ثابت هابل

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.

عندما نحدق في سماء الليل، تصطدم أعيننا بسواد لا نرى ما وراءه. هذا ليس مجرد حاجز بعيد، بل هو حافة الكون المتاح لنا، الأفق الكوني. فالضوء القادم من نجوم أبعد لم يصل إلينا بعد. والمثير للدهشة أن هذه الحدود غير المرئية تتصرف تقريبًا مثل مقلاة ساخنة: لها درجة حرارة، وتخضع لقوانين الحرارة.

كان الكون يبرد مثل بركة ماء ضخمة بعد بداية حارة. بعد 400 000 سنة من الانفجار العظيم، كان الهيدروجين على وشك إعادة الاتحاد (Recombination) — حيث تلتقط البروتونات الإلكترونات لتشكل ذرات متعادلة. لكن في مكان ما من هذه المياه المعتمة، ظل صنبور يقطر.

تُعد Albert Einstein الموجات الثقالية التي تنبأ بها منارات في محيط الفضاء المظلم. تتوهج عند تصادم الثقوب السوداء وتخترق الكون بتموجات الفضاء. قبل مئة عام، لاحظ Edwin Hubble و Georges Lemaître أن المجرات البعيدة تبتعد عنا.

عندما فقد الكون المبرد بعد الانفجار العظيم تماثله البدائي، نشأت توترات في الحقول - تمامًا كما تظهر تشققات دقيقة في الزجاج أثناء تبريده. الأحاديات القطبية الشاملة التي تنبأ بها جيرارد ت هوفت وبولياكوف أصبحت بمثابة "ندوب" على جسد الوجود. كل أحادي قطب هو عقدة حقلية دقيقة لكنها هائلة الكتلة.

تخيل أوركسترا كونية تعزف سيمفونية من الانفجار العظيم حتى أيامنا هذه. بدا قائد الأوركسترا — الطاقة المظلمة — لفترة طويلة كبندول إيقاع غير مبالٍ: الثابت الكوني Λ ثابت لا يتزحزح، مثل عصا القائد المتجمدة في الهواء.

اضرب على الشوكة الرنانة. التردد 440 هرتز. هذه نغمة لا. معيار الصوت. في عالم الأعداد معيار أيضًا. لا يُضبط على الصوت، بل على الأعداد الأولية. مع أن توزيعها يبدو عشوائيًا، فهو يخضع لقوانين صارمة. جميع الأعداد الأولية ترنّ معًا. القيمة واحدة: λ∞ ≈ 0,674036. ينشأ هذا الثابت من معادلة يكون فيها مجموع 1/(xp²−p+1) على جميع الأعداد الأولية p مساويًا 1.

الأوركسترا الكونية لا تُضبط على شوكة رنّانة واحدة. هناك مجموعتان من الآلات: الأولى تُصغي إلى همهمة الكون الفتي — إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والأخرى تقرأ النوتات من المجرات الناضجة والمستعرات العظمى. لعقود، حاولت المجموعتان عزف نغمة واحدة متناغمة — أي تحديد سرعة تباعد الأرخبيلات المجرية.

هل الثابت الكوني لأينشتاين خطأ مزعج أم بصيرة عادت كالبوميرانغ؟ تسارع الكون فاجأ الفيزيائيين: نموذج ΛCDM يعمل، لكن لماذا طاقة الفراغ صغيرة بشكل سخيف؟ تخيل محيطًا يعج بالتقلبات الكمومية، لكن على السطح لا يوجد سوى تموج مجهري. مشكلة الضبط الدقيق تتطلب أفكارًا جديدة، وهي تأتي من اتحاد غير متوقع: الحساب الكسري والمبدأ الهولوغرافي.

الكوكب العملاق الرضيع ما زال يجذب بقايا مواد البناء من السحابة المحيطة به. هذا هو المشهد الذي التقطه تلسكوب هابل الفضائي موجّهًا كاميراته نحو الجسم المعروف بالاسم الفهرس SR 12 c. هذا الكوكب المرافق يدور حول نجم شاب ويبعد عنه مسافة كبيرة — أبعد من نبتون عن الشمس. في طيفه، وكأنه قوس قزح ممتد عبر الأطوال الموجية، تظهر حافة مميزة — قفزة بالمر.

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.

يشهد علم الكونيات تصدعًا تكتونيًا. تشير المستعرات العظمى المعايرة بالقيفاويات، التي قاسها فريق آدم ريس، إلى سرعة تبلغ حوالي 73 كم/ث لكل ميغابارسيك.

إذا أشعلت مصباحًا في غرفة، فسوف يضيء الجدران. لكن إذا وضعت المصباح نفسه في قاعة واسعة، فلن يصل الضوء إلا بصعوبة إلى الزوايا. وبالمثل، يعمل إشعاع النجوم الفتية على الغاز في المجرة: فهو يقتلع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين، مما يجعل الغاز يتوهج. ويطلق علماء الفلك على هذا "التأين"، ويسمون قوة هذا التأثير بمعامل التأين.

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.

في المطبخ، هناك ميزان للدقيق وكوب قياس للماء. كل منهما دقيق بمفرده، لكن عند خبز الخبز، تتطلب الوصفة نسبة مثالية. جدل مشابه يدور بين علماء الفلك حول سرعة تمدد الكون. القياسات المباشرة عبر النجوم تعطي رقمًا واحدًا، بينما الحسابات المستندة إلى إشعاع الخلفية الكونية (الضوء المتبقي من الانفجار العظيم) تعطي رقمًا آخر أصغر قليلاً. الفرق صغير، لكنه يصر على عدم الاختفاء.

القهوة الساخنة على الطاولة تبرد: تنتشر الحرارة من المركز الساخن نحو الأطراف. وبنحو مماثل، يفترض المؤلفون أن الكون نفسه يتصرف هكذا — لكن على نطاق مليارات السنين الضوئية. نموذجهم لا يصف الطاقة المظلمة المألوفة، بل إعادة توزيع سلسة للطاقة داخل الكون، تشبه الحركة البطيئة للحرارة من المناطق الأكثر كثافة إلى المناطق الأقل كثافة. هذا التدفق للطاقة ليس مجرد استعارة جميلة.

في عشرينيات القرن الماضي، لاحظ إدوين هابل أن المجرات تتباعد — وهكذا اكتُشف توسع الكون. بعد عقود، قاس آدم ريس وزملاؤه السرعة عبر انفجارات المستعرات العظمى، ووجدوا: الكون يتوسع أسرع مما توقعت قياسات «صور الطفولة» — الشفق اللاحق للانفجار العظيم. سُمي هذا التناقض بتوتر هابل.

الكون لا يطيق الرتابة. قبل قرن، منحنا إدوين هابل وجورج لومتر صورة أنيقة: كون يتمدد، أملس كسطح كرة منتفخة.

يحتفظ الكون بسجل لكل نجم يولد. على مدى 13.8 مليار سنة، أُضيء في المجرات عدد من النجوم يجعل من الممكن، عبر "تعدادها"، الحكم على طبيعة الكون نفسه، كما تُقرأ حلقات جذع الشجرة للتعرف على مناخ السنوات الماضية. جمع علماء الفلك بيانات عن معدل تشكل النجوم من يومنا هذا حتى العصر الذي كان فيه عمر الكون أقل من نصف مليار سنة (انزياح أحمر 15).

يتم نفخ بالون. في البداية يتمدد ببطء، ثم يضيف أحدهم الهواء فجأة — فيتوسع البالون بشكل أسرع. لكن تيار الهواء يضعف، ويبدأ البالون مرة أخرى في التمدد بشكل أبطأ. تقريبًا هكذا، وفقًا للدراسة الجديدة، تصرف الكون: بعد الانفجار العظيم كان يتوسع، ثم تسارع فجأة، والآن يتلاشى التسارع.

إذا أخذت كرتين ثقيلتين وباعدت بينهما مسافة متر واحد، فسوف تتجاذبان بقوة تضعف أربع مرات عند مضاعفة المسافة. هذا القانون اكتشفه نيوتن، وهو يعمل في الغرفة، وفي النظام الشمسي، وفي المجرة. لكن هل يظل صحيحًا عندما يتعلق الأمر بمئات الملايين من السنوات الضوئية؟ وجد علماء الفلك طريقة لاختبار ذلك مباشرة.

قام علماء الكونيات بقياس السرعة التي تتباعد بها المجرات البعيدة في مناطق مختلفة من السماء. وللقيام بذلك، استخدموا نوعين من "المساطر الكونية": تجمعات المجرات وانفجارات المستعرات الأعظمية من نوع معين. أظهرت الطريقتان النتيجة نفسها: في اتجاه واحد، يتمدد الكون أسرع قليلاً منه في الاتجاه المعاكس. الفرق صغير — حوالي 2 سيغما، أي أنه قد يكون عشوائياً، لكنه يتكرر في جميع الفحوصات.

الكون يتمدد، ولكن بأي سرعة؟ ظل علماء الفلك لعقود يتجادلون حول القيمة الدقيقة لثابت هابل. هناك طريقتان كلاسيكيتان تعطيان نتائج مختلفة قليلاً. والآن ظهرت طريقة ثالثة تعتمد على التدفقات الراديوية الغامضة.

إذا كان الفضاء لوحةً، فإن ضربات الفرشاة عليه لا يمكن أن تكون رفيعة بلا حدود. هناك أقصر قطعة لا معنى للقياس دونها — طول أساسي يحدد "حبيبية" الزمكان الكمومية. هذا التقطع يغير الهندسة نفسها: حركة المجرات ونمو البنى واسعة النطاق يعكسان تأثيره.

عالما فلك ينظران إلى نفس الكون، لكن كل منهما يراه بشكل مختلف. الأول يقيس سرعة التوسع باستخدام الضوء القديم الذي سافر إلينا لما يقرب من 14 مليار سنة. والثاني يقيسها باستخدام انفجارات النجوم الحديثة في المجرات المجاورة. الأول يحصل على 67 كيلومترًا في الثانية لكل ميجابارسك من المسافة، والثاني على 73. الفرق يبدو صغيرًا، لكنه أكبر بخمس مرات مما يمكن تفسيره بالصدفة.

عندما يصطدم نواة ثقيلة بسرعة هائلة بالغاز بين النجمي، تتحطم إلى قطع. بعد ذلك، تطير هذه القطع — الليثيوم والبريليوم والبورون — إلى الأمام، وتعتمد كميتها في تدفق الأشعة الكونية على كيفية حدوث التحطم بالضبط. كان يُعتقد عادةً أنه مع زيادة الطاقة، يجب أن تتغير النسب تدريجيًا، مثلما يتغير طعم الحساء إذا أضفت الماء.

الكون يتمدد، والمجرات تتباعد عن بعضها مثل الزبيب في عجين يرتفع. سرعة هذا التباعد — ثابت هابل (Hubble constant) — هي رقم أساسي في علم الكونيات. لقياسها، نحتاج عادةً إلى «الأفق الصوتي»: أثر موجات صوتية عبرت البلازما الحارة في أول مئات الآلاف من السنين بعد الانفجار العظيم.

يعيش بوزون هيغز لفترة قصيرة لا يمكن تصورها — أقل من جزء من مليار من الثانية. لا يمكن التقاطه مباشرة، لذلك ينظر الفيزيائيون إلى ما يتبقى بعد اضمحلاله: نفاثات من الجسيمات، وميونات، ونيوترينوات. لكن جزءًا من المعلومات يُفقد إذا اقتصرنا على الآثار الواضحة للاضمحلال فقط، دون النظر إلى الحدث بأكمله. النهج الجديد، الذي يُسمى «الشمولي»، يستخدم البيانات المتعلقة بجميع الجسيمات المسجلة في كل تصادم.

عادةً ما يرتبط ولادة الكون بـ الانفجار العظيم — نقطة كثافة لا نهائية حيث يصل انحناء الزمكان ودرجة الحرارة إلى قيم فردانية. لكن في مثل هذه الفردانية، تفقد قوانين الفيزياء قدرتها التنبؤية، وهو ما لم يرقَ للعلماء منذ زمن طويل.

الحد المرئي للكون هو شاشة هولوغرافية تخضع، مثل الثقب الأسود، للقوانين التي اكتشفها بيكينشتاين وهوكينغ. عادةً ما تُحفظ المعلومات عليها، لكن الحسابات تُظهر أنه عند فقدان بضع بتات، تنطلق طاقة تُسرّع التوسع.

اقترح العلماء نموذجاً تتمتع فيه القوة الغامضة (الطاقة المظلمة) بما يشبه القصور الذاتي: تحتاج وقتاً لتستجيب، مثل بندول ثقيل. ولهذا، فإن تمدد الكون لا يتسارع إلى الأبد، بل يتخامد كما يتخامد بندول في عسل كثيف. والمكبح هو الفوضى — الإنتروبيا عند أطراف الكون المرئي (فكرة قريبة من أعمال جاكوب بيكينشتاين).

الكون يتوسع، وسرعة هذا التوسع هي موضوع نقاش حاد في علم الكون. قبل ما يقرب من مئة عام، اكتشف إدوين هابل أن المجرات تتباعد عن بعضها، لكن القياسات الحديثة لثابت هابل، الذي يحدد معدل التوسع، تعطي قيمًا متناقضة.

قياس توسع الكون يشبه توقيت سباق بينما يتسع المضمار. تعمل اندماجات النجوم النيوترونية كصفارات إنذار قياسية: موجاتها الثقالية تنطلق ب"حجم" معروف، وبالتالي فالإشارات الأضعف تعني مسافات أكبر.

المجرات في الكون ليست متناثرة عشوائياً: فالمجرات المتجاورة تتحرك في اتجاه واحد، مثل سرب من الأسماك، أما البعيدة فلكل منها حركتها المستقلة. أين يقع الحد الفاصل بين «معاً» و«منفصلة»؟ كان ذلك غير واضح حتى الآن. ابتكر علماء الفلك مقياساً جديداً — وهو المقياس الذي عنده يتوقف متوسط حركة المجرات على طول الخط الواصل بين زوج منها عن كونه متسقاً ويبدأ بالتناقض مع بعضه. سُمّي هذا المقياس بمقياس تماسك السرعات.

الكون يتمدد، ويفعل ذلك بسرعة متزايدة. هذه التسارع مسؤولة عنه الطاقة المظلمة الغامضة. لفترة طويلة، اعتُبرت ثابتة، مثل ثابت في كتاب مدرسي. لكن البيانات الجديدة من جهاز DESI، الذي يلتقط أطياف ملايين المجرات، توحي بأن الطاقة المظلمة ربما كانت أقوى أو أضعف في عصور مختلفة.

تسجل التلسكوبات الحديثة أن المجرات البعيدة تبتعد عنا بسرعة متزايدة. يُعزى سبب هذا التوسع المتسارع إلى الطاقة المظلمة، وهي مادة غامضة تخلق تنافرًا مضادًا للجاذبية، لكن طبيعتها ظلت لغزًا. علاوة على ذلك، فإن حسابات سرعة التمدد في الكون المبكر والمتأخر لا تتطابق، مما يشير إلى ثغرة في فهمنا. ربما يكمن الحل في حدث مشابه لسقوط قلم رصاص.

الكون يتمدد، وكل تجمع من المجرات يشارك في رقصة كونية هائلة. وتيرة هذه الرقصة يحددها ثابت هابل — وهو قيمة أساسية تصف سرعة التمدد. وقد قاسه لأول مرة إدوين هابل قبل نحو قرن من الزمان، لكن لا يزال من الصعب تحديد قيمته بدقة: فنحن بحاجة إلى «مسطرة» قادرة على العمل على مسافات تصل إلى مليارات السنين الضوئية.

طريقتان لقياس سرعة تمدد الكون تعطيان صورة متناقضة. القياسات المعتمدة على توهج المستعرات العظمى، التي أجراها فريق آدم ريس، تشير إلى تمدد أسرع مما تدل عليه بيانات إشعاع الخلفية الكونية — الضوء المتبقي من الانفجار العظيم. والفارق كبير لدرجة لا يمكن تفسيره بالصدفة – إنها أزمة حقيقية في علم الكونيات.

المستعرات العظمى من النوع Ia هي بمثابة "شموع قياسية" في علم الكون: لمعانها الأقصى متطابق تقريبًا، مما يسمح بتحديد المسافة بناءً على السطوع الظاهري: كلما كان الجسم خافتًا، كان أبعد. هذه المستعرات العظمى تُستخدم كعلامات لقياس المسافات إلى المجرات البعيدة.