياس مشحونة. استمر عزفهم المنفرد لحظة، لكنه ترك أثرًا.

كان الكون المبكر يشبه محيطًا يبرد بسرعة. في درجات الحرارة الهائلة، كان كل شيء موحدًا — الكواركات والإلكترونات والتفاعلات كانت تندمج في 'بخار' متماثل. لكن مع توسعه وبرودته، تكثف هذا البخار، وتعاقبت الانتقالات الطورية كما يتحول الماء إلى جليد. وكما تظهر التشققات والفقاعات في بركة متجمدة، ظهرت في الكون المبرد عيوب طوبولوجية — تمزقات مستقرة في الحقول، نشأت عن انكسار التماثل.

وعاء ضخم مملوء بالماء. ألقِ فيه حجرًا، فستنتشر دوائر على سطح الماء. هكذا تقريبًا تعمل نسيج الزمكان: عندما يندمج نجمان ضخمان، يولّدان تموجات تُعرف بـالموجات الثقالية. تصل هذه الموجات إلى الأرض، وتلتقطها كواشف عملاقة مثل LIGO وVirgo.

يحتاج الزوج النجمي J05+50 إلى شهرين تقريبًا لإكمال دورة واحدة حول المركز المشترك. من الأرض، يظهر كنقطة خافتة في كوكبة هرقل — على بعد 4625 فرسخًا فلكيًا منا. فوتومتري (photometry) من نجم ثنائي (binary star) يسجل فقط تذبذبًا منتظمًا في السطوع، مثل نبض قلب عملاق.

في أغسطس 2019، رصد كاشفا LIGO وVirgo الموجات الثقالية الناتجة عن اندماج جرمين مضغوطين في نظام نجم ثنائي. كان أحدهما يزن 23 كتلة شمسية — ثقبًا أسود عاديًا. أما الآخر فكانت كتلته 2.5–2.67 M⊙.

النجم النيوتروني هو نواة نجم ضخم سابق، انضغطت حتى صارت بحجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن بقدر جبل. لكن داخل هذه الكرة فائقة الكثافة قد يختبئ مفاجأة: تحت ضغط لا يمكن تصوره، تتفكك النيوترونات إلى كواركات، فيكتسب النجم نواة جديدة أكثر انضغاطًا. عندها قد توجد في الكون أزواج من النجوم لها الكتلة نفسها لكن أنصاف أقطار مختلفة — تُسمى النجوم النيوترونية-التوأم.

قمة تدور مئة دورة في الثانية، ثم تبدأ فجأة بفقدان سرعتها بشكل حاد — أسرع بكثير من أي قمة معروفة. هذا بالضبط ما يفعله النجم النابض J0435+3233. إنه نجم ميت انكمش إلى حجم مدينة، لكنه يدور بسرعة هائلة. دورته أقل من 10 ميلي ثانية، وقد سجل رقمًا قياسيًا: لم يُرَ من قبل نجم نابض سريع بهذا التباطؤ الشديد (تباطؤه يتجاوز $$10^{-12}$$ هرتز/ثانية).

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون يزمجر كالجرس. لقد انتهى التضخم الكوني – حقبة التوسع السريع التي تأكدت بقياسات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي – وبدأ حقل التضخم الكوني يهتز حول قاع جهده. وكأن لسان الجرس يضرب القبّة، تنقل هذه الاهتزازات الطاقة إلى الزمكان.

عندما يندمج ثقبان أسودان في مكان بعيد، يصلنا ارتجاج في الفضاء — الموجات الثقالية. عادةً ما تُوصف هذه الموجات بمعادلات أينشتاين، لكن ماذا لو كانت الجاذبية تعمل بشكل مختلف على أصغر المسافات؟ أخذ مؤلفو الدراسة إحدى هذه الفرضيات — جاذبية هورافا-ليفشيتز.

في عام 2017، سجل كاشفا LIGO وVirgo ارتعاش الزمكان الناتج عن اصطدام نجمين نيوترونيين اندماج النجوم النيوترونية — الحدث GW170817. بعد التموج الأول، تبعته ترددات لاحقة: تذبذبات كيلوهرتزية من البقايا فائقة الكثافة التي تشكلت حديثاً. هذه الإشارة ليست مجرد ضوضاء، بل هي صوت المادة نفسها، المضغوطة إلى حدود لا يمكن تصورها.

في عام 2019، سجّل مرصد ليغو موجة ثقالية — تموّج في نسيج الزمكان — كانت خريطتها الترددية الزمنية تشبه مشطاً غريباً. كل إشارة من اندماج الثقوب السوداء تترك نمطاً فريداً، كبصمات الأصابع. لكن المشكلة هي أن ظاهرتين مختلفتين تماماً قد ترسمان لوحات لا تكاد تختلف.

قبل 13,8 مليار سنة، كان الكون يرقص رقصة الفالس. كان الدوران إلى اليمين محظورًا. اليوم، تصلنا أصداء تلك الحفلة الكونية في شكل تموجات بالكاد محسوسة في الزمكان — الموجات الثقالية (gravitational waves). لقد تنبأ بوجودها Albert Einstein.

الكون يعزف لحنه، لكن أذننا لا تلتقط إلا النغمات الجهيرة. مرصد لايغو يسمع هدير اندماجات الثقوب السوداء، وهو أشبه بالموجات دون الصوتية للكون. أما في الترددات الأعلى، في نطاق الغيغاهيرتز، فترن مزامير وكمنجات الجاذبية البدائية.

17 دقيقة — بهذا التردد ينبض قلب نجم السلوقيان AM، ضارباً الإيقاع لكامل فئة الثنائيات فائقة الانضغاط. في هذه الأنظمة، يدور قزمان أبيضان في رقصة أخيرة، ضاغطين المدار تحت همس الموجات الثقالية الذي لا يُسمع بعد. كل زوج هو ميترونوم كوني، يقرع إيقاعاً فريداً. لكن الفلكيين حتى الآن لم يميزوا سوى وهج باهت، بلا طابع زمني.

كاشفات الموجات الثقالية تشبه ميكروفونات حساسة تلتقط همس الكوارث البعيدة. لكن بين الحين والآخر، ينفجر فيها طقطقة حادة — ضوضاء قصيرة تُعرف بالغلتش. قد تشبه هذه الطقطقة إشارة حقيقية من اندماج ثقبين أسودين، وعندها يخاطر الفلكيون بأن يخلطوا بين الضوضاء والاكتشاف. الأداة الجديدة bilby_glitch تعمل مثل مهندس صوت يسمع في الوقت نفسه الموسيقى والطقطقات في التسجيل.

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.

قد يكون الهمهمة المنخفضة القادمة من تحت الأرض ضجيج موقع بناء بعيد، وقد تكون صدى لزلزال قديم. لغز مماثل واجه علماء الفلك عندما التقطوا في عام 2023 موجات ثقالية فائقة الانخفاض في التردد الموجات الثقالية — ارتعاش الزمكان نفسه المندفع عبر الكون.

كرتان فائقتا الكثافة، كل منهما بحجم مدينة، تدوران في رقصة. كتلتهما أقل من كتلة الشمس، لكن بداخلهما مادة مضغوطة إلى حدود لا يمكن تصورها. إحداهما نجم نيوتروني، والأخرى نجم غريب يتكون بالكامل من الكواركات (الجسيمات الأولية التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات). عندما يصطدمان، يصبح الفرق مسموعًا. النجم الغريب يحافظ على شكله حتى اللحظة الأخيرة.

الكون يعيد كتابة تاريخه مراراً وتكراراً. فبينما لا يرى الفلك التقليدي سوى نقطة — ثقب أسود — تنتزع الموجات الثقالية طبقات الماضي الرقيقة، كما نفعل مع طِرس أثري. وفكرة أن الثقوب السوداء يمكنها أن تنمو بابتلاع بعضها بعضاً، وأن تندمج ذريتها في تحالفات جديدة، يناقشها علماء الفيزياء الفلكية منذ نصف قرن.

في محيط الكون، كل عاصفة من ولادة أو اندماج ثقوب سوداء فائقة الكتلة تولد تموجاً — موجات ثقالية تنتشر بسرعة الضوء. على مدى مليارات السنين، تتراكب هذه الموجات وتندمج في همهمة منخفضة التردد، كأنها أمواج متكسرة بعيدة.

لطالما حير لغز المادة المظلمة علماء الفيزياء لما يقرب من قرن. ومن بين المرشحين للعب هذا الدور الثقوب السوداء البدائية (PBHs)، التي نشأت في أحضان اللحظات الأولى الحارة بعد الانفجار العظيم.

يتحدث الكون بلغة الموجات الجذبية — ارتجاف نسيج الزمكان ذاته. عندما يندمج نجمان نيوترونيان، وهما البقايا فائقة الكثافة لانفجارات مستعر أعظم خبت منذ زمن بعيد، في رقصة أخيرة، يصدران تغريدةً ممتدة تتزايد في ترددها.

الدوامة: تدوير الخفيفة أسهل من الثقيلة. هذا ما تفعله النجوم النيوترونية تقريبًا — وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. نظر علماء الفلك إلى نحو خمسين نظامًا ثنائيًا يدور فيه نجم نيوتروني حول آخر، فلاحظوا: كلما زادت كتلة النجم، طال زمن دورانه. العلاقة ليست حتمية، لكنها ملحوظة إحصائيًا. معامل الارتباط (مقياس العلاقة الإحصائية) حوالي -0.26، ومع احتمال 96% يكون أقل من الصفر.

نجمان نيوترونيان — بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة — يندمجان في نجم واحد، فيرتجف الفضاء من حولهما: تولد موجة ثقالية، تموج في نسيج الزمكان نفسه. وفي نفس الوقت تقريبًا، ينطلق من موقع الكارثة تيار ضيق من المادة — النفاث. يتحرك هذا التيار بسرعة تقارب سرعة الضوء، وعند اختراقه الغلاف الخارجي المكون من المادة المقذوفة، يسبب ومضة.

النجوم النيوترونية، التي تولد في لهيب المستعرات العظمى، لا تكف عن إدهاشنا حتى بعد قرن تقريبًا من توقع وجودها. أشار كل من فريتز زفيكي وفالتر بادي في ثلاثينيات القرن الماضي إلى إمكانية وجودها، ثم اكتشفت جوسلين بيل بورنيل في عام 1967 النجوم النابضة — المنارات الكونية…

كان الكون المبكر يشبه قاعة مكتظة، حيث كانت الجسيمات الثقيلة تتصادم وتضمحل بإيقاع مذهل. ومن بينها ربما كانت اللبتوكواركات العددية — جسيمات ترتبط في الوقت نفسه بالكوارك (لبنة المادة) واللبتون (مثل الإلكترون). وفي إطار نظرية التوحيد الكبرى، حيث تتحد جميع قوى الطبيعة في قوة واحدة، يجب أن تكون هذه اللبتوكواركات ضخمة جدًا. وإلا لكان البروتون يضمحل بسرعة كبيرة جدًا، والتجارب لا ترى ذلك.