البنية واسعة النطاق للكون

يمتد خيط من الشبكة الكونية عبر الكون الفتي، وعلى طوله تتراص المجرات كخرز على عقد. في قلب العنقود الأولي SSA22، الذي سيصبح بعد مليارات السنين مركز عنقود مجري هائل، ما تزال هذه الخرزات ساخنة ومغبرة: تولد النجوم في داخلها، ويشكل الغاز البارد وقودها. نظر الفلكيون إلى هذه الزاوية البعيدة باستخدام تلسكوبات ALMA وJWST وJVLA لفهم كيف تنمو الخرزات ولماذا تتجمد يومًا ما.

تعداد سكاني حسب شكل الجسم: هكذا يمكن وصف ما فعله علماء الفلك مع 6348 مجرة ضخمة. بدلاً من الطول والوزن، قاسوا مدى تركيز الضوء نحو المركز، ومدى تفلطح المجرة، ومدى عدم تناظر شكلها. ثم أجروا نفس القياسات على المجرات من ثلاثة نماذج حاسوبية للكون وقارنوا النتائج. كل نموذج يشبه فناناً يرسم صورة شخصية من الذاكرة: يلتقط الملامح العامة لكنه يخلط في التفاصيل.

النهر المرسوم على الخريطة هو دائمًا خط واحد. لكن قف على الضفة وسترى: داخل مجرى النهر تيارات أسرع، ودوامات، وفروع تارة تلتقي وتارة تفترق. الشبكة الكونية هي نفس النهر، لكن من المادة المظلمة، وحتى وقت قريب كان علماء الفلك يرسمونها بخط واحد.

النهر المرسوم على الخريطة هو دائمًا خط واحد. لكن قف على الضفة وسترى: داخل مجرى النهر تيارات أسرع، ودوامات، وفروع تارة تلتقي وتارة تفترق. الشبكة الكونية هي نفس النهر، لكن من المادة المظلمة، وحتى وقت قريب كان علماء الفلك يرسمونها بخط واحد.

تخيل محاسبًا أحصى جميع المصانع والمستودعات والمتاجر، لكن الميزان لم ينطبق – نصف البضاعة يبدو وكأنه تبخر. هكذا تقريبًا بحث علماء الفلك لعقود عن المادة العادية في الكون الحالي. النجوم، الغاز في المجرات، البلازما في العناقيد – كل هذا معًا لم يعطِ سوى جزء مما يجب أن يكون وفقًا للحقب المبكرة.

تبدو السماء ليلاً وكأنها حفنة عشوائية من النجوم. لكن عند النظر إليها عبر مسافات شاسعة، يختفي الفوضى. تتجمع المجرات في خيوط طويلة وجدران مسطحة، وتتسع بينها فراغات هائلة — الفراغات الكونية. يُطلق على هذا البناء اسم الشبكة الكونية. لوصف مثل هذا النظام المعقد، لا يكفي مجرد النظر إلى الصورة. نحتاج إلى أداة رياضية تلتقط تكرار النمط.

تبدو السماء ليلاً وكأنها حفنة عشوائية من النجوم. لكن عند النظر إليها عبر مسافات شاسعة، يختفي الفوضى. تتجمع المجرات في خيوط طويلة وجدران مسطحة، وتتسع بينها فراغات هائلة — الفراغات الكونية. يُطلق على هذا البناء اسم الشبكة الكونية. لوصف مثل هذا النظام المعقد، لا يكفي مجرد النظر إلى الصورة. نحتاج إلى أداة رياضية تلتقط تكرار النمط.

شعاع مصباح يدوي يخترق الضباب. كلما كان الضباب أكثر كثافة، زاد تشتت الضوء وتأخر وصوله إلى العين. مبدأ مشابه يعمل مع ومضات الراديو السريعة، وهي نبضات غامضة فائقة القوة من مجرات بعيدة. تتفاعل موجاتها الراديوية، أثناء مرورها عبر الفضاء الكوني، مع الإلكترونات الحرة، وهي جسيمات منفصلة عن الذرات. هذا التفاعل يؤخر الإشارة: فكلما زاد عدد الإلكترونات في المسار، زاد التأخير.

يواجه علماء الكونيات موقفًا طريفًا: أداتان موثوقتان ترسمان خرائط مختلفة قليلاً لنفس الكون. إحداهما هي خريطة الضوء القديم (إشعاع الخلفية الكونية)، والأخرى هي خريطة توزيع المجرات. بشكل عام، هما متفقان، لكنهما يختلفان في التفاصيل. تُظهر المجرات أن كمية المادة حولنا أقل قليلاً مما يتنبأ به الضوء القديم.

تخيّل قدرًا من العصيدة المغلية: فقاعات تنفجر، وبخار يتصاعد، ويختلط كل شيء. هذا ما تفعله النجوم الضخمة تقريبًا داخل سحب الغاز العملاقة. إشعاعها ورياحها النجمية — تيارات من الجسيمات المشحونة — تنفخ تجاويف هائلة تُعرف بالفقاعات الجزيئية، متناثرةً المادة في كل مكان. تُسمى هذه العملية بالتغذية الراجعة النجمية، وهي آلية رئيسية في تطور المجرات.

يشبه علماء الكون رسّامي الخرائط، غير أنهم بدلًا من الجبال والأنهار يرسمون قوى خفية. لا تزال الطاقة المظلمة، التي تدفع الكون إلى التوسع بتسارع، لغزًا حتى اليوم. أحد التخمينات هو نموذج «التشابك الجاذبي الحركي» (KGB). وفيه تتشابك الطاقة المظلمة مع الجاذبية. فتكتسب ورقة الخريطة السماوية مرونة، وتغيّر مسار خطوط الضوء.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء يبرد بشكل غير متساوٍ. في بعض المناطق، ربما نشأت عيوب طوبولوجية (topological defects) — طيّات في الفضاء، خيوط طاقة رفيعة كالشعرة لكنها كثيفة بشكل لا يصدق. يسميها الفيزيائيون الأوتار الكونية. هذه الأجسام أحادية البعد تهتز وتتصادم وتصدر موجات جاذبية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه.

في صمت العالم الكمومي لا يوجد فراغ. الجسيمات مترابطة بخيوط غير مرئية — التشابك الكمومي، وهي حالة يشعر فيها جسيمان، حتى لو تفارقا بمسافات شاسعة، بتغيرات بعضهما البعض فورًا. افترض مؤلفو العمل أن نسيج الزمكان نفسه منسوج من هذه الخيوط. هذه ليست مجرد استعارة: لقد بنوا إطارًا رياضيًا حيث تُحدَّد المسافة بين النقاط بكمية المعلومات المشتركة المخزنة فيها.

في أجزاء من الثانية الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون مسرحًا لتغيرات سريعة. الغشاء المطاطي المشدود الذي يبرد بسرعة يغطى بشقوق مجهرية. عملية مماثلة على نطاق كوني ربما أنتجت الغبار الكوني — خيوطًا رفيعة للغاية لكنها فائقة الكثافة من الطاقة، ممتدة عبر الكون بأكمله. هذه الأوتار ليست مجرد عيوب في الفضاء.

الجاذبية قوة ضعيفة بشكل مدهش. مغناطيس صغير يمسك مشبكًا ورقيًا رغم جاذبية كوكب بأكمله. بحث الفيزيائيون طويلًا عن سبب هذا الضعف، وأحد التخمينات يقودنا إلى أبعاد خفية. ربما «تتسرب» الجاذبية عبرها، فتفقد قوتها في عالمنا ثلاثي الأبعاد. في الكون المبكر، ربما كانت هذه الأبعاد الإضافية صغيرة جدًا، لكنها تضخمت لاحقًا إلى أحجام حوالي ميكرون — مثل سُمك بكتيريا.

في الكون المبكر، عندما كان يبرد بعد الانفجار العظيم، ربما نشأت عيوب — تشبه الشقوق في الجليد. أحد هذه العيوب هو القطب الكوني الشامل، وهو كتلة صغيرة من الحقل حيث تُحبس الطاقة في عقدة. عندما يلتقي القطب مع نقيضه، يفنيان بعضهما مثل قطرة وفقاعة، ويصدران موجات — جسيمات عديمة الكتلة قريبة من المادة المظلمة (تُسمى بوزونات NG). حاكى مؤلفو العمل على الكمبيوتر رقصة هذه الأقطاب.

الكون يشبه نسيجاً حريرياً تبرز منه خيوط الشبكة المظلمة. فنحن نرى اللوحات الحقيقية فقط على شكل قصاصات صغيرة – عبر التلسكوبات، وفي كتالوجات حقيقية لـالمجرات. ولفصل الإشارة الأساسية عن التداخلات الفيزيائية الفلكية في النمط الكوني، يتطلب التحليل الإحصائي آلاف المخططات المعقولة – خرائط اصطناعية للسماء.

4 610 كونا – هذا بالضبط عدد النماذج الكونية التي احتاجها علماء الفيزياء الفلكية لإظهار أن قناع غاوس المألوف لم يعد صالحًا لبيانات الجيل الجديد. المسوحات السماوية المستقبلية، مثل بعثة Euclid ومرصد Vera Rubin، تعد باستخدام العدسات الجاذبية لرسم خرائط المادة المظلمة – تلك التي اكتشفت وجودها Vera Rubin من خلال الدوران الشاذ للمجرات.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، أدى التحول الطوري إلى تقسيم البلازما الحارة إلى مناطق ذات أفرغة مختلفة – أدنى حالات الطاقة للحقل. بدا الكون مثل رغوة صابون عملاقة: كل فقاعة-كون امتلك فراغها الخاص، وبين الفقاعات امتدت الخلل الطوبولوجي (topological defect) – عيوب مكانية تشبه أغشية ذات طاقة سطحية هائلة.

العالم من حولنا ثلاثي الأبعاد — لكن ربما يكون هذا مجرد مظهر. بعض النظريات تسمح بوجود أبعاد إضافية في الفضاء، مطوية أو ممتدة بطريقة خاصة. أحد هذه النماذج يرسم كونًا خماسي الأبعاد مع بُعد «مخفف» (يسمى الديلاتون الخطي). في هذه الصورة، واقعنا المألوف هو مجرد «سطح» (غشاء) مغمور في عالم أعمق. في هذا البناء، تتصرف الجاذبية بشكل غير عادي.

تخيل مخطوطة قديمة كُتبت فوق نصها القديم قصة جديدة. مع الزمن، تتلاشى الطبقة العليا لتظهر من تحتها سطور الماضي. هكذا تمامًا، وكأنها رقّ قديم، تتكون العناقيد الكروية — أقدم الأنظمة النجمية في الكون. منذ مطلع القرن العشرين، عندما استخدمها إدوين هابل كمنارات لقياس المسافات، ظلت هذه الأجرام مفتاحًا لتطور المجرات.

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.

المادة المظلمة - الأساس غير المرئي للهندسة الكونية - تشكل 85% من الكتلة الكلية، لكنها تفلت من الرصد المباشر. في عشرينيات القرن الماضي، اكتشف إدوين هابل توسع الكون وعالم المجرات، وفي ثلاثينيات القرن نفسه، اشتبه فريتز زفيكي بوجود كتلة مخفية في تجمعاتها.

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.

المبدأ الكوني — القائل بأن الكون متجانس ومتساوي الخواص على المقاييس الكبيرة — يحمي فهمنا للعالم منذ عهد إدوين هابل وجورج لومتر، اللذين أرست أفكارهما أساس نموذج الانفجار العظيم. لكن بين الحين والآخر، تتراءى لنا في شبكة المجرات بنى هائلة لدرجة تهدد بقلب هذا الأساس.

أخبرنا انفجار مستعر أعظم بعيد بما يصعب تصديقه: العالم يتمدد بسرعة متزايدة. محرك هذا التسارع هو الطاقة المظلمة — حوالي 70% من كل ما هو موجود. ولكن وراء اسمها اليومي تختبئ هوة: كثافة مجهرية (حوالي 10⁻⁴⁷ GeV⁴) أقل بـ 10¹²⁰ مرة مما تتنبأ به نظرية الحقل الكمومي بسذاجة.

يسافر الضوء من المجرات البعيدة إلينا مليارات السنين، لكن في طريقه تلتويه وتثنيه شبكة غير مرئية من المادة المظلمة. هذا التأثير، الذي تنبأ به أينشتاين في إطار النسبية العامة، يُسمى العدسة الجاذبية.

الخريطة الكونية تشبه صورة تموجات على سطح الماء: منها نستنتج نوع الحجر الذي أُلقي. الحجر هنا هو خصائص الكون — كمية المادة العادية، وكمية المادة المظلمة، وسرعة تمدده. أما التموجات فهي نمط المجرات الذي تقيسه التلسكوبات. حتى الآن، كانت الحسابات لهذه الخرائط تتوقف عند الجولة الأولى من التصحيحات، فيما يُعرف بالنماذج أحادية الحلقة.

عناقيد المجرات هي أعظم التجمعات الجاذبية في الكون. في الضوء السيني المنبعث من البلازما الساخنة، تُختزل قصة تمدد الكون، والمادة المظلمة الخفية، والطاقة المظلمة الغامضة.

منذ الطفولة اعتدنا على التفكير في أن الفضاء لانهائي ومتساوي الخواص. لكن أينشتاين ولومتر تساءلا بالفعل: أليس من الممكن أن يكون الكون منغلقًا على نفسه كشريط موبيوس أو الطارة ثلاثية الأبعاد؟ اليوم، لا يكتفي علماء الفلك بالتكهنات، بل يُنصتون: «يستمعون» إلى إشعاع…

كان المرق الحار للكون المبكر يبرد بشكل غير متجانس. وفي لحظة ما، بدأت فقاعات من طور جديد تظهر فيه — مثل فقاعات البخار في الماء المغلي. لكن هذه الفقاعات لم تكن من البخار، بل من حالة جديدة من المادة، حيث تجمعت جسيمات القطاع المظلم في كتل أكبر. وهكذا ربما وُلدت المادة المظلمة.

في اللحظات الأولى بعد الولادة، قد يكون الكون متعدد الأبعاد - مثل ورقة تكتسب فجأة سماكة. هذه "السماكة" - الأبعاد الإضافية - بدأت تتمدد بسرعة. يُطلق على هذا النمو فائق السرعة اسم التضخم. استمر لجزء ضئيل من الثانية، لكن خلال هذا الوقت نمت الأبعاد الجديدة إلى أحجام نراها اليوم ككوننا الشاسع بأكمله. ثم تغير كل شيء. انتهى التضخم، وتوقفت الأبعاد الإضافية عن النمو.

كوننا يتوسع، ومستقبله، حسب رأي علماء الكون، هو فضاء دي سيتر الفارغ البارد. فهم طبيعته الكمومية يشبه محاولة قراءة كتاب بالنظر إلى غلافه فقط. المبدأ الهولوغرامي يلمح إلى أن كل المعلومات حول ما يحدث داخل الحجم يمكن تسجيلها على حدوده، كرسم على فيلم. لكن حتى الآن لم يكن هناك 'مجهر' ملموس يُظهر كيف تتشابك الخيوط الكمومية على الحدود لتكوّن الزمكان الحجمي.

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.

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.

عبر تموجات الماء، تبدو الحصى في قاع البركة منزاحة ومشوهة. وبطريقة مماثلة، تعمل جاذبية المادة المظلمة غير المرئية على انحناء ضوء المجرات البعيدة — وهي ظاهرة تُعرف باسم العدسة الضعيفة (weak lensing). لكن تموجات البركة تعيش فقط على السطح، بينما تتوزع المادة المظلمة في الحجم، على أعماق مختلفة. نحن نرى فقط الإسقاط المسطح — مثل صورة فوتوغرافية واحدة للسماء.

بعد بضع مئات الملايين من السنين فقط من الانفجار العظيم، بدأت عمالقة الثقوب السوداء تتشكل في محيط من المادة المظلمة غير المرئية. لقد وُلدت من المادة ذاتها — دون مساعدة من النجوم. هذه الآلية، المستندة إلى معادلات لومتر، تفسر ظهورها المبكر. السر الرئيسي يكمن في الشكل.

يبني الفلكيون خرائط للمجرات ويستمعون إلى همسات موجات الراديو من الهيدروجين المحايد. الإشارة ضعيفة لدرجة أن جهاز تلفزيون يعمل قد يطغى عليها، لكن الهوائيات الحساسة تلتقطها من أعماق الكون. لفهم مقدار المادة المظلمة فيه ومدى سرعة تمدده — وهي عملية يحددها تمدد الفضاء — لجأ العلماء إلى المحاكاة الحاسوبية.

كعكة طبقات ضخمة، حيث طبقات العجين هي الفضاء، والحشوة هي منطقة خاصة تشبه جدارًا غير مرئي. هذا الجدار ليس من الطوب، بل من الطاقة، وقد يكون سمكه بعرض الكون بأكمله. إذا وُجد مثل هذا الجدار، فيجب أن يمدد طبقات العجين بشكل مختلف: تلك التي تقع على طوله تتباعد أسرع، بينما تلك التي تعبره تتباعد أبطأ. هذا هو السيناريو الذي اختبره مؤلفو الدراسة.

كرة ثقيلة تستقر على ترامبولين، وتنخفض قطعة القماش تحتها. أي كرة تتدحرج بالقرب منها ستنجذب حتمًا نحو المركز. هكذا تعمل الجاذبية تقريبًا على نطاق الكون بأكمله. ولكن ماذا لو كان القماش مقوسًا إلى الأعلى، مثل القبة؟ عندها ستميل الكرة إلى التدحرج إلى الخارج. هذا الاختلاف البسيط بين التقعر والتحدب كان المفتاح لمسألة ما إذا كان الكون يمكن أن يوجد إلى الأبد دون لحظة ولادة.