مجرات ذات انزياح أحمر عالٍ

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.

مدينة قديمة تكتسب ضواحي جديدة. في المركز أزقة ضيقة تكاد الحياة فيها تتجمد، بينما في الأطراف يزدهر البناء. هكذا تبدو المجرة الحلزونية المجرة التي شاخت نجوم نواتها منذ زمن بعيد، بينما ما زالت نجوم جديدة تولد في قرصها الخارجي.

تبدو السماء ليلاً موحدة، لكنها في الحقيقة تحتوي على تكتلات — مجتمعات هائلة من المجرات تعمل كعدسات تعمل على انحناء ضوء الأجسام البعيدة. عندما يحدث انفجار راديوي قوي قصير في مكان ما من الكون، قد يمر مساره نحو التلسكوب الأرضي بالقرب من إحدى هذه التكتلات. التقط التلسكوب الراديوي الكندي CHIME على مدى عدة سنوات مئات الانفجارات الراديوية السريعة — ومضات تدوم أجزاء من الثانية.

في قلب مدينة قديمة يقف برج بساعة لم تُضبط منذ بنائها. من تأخرها يمكن حساب كم تمدد الزمن منذ ذلك الحين. في الفضاء، تلعب المجرات الأثرية دور هذه الأبراج، وهي تجمعات نجمية كثيفة تشكلت في أول مليارات السنين ولم تندمج مع جيرانها منذ ذلك الحين ولم تولد نجومًا جديدة. ضوءها هو بصمة العمر، مجمدة في الطيف.

ستة عدّائين يركضون على المضمار، والحكام يقيسون سرعتهم دون أن يلاحظوا الرياح المواتية. الرياح تهب في ظهورهم جميعًا، وساعات الإيقاف تُظهر نتيجة أفضل من الحقيقية. هكذا تقريبًا ضللت ستة ميجاميزرات — وهي ليزرات كونية طبيعية في مجرات بعيدة — علماء الفلك الذين كانوا يقيسون سرعة توسع الكون.

يشبه الكون هيكلًا خفيًا ضخمًا. لا نراه مباشرة، لكننا نعلم بوجوده: فالمجرات وعناقيدها تتماسك بفضله. هذا الهيكل هو المادة المظلمة، وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية. النسخة الأكثر شيوعًا تقول إنها «باردة» وتتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة.

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.

التقط مطياف جيمس ويب انخفاضًا بالكاد ملحوظًا في طيف مجرة بعيدة المجرة — خطان كظلال تركها غاز بارد. إنهما خطا الصوديوم، نفس الضوء الأصفر لمصابيح الشوارع. هنا، على حافة الكون المنظور، يكشفان عن زفير بطيء لـ المجرة تعيد المادة إلى الفضاء.

في الكون المبكر، بعد بضع مئات من ملايين السنين فقط من الانفجار العظيم، يرصد الفلكيون أجساماً غريبة: نقاطاً حمراء صغيرة. إنها مدمجة وحمراء، وفي أطيافها تصرخ خطوط بالمر العريضة بوجود ثقوب سوداء فائقة الكتلة.

صائد الضوء القديم — تلسكوب جيمس ويب — وجّه مراياه إلى بقعة صغيرة من السماء ورصد منارة غريبة. الجسم الذي يحمل الاسم العملي beacon_1420-$$5253_{4770}$$ اشتعل ثم خفت. في البداية، أُدرج ضمن المرشحين ليكون أبعد مجرة — وكأننا نراها بعد 300 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. لكن المجرات لا تتصرف هكذا: فهي لا تختفي في غمضة عين بين المجرات.

مدينتان تعرضتا لسلسلة من الحرائق. في إحداهما، تبعثر الرياح الرماد بعيدًا إلى ما وراء الأطراف، فتبقى السماء صافية. وفي الأخرى، يترسب الرماد كستار كثيف يصبغ الغروب بلون قرمزي. تقريبًا هكذا، لكن على نطاق المجرات، تعمل انفجارات المستعرات العظمى (supernovae) — الومضات الأخيرة للنجوم الضخمة. عندما تتوالى انفجارات المستعرات العظمى في تجمع نجمي فتي، تندمج موجات صدمتها في تيار قوي.

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.

الخلفية البصرية للسماء هي طِرْس كوني، حيث يتراكب ضوء مليارات المجرات غير المميزة المجرات في طبقات تعود إلى عصور مختلفة. حتى الآن، كنا نميز فقط "الحروف" الأكثر سطوعًا — النجوم الفردية والمجرات القريبة. لكن الجزء الأكبر من النص بقي بقعة ضبابية تخفي تاريخ توسع الكون، وولادة النجوم الأولى وطبيعة المادة المظلمة.

في عام 2016، رأى الفلكيون شيئاً لا يصدق: نجم بعيد، سُمي إيكاروس، توهج لعدة أسابيع متجاوزاً هاوية الفضاء. حدث العدسية الجاذبية — التأثير الذي تنبأ به أينشتاين: جسم هائل يحني الزمكان ويركز الضوء، مثل عدسة مكبرة عملاقة. عنقود المجرات MACS J1149 ضخم بريق إيكاروس آلاف المرات.

في المهد الكوني العملاق — سديم الرتيلاء — تفحّص علماء الفلك 122 نجمًا ضخمًا، كلٌّ منها أثقل من الشمس بـ30 مرة أو أكثر. قاسوا محتوى النيتروجين في أغلفتها الجوية، فكانت الصورة مفاجئة. جميع النجوم التي تزيد كتلتها عن مئة كتلة شمسية تقريبًا أصبحت «أبطالًا في النيتروجين»: مستوى هذا العنصر فيها تجاوز توقعات النماذج القياسية بنسبة تتراوح بين 5 و10 أضعاف.

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.

عندما ننظر إلى أعماق الكون، فإننا نرى الماضي. قانون إدوين هابل يحول الانزياح الأحمر إلى آلة زمن: استغرق الضوء من مجرة UDS 12999 للوصول إلينا 7.6 مليار سنة – أكثر من نصف عمر الكون.

عندما أمعن JWST النظر في الكون الفتي عند انزياحات حمراء تتراوح بين 6 و10، اكتشف تناثراً من 'النقاط الحمراء الصغيرة' (LRD) الغامضة. جمعت هذه الأجرام بين سمات المجرات والنوى النشطة، لكن أطيافها رفضت الانصياع للأنماط المألوفة. كانت مدمجة، قرمزية، تشع بقوة هائلة - وبدا وكأنها تنتهك قوانين نمو الثقوب السوداء.

كل ومضة راديوية سريعة تشبه صدى مدوٍ في الفراغ. وفي رنينه المتلاشي تتشفر بنية الفضاء بأكملها: عبر مليارات السنين الضوئية، يتأخر النبض الراديوي قليلاً بسبب كل إلكترون حر يقابله. هذا التأخير — مقياس التشتت — يزداد مع طول المسار، لكننا لم نكن نعرف سابقًا كم عدد الإلكترونات المختبئة داخل أبعد مجرة.

تخيل كشافاً: إذا نظرت إليه من الجانب، يضيء بضوء أحمر خافت، أما إذا نظرت إليه مباشرة في وجهك، فإنه يبهرك بضوء أبيض مزرق. ووفقاً لبيانات جديدة، هكذا تبدو "النقاط الحمراء الصغيرة" الغامضة في الكون المبكر. إنها ثقوب سوداء عملاقة — أجسام ذات جاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها — موجهة نحونا بحافتها.

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.

الكون ينمو مثل مدينة كبرى: ناطحات السحاب من المجرات تُبنى على هيكل غير مرئي من المادة المظلمة - جاذبيتها تجذب مواد البناء. بينما الطاقة المظلمة تجعل المدينة نفسها تتوسع باستمرار. كان يُفترض سابقًا أن الهيكل يزداد كثافة بمعدل ثابت، رغم توسع الفضاء. لكن القياسات الحديثة تُظهر: في العصور الأخيرة، انخفضت وتيرة البناء.

المجرات الإهليلجية هي مدن نجمية هادئة في مرحلة التقاعد. وفق كل القوانين، ينبغي أن يكون ضوؤها هادئًا مائلاً للحمرة، مثل الغروب. لكن أطيافها تصرخ بعكس ذلك: في الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، تتوهج هذه العجائز كأنها أضواء زينة الأعياد. طوال ثلاثة عقود، حار علماء الفلك في أمر هذا 'الارتفاع فوق البنفسجي' (UV upturn).

الكون يشبه غابة كثيفة: من القرب ترى أشجارًا-مجرات منفردة متجمعة في بساتين، ولكن من بعيد يندمج كل شيء في خضرة متصلة. الحد الذي يصبح بعده الكون متجانسًا يُسمى المقياس الزاوي للتجانس - وهو مقدار رقعة السماء التي ابتداءً منها تتوزع المجرات بانتظام.

عندما وجّه تلسكوب جيمس ويب الفضائي نظره إلى أعماق الزمن، توقع الفلكيون رؤية المجرات المعتادة. ولكن بدلاً من ذلك، تزيّنت الصور بمجموعة من النقاط الحمراء الساطعة والمدمجة بشكل لا يُصدق. هذه الأجسام، التي حصلت على لقب «النقاط الحمراء الصغيرة» (LRD)، لم تكن مدنًا نجمية، بل شيئًا أكثر غرابة – أشبه بفوانيس سماوية صغيرة، يحتدم بداخلها لهيب مخفي عن الأنظار.

نظر تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى عصر كان عمر الكون فيه أقل من مليار سنة، واكتشف هناك مئات الأجسام الغريبة. صغيرة لكنها شديدة السطوع، تتألق بلون أحمر عميق — كالجمرات الملتهبة المتناثرة على مخمل الفضاء الأسود. هذه «النقاط الحمراء الصغيرة» (LRDs) تتحدى الصورة المتناسقة لنشأة النجوم والمجرات الأولى.

المليارا سنة الأولى بعد الانفجار العظيم — حقبة كان الكون فيها أشبه بموقع بناء يغلي بالنشاط. المادة المظلمة كانت تجمع الغاز في كتل، فاشتعلت تلك الكتل بالنجوم الأولى. كان يبدو أن الوقت لم يكن كافياً لتجميع مجرات إهليلجية ضخمة من هذه المواد الخام — تلك 'المدن النجمية' الخامدة.

كشفت صور تلسكوب «جيمس ويب» الفضائي عن توهج شديد بشكل غير متوقع من المجرات الأولى — أنظمة نجمية هائلة تشكّلت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. تخيّل: المحمصة تُحمّر شريحة الخبز في دقيقة، بينما يحتاج الفرن إلى ساعة كاملة لخبز رغيف — والنتيجة، في جوهرها، متشابهة.

من بين الكنوز المتناثرة للكون المبكر التي التقطها جيمس ويب، توجد أجرام تشبه خرزات ياقوتية متناثرة على مخمل أسود. إنها «النقاط الحمراء الصغيرة» (LRD) — مصادر مدمجة ذات أطياف حمراء حادة، تختبئ بداخلها ثقوب سوداء فائقة الكتلة تصل إلى مئة مليون كتلة شمسية. إنها أشبه بشرانق مجرية، مغلّفة بشرانق كثيفة من الغاز والغبار.

رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي في أعماق الكون أجسامًا مدهشة — نقاطًا حمراء صغيرة تتوهج بشدة وكأن مصباحًا كشافًا مخبأ في لمبة صغيرة. هذه النقاط ليست نجومًا ولا مجرات بالمعنى المألوف، بل هي أشبه بـ'شرانق' حول ثقوب سوداء فائقة الكتلة تلتهم الغاز المحيط بنهم. عندما يلتهم الثقب الأسود المادة بسرعة كبيرة، يتوهج حوله وهج مبهر — ونراه كنقطة حمراء.

الرسام يرسم لوحة بورتريه ضربة فرشاة تلو الأخرى، ثم يُعرض عليه كاميرا مع فلاش — نقرة واحدة، وينتهي الأمر. هذا تقريباً شكل الانتقال من النماذج متعددة الخطوات إلى النماذج أحادية الخطوة في توليد صور المجرات. الشبكات العصبية التعلم العميق في التصوير الطبي المعتادة لتوليد الصور تعمل مثل رسام الألوان المائية: تضع طبقة، تمزج الألوان، تضيف تفاصيل.

نجمان يدوران حول بعضهما البعض، كراقصين في رقصة الفالس البطيئة. هذه الرقصة ليست أبدية: يقترب الشريكان تدريجياً حتى يصطدما ويندمجا في كيان واحد. في تلك اللحظة بالذات يولد المستعر الأحمر الجديد — وميض يتوهج في السماء لعدة أسابيع، ثم يخفت ببطء، مغلفاً بسحابة كثيفة من الغبار. المستعر العادي هو عندما يسقط المادة على قزم أبيض (نجم كثيف جداً وحار بحجم الأرض).

سجّل تلسكوب جيمس ويب في الكون الفتيّ عددًا كبيرًا من المجرات الساطعة. إشعاعها فوق البنفسجي لم يكن تقريبًا يُمتص بواسطة الغبار الكوني – وهو جسيمات صلبة متناهية الصغر منتشرة في الفضاء بين النجوم – خلافًا للتوقعات السابقة.

إدوين هابل وجورج لومتر وضعا قبل قرن تقريبًا أسس مفهوم توسع الكون — وهي العملية التي يتمدد فيها الفضاء نفسه بين المجرات باستمرار. إحدى الطرق الكلاسيكية لاختبار هذه الفرضية هي اختبار السطوع السطحي: في الكون المتوسع، يجب أن يخفت ضوء المجرة البعيدة مثل رسم على غشاء يتمدد بشكل منتظم.

حول مجرتنا، مثل تاج غير مرئي، تمتد سحابة غازية رقيقة محمّاة إلى ملايين الدرجات. تُسمى هذه الهالة المجرية. من الصعب رؤية هذا التوهج مباشرة لأنه يصدر أشعة سينية ناعمة تمتصها الغلاف الجوي للأرض. لكن التلسكوبات الفضائية، مثل eROSITA، قادرة على التقاط هذا الضوء الخافت ورسم خرائط للتنفس الساخن لدرب التبانة.

يستغرق الضوء القادم من مجرة التنين البعيدة أكثر من سبعة مليارات سنة للوصول إلينا. في طريقه، يمر بجوار عنقود مجرات ضخم تعمل جاذبيته على انحناء مسار الضوء، مثل العدسة. لذلك تبدو لنا المجرة أكثر سطوعاً وأكبر مما هي عليه في الواقع — تماماً كما تكبّر العدسة المكبرة النص الصغير. داخل هذه العدسة الكونية توجد أيضاً نجوم منفردة.

في حديقة لا تكتفي أزهارها الأولى بالتفتح فحسب، بل تتناثر بذورها بعيدًا خارج السياج، هناك شيء من الكرم المذهل. شيء مشابه كان يحدث في الكون الفتيّ. المجرات التي نشأت بعد حوالي 500 إلى 700 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم كانت محاطة بالفعل بغاز مليء بالكربون والسيليكون والأكسجين — وهي عناصر لا تولد إلا داخل النجوم.

في الشبكة الكونية الشاسعة، رصد تلسكوب جيمس ويب شيئًا غير عادي — شرارات حمراء صغيرة ولكن ساطعة، أطلق عليها علماء الفلك اسم «النقاط الحمراء الصغيرة». إنها تتوهج وكأن نارًا خفية تغلي في داخلها: طيفها يشبه حرف V، وخطوط الهيدروجين فيها متسعة، وكأن أحدهم لطخ الطلاء على لوحة.

في ملعب الأطفال، للتو تم تدوير الأرجوحة الدوارة. في اللحظات الأولى، ما يزال الأطفال يتزاحمون ويتشبثون بالقضبان، والمشهد العام فوضى. لكن تمر ثانيتان، فتقوم القوة الطاردة المركزية بترتيبهم في دائرة، مانحةً الحركة شكلًا واضحًا.

التلسكوب الراديوي FAST في الصين هو طبق عملاق يبلغ قطره نصف كيلومتر، مخبأ في قمع طبيعي بين الجبال. يلتقط موجات الراديو من الفضاء، وفي أحدث مسح للسماء عثر على 70 جسمًا غريبًا: تصدر إشارة راديوية مميزة لسحب الهيدروجين، لكن عند النظر إليها بالتلسكوب البصري العادي لا يُرى شيء تقريبًا. تسمى هذه الأجسام مرشحين لمجرات مظلمة.