جي دبليو تي سي

تبدو السماء ليلًا سوداء تمامًا، لكن التلسكوبات الحديثة تميز ملايين المجرات، ومع ذلك فإن بعض الأجسام شديدة الخفوت لدرجة أنها تكاد تندمج مع التوهج الخلفي. هذا بالضبط ما رصده علماء الفلك بالصدفة أثناء مراقبة عنقود العذراء بتلسكوب يبلغ قطره مترين في مرصد تيد. حصلت المجرة على التسمية TTT J1237327+143535.

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.

المجرة NGC 5584 هي مدينة نجمية شاسعة، بعض أحيائها ما تزال قيد الإنشاء، بينما تميزت أخرى بعمالقة قدامى. لرؤية النوعين معًا، استخدم علماء الفلك «مصباحين» مختلفين تمامًا. التلسكوب فوق البنفسجي سويفت أظهر بقعًا زرقاء ساخنة — مشاتل نجمية حيث تتوهج النجوم الضخمة حديثًا.

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.

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.

في غرفة مظلمة، بالكاد يُسمع همس. لتمييز الكلمات، عليك الاقتراب كثيرًا — أو نصب العديد من الميكروفونات الحساسة. هذا تقريبًا ما يفكر فيه مؤلفو العمل الجديد: يضعون «آذانًا» كمية داخل الرنان نفسه، حيث تتحول الموجة الثقالية عالية التردد إلى صدى كهرومغناطيسي.

مقهى صاخب. تحاول أن تميز حديثين هادئين: أحدهما من طاولة قرب النافذة (اندماجات الثقوب السوداء)، والآخر همسٌ بالكاد يُسمع من الزاوية البعيدة (أصداء ولادة الكون). لكن كل شيء يغطيه طنين آلة القهوة وضجيج الشارع (اهتزاز الكاشفات). العمل الجديد يعلّم الحاسوب فصل هذه الأصوات. ابتكر المؤلفون شبكة عصبية ببنية خاصة — مُرمِّز ذاتي متعدد المستويات بعدة «رؤوس».

طبقة تلو الأخرى، قطعة أثرية تلو الأخرى — يعيد عالم الآثار بناء تاريخ مستوطنة قديمة. وهكذا، علماء الفيزياء الفلكية، وهم يحللون 259 تسجيلًا من ليغو–Virgo–KAGRA، رأوا بنية طبقية واضحة بين الثقوب السوداء المندمجة. كل طبقة — مئات الملايين من السنين من التطور، مسجلة في الموجات الثقالية.

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 مليء بموجات غير مرئية — تموجات في الفضاء تتركها كوارث مثل اصطدام الثقوب السوداء. الثقب الأسود العادي يبتلع كل شيء دون أثر. لكن هناك أجسامًا غريبة افتراضية — كتل فائقة الكثافة من المادة دون أفق حدث (سطح لا يمكن حتى للضوء الإفلات من تحته).

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.

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⊙.

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).

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 مايو 2020، سجل كاشفا LIGO وVirgo دفقة ثقالية GW200105. من بين العديد من الموجات الثقالية المشابهة، تميزت هذه الغرابة: مدار النجم النيوتروني والثقب الأسود المتصادمين لم يكن دائرة مثالية، بل قطعًا ناقصًا ممدودًا. الانحراف المركزي القابل للقياس نادر جدًا في مثل هذه الأنظمة.

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.

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.

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.

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.

الكون نفسه يضع العدسات في مسار موجات الجاذبية. عندما يندمج ثقبان أسودان، تنطلق تموجات الزمكان عبر الكون. إذا صادفت في طريقها تجمعًا مجريًا ضخمًا، فإن جاذبيته تحني مسار الموجات — تمامًا كما تقوم العدسة الزجاجية بتركيز الضوء. قد تتضخم الإشارة عدة مرات أو حتى تتضاعف إلى عدة نسخ تصل متأخرة.

تلتقط كواشف لايغو وفيرغو تموجات الزمكان، لكن بعض الإشارات تجبرنا على إعادة كتابة سيناريوهات الموت النجمي. GW190814 — اندماج ثقب أسود كتلته 23 كتلة شمسية مع جسم مضغوط كتلته 2.6 كتلة شمسية — هو نوتة نشاز في سيمفونية النماذج القياسية.

مرصد الموجات الثقالية يشبه ميكروفونًا موزعًا في نقاط مختلفة من الأرض. عندما تصل إشارة من الفضاء — مثل اندماج ثقبين أسودين أو انفجار مستعر أعظم — يسمع كل ميكروفون شيئًا مختلفًا قليلاً. حتى الآن كان يُعتقد أن جبهة الموجة مستوية، مثل الضوء القادم من كشاف بعيد. وبالنسبة لأجهزة الكشف الحالية LIGO وVirgo، هذا صحيح: الموجة ضعيفة وبعيدة جدًا لدرجة أنه يمكن إهمال انحنائها.

طنين يملأ أرجاء الكون. ليس صوتًا، بل ارتجافًا في نسيج الفضاء نفسه — الخلفية الموجية الثقالية. تنشأ عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة تتراقص حول بعضها في مراكز المجرات البعيدة. كل زوج منها كآلة إيقاعية عميقة في أوركسترا ضخمة. التقاط عزف منفرد لإحدى هذه الآلات وسط الطنين العام هو مهمة الهوائيات النابضة. النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية تُصدر نبضات راديوية بدقة مذهلة.

في عام 2015، التقطت الكواشف لأول مرة موجة ثقالية — ارتجاج في الفضاء وصل من اندماج ثقبين أسودين. ومنذ ذلك الحين، أصبحت هذه الإشارات نافذة جديدة لعلم الفيزياء الفلكية على الكون. لكن الموجات الثقالية قادرة على أكثر من ذلك: فهي تحمل بصمة نظرية الجاذبية نفسها.

الأمواج تفرز الحصى على الشاطئ الرملي. الحصى الصغيرة تتجاور بشكل متلاصق، متشابهة الحجم تقريبًا. أبعد قليلًا عن الشاطئ، نجد حصى أكبر حجمًا وأكثر تنوعًا. وعند حافة الماء حيث يكون الأمواج قوية، تتراكم القطع الأكبر والأكثر استدارة. هكذا تقريبًا تفرز الطبيعة الثقوب السوداء حسب الكتلة عندما تندمج في أزواج.

عندما ترسل إلينا مجرة بعيدة ضوءها، يضعف الضوء مع المسافة — ومن هذا الضعف يمكننا معرفة مدى بعدها. تقريبًا بنفس الطريقة تعمل الموجات الثقالية: كلما كان مصدرها أبعد، كان ارتعاش الفضاء الذي تلتقطه الكواشف على الأرض أضعف. ولكن إذا كان لعالمنا أبعاد خفية، فقد تتسرب الجاذبية إليها، وتخمد الموجات أسرع من المعتاد.

في مركز كل مجرة كبيرة تقريبًا يعيش ثقب أسود فائق الضخامة — عملاق صامت تدور حوله النجوم والغاز وثقوب سوداء أخرى أصغر حجمًا. بين الحين والآخر، ينحرف أحد هذه الأجسام عن مداره ويبدأ بالسقوط نحو الوحش المركزي في حلزون يتقلص باستمرار. يستمر هذا السقوط لسنوات، وطوال هذه المدة يصدر النظام موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تنتشر عبر الكون.

في مركز درب التبانة، مثل دمية داخل دمية، يختبئ ثقب أسود هائل، وحوله سرب من النجوم وغلاف غير مرئي من المادة المظلمة. هذا الغلاف، أو "السنبلة"، يجب أن يكون كثيفًا جدًا عند الأفق نفسه. لكن النجوم والثقوب السوداء الصغيرة التي تدور قربه قد تعمل مثل ملعقة في فنجان قهوة: تقلب الجسيمات وتبعثرها. قرر مؤلفو الدراسة الجديدة اختبار مدى فساد هذه "الملعقة" للسنبلة.

ثقبان أسودان يقتربان قبل الاصطدام يشبهان متزلجين فنيين في دوران ثنائي: كل منهما يدور حول محوره، ومعًا يلفّان رقصة مشتركة. هذا البرغي المشترك — ما يسمى باللف الفعال — يمكن لعلماء الفلك قياسه من الموجات الثقالية التي تنتشر من الزوج مثل تموجات على سطح الماء. في الدراسة الجديدة، حلل العلماء الكتالوج الأخير لمثل هذه الأحداث، الذي جمعته كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA.

الموجات الثقالية هي تموجات في نسيج الزمكان نفسه، تشبه اهتزازات وتر كوني عملاق. أجهزة الكشف التقليدية، مثل LIGO وVirgo، تلتقط "النغمات" منخفضة التردد — وهي اضطرابات ناتجة عن اندماج ثقوب سوداء ضخمة بكتل نجمية. ومع ذلك، توجد أيضًا موجات ثقالية عالية التردد — وهي ارتجافات فائقة السرعة بترددات في نطاق الميغاهرتز والغيغاهرتز.

تخيّل أوركسترا يعزف كل عازف فيها دوره، بينما يحاول قائد الأوركسترا التقاط إيقاع خافت بالكاد يُسمع، مشترك بين الجميع. هكذا تقريباً يبحث علماء الفلك عن الموجات الثقالية الصادرة عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة (بكتلة تعادل مليارات الشموس) التي تدور حول بعضها في مجرات بعيدة.

في الرابع عشر من مايو عام 2019، رصدت كواشف LIGO دفقة جاذبية لم تتناسب مع الإطار المعتاد. ظهر الحدث GW190521 كاصطدام بين ثقبين أسودين الثقوب السوداء بكتلتين تبلغان 85 و66 كتلة شمسية. وقع الثقب الناتج البالغ 142 كتلة شمسية مباشرة في النطاق "المحظور" - حيث لا تكاد تنهار النجوم تاركة أثراً.

النجم النيوتروني هو بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم، حيث تزن ملعقة صغيرة من مادته مليار طن. والعديد منها، كما اكتشفت جوسلين بيل بورنيل في عام 1967، يصبح نباضاً — منارات كونية تومض بانتظام في النطاق الراديوي.

في وقت سابق، اكتشف إدوين هابل أن المجرات تتباعد عن بعضها، وربط جورج لومتر ذلك بتوسع الفضاء. اليوم، يفترض نموذج ΛCDM، المستند إلى الطاقة المظلمة والمادة المظلمة، أن الكون مسطح كلوحة قماشية مشدودة بإتقان.

تعمل كواشف LIGO وVirgo وKAGRA كـ«ميكروفونات» فائقة الحساسية للكون، تلتقط الموجات الثقالية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه. الكتالوج الجديد GWTC-5.0 أضاف 161 حدثًا لاندماج الثقوب السوداء — مناطق ذات جاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها، ليصل العدد الإجمالي للإشارات المسجلة إلى 390.

تخيل بالوناً ضخماً قابلاً للنفخ مرسوماً عليه مجرات، وعندما يُنفخ يتمدد الرسم وتتباعد النقاط المتجاورة عن بعضها البعض. سرعة هذا التمدد هي ثابت هابل. عادةً ما يلتقط الفلكيون ضوء النجوم البعيدة ويرصدون مدى احمراره بسبب تمدد الفضاء.

الموجات الثقالية هي اهتزازات في نسيج الزمكان ذاته، تنشأ عن أحداث كارثية مثل اندماج الثقوب السوداء أو غيرها من الأجرام فائقة الكتلة.