توزيع الكتلة

مليون مدار — نفس المقطوعة الموسيقية. تسع هالات مظلمة — تسع أوركسترات بلا قائد. جميع العازفين يعزفون وفق النوتات نفسها، لكن في كل قاعة تختلف الموسيقى: تارة متناغمة، وتارة متعثرة. هكذا المجرات التابعة، عندما تسقط في هالة المضيف، تتحرك في مدارات لا تعتمد فقط على الكتلة، بل أيضًا على شكل المسرح غير المرئي.

تخيل دوامة (carousel): كلما جلست أبعد عن المركز، زادت سرعة دورانك. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن المجرات مختلفة — فالنجوم في الأطراف يجب أن تدور أبطأ من تلك القريبة من النواة. ومع ذلك، في سبعينيات القرن العشرين، اكتشف علماء الفلك، بقياس الإزاحة الدوبلرية لخطوط الطيف، أن سرعات النجوم في العديد من المجرات الحلزونية لا تنخفض تقريبًا مع البعد عن المركز.

تشبه المجرة مدينة: في المركز أضواء ساطعة وبناء كثيف، وفي الأطراف أضواء متناثرة وفراغ. لكن إذا تتبعت دوران الغاز في القرص المجري، ستجد أن السرعة عند الأطراف لا تنخفض تقريبًا. وكأن أحياء غير مرئية تواصل دعم الحركة. وجد علماء الفلك طريقة لرسم هذه المدينة غير المرئية على الخريطة.

الكون المبكر لم يكن مجرد حساء ساخن من الجسيمات. في الكسور الأولى من الثانية، ربما انكسر التناظر المرآتي (التكافؤ): لم يعد العالم وصورته في المرآة متطابقين تمامًا. إذا كان الأمر كذلك، فستبقى في الشبكة الكونية الواسعة للمجرات "لَيّة" خفية — كما لو أن كل المادة ملتوية قليلًا في اتجاه واحد.

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.

كرتان ألقيتا من ارتفاعات مختلفة تسقطان على الأرض بتسارع مختلف. في الفضاء، الأمور أكثر تعقيدًا: حتى الفراغ يجعل الأجسام تتحرك بشكل مختلف. أخذ مؤلفو العمل زمكانًا يحتوي على الجذب العادي للمادة وعلى التنافر الكوني الغامض (يسمى الطاقة المظلمة)، ونظروا كيف تتغير المسافة بين جسيمين يتحركان بحرية. اتضح أن هناك سطحًا حرجًا — كرة غير مرئية تقسم العالم إلى منطقتين.

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.

في مركز مجرة صغيرة جداً توجد كتلة كثيفة من النجوم والمادة المظلمة. هذه الكتلة، التي تسمى سوليتون، ليست ثابتة في مكانها: فهي تهتز وتتذبذب مثل الهلام على طبق. تخلق الاهتزازات تموجات في سحابة المادة المظلمة المحيطة، وهذه التموجات، مثل دفعات خفيفة، تدفع النجوم بعيداً عن المركز على مدى مليارات السنين.

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.

تصوير محيط ثقب أسود يشبه تصوير نافورة: سرعة غالق عالية تُجمّد القطرات، وسرعة بطيئة تمزج كل شيء في خطوط ضبابية. الضوء الصادر عن الغاز المتوهج الذي يدور حول الثقب يسلك مسارات مختلفة للوصول إلينا. بعض الأشعة تنحني حوله في قوس، وأخرى تدور عدة لفات بسبب انحناء الزمكان. في الصورة الواحدة، تختلط أحداث وقعت بفارق ساعات أو سنوات.

عندما يمر الضوء بالقرب من جسم هائل مثل الثقب الأسود، ينحني مساره – وهي ظاهرة تنبأ بها أينشتاين. وقد أخذ بحث جديد في الحسبان أنه بالقرب من هذه الأجسام غالبًا ما تتجمع سُحب من الهادرونات – وهي جسيمات فائقة الصغر نعرفها من البروتونات والنيوترونات في نوى الذرات.

حجر صغير يسقط في بركة — وتنتشر على الماء دوائر منتظمة. لكن قاع البركة مليء بقطع زجاجية غير مرئية: كل واحدة تؤخر الموجة قليلًا، وتشتتها في مكان، وتغير خطواتها في مكان آخر. هكذا تقريبًا تمر الموجات الثقالية — ارتجاف الفضاء نفسه — عبر المجرات البعيدة وتكتلات المادة المظلمة.

اصطدم عنقودان من المجرات مثل سربَي نحل طارا عبر بعضهما البعض. أحدهما هو «الرصاصة» الشهيرة. بعد الاصطدام، توقف الغاز الساخن، الذي يشكل معظم المادة العادية، وبقي في المركز، بينما المجرات، مثل حصى صغيرة كثيفة، طارت إلى الأمام. ضوء الأجسام البعيدة، عند مروره بالقرب منها، ينحني: هذا مرئي من خلال الصور المشوهة.

في السابق، كان علماء الفلك يحسبون كتلة المجرات كما لو كانت كرات مثالية. لكن المجرة عبارة عن قرص مسطح كالرقاقة. النموذج الجديد «المفقود والمعثور عليه» يأخذ الشكل الحقيقي في الحسبان: فهو يجمع قوى الجاذبية من جميع أجزاء القرص، وليس فقط من الانتفاخ المركزي.

حول كل مجرة يوجد غلاف غير مرئي من الغاز الساخن، مثل البخار فوق قدرٍ من الماء المغلي. هذا الغاز بالكاد يُصدر ضوءًا في نطاق الأشعة السينية، لذا من الصعب جدًا قياسه. لكنه يحمل في طياته ذاكرة انفجارات النجوم وكيفية نمو المجرة. تستخدم الطريقة الجديدة الضوء الصادر من المركز الساطع للمجرة.

تشبه المجرة دوامة عملاقة: تدور النجوم والغاز حول المركز، وسرعة حركتها تكشف مقدار المادة الموجودة في هذه الدوامة. لو كنا نرى فقط المادة المضيئة، لكانت الأجزاء الخارجية تدور بشكل أبطأ مما تظهره الملاحظات. إذن، هناك كتلة غير مرئية — المادة المظلمة — التي تربط المجرة ببعضها. أخذ علماء الفلك 20 مجرة من مسح MIGHTEE وبنوا لكل منها خريطة تفصيلية للدوران.

على بعد 65 مليون سنة ضوئية من الأرض، في كوكبة قيطس، تقع ثلاث مجرات قزمة مجرات: DF2 وDF4 وDF9. أُعلنت جميعها "مجرات بدون مادة مظلمة" — تلك المادة الخفية الغامضة التي عادةً ما تمسك النجوم معاً.

صور المجرات البعيدة المجرات تزخر بأقواس وبقع منحنية — إنه ضوء تشوه في طريقه إلينا. هذا التأثير، الذي تنبأ به ألبرت أينشتاين في إطار النسبية العامة، يعمل كمرآة مشوهة عملاقة: فالتجمع المجري الضخم تجمع المجرات بجاذبيته يشوه صور المصادر الخلفية — وهي ظاهرة تُعرف باسم العدسة…

بموجب قوانين الكم، يمكن لقطّ شرودنغر أن يكون حيًا وميتًا في الوقت نفسه. لكن هذه الحيلة لا تنجح مع جسم كالطاولة. فعندما يحاول جسم ضخم التواجد في مكانين، تؤدي كتلته إلى انحناء الفضاء بقوة شديدة لدرجة أنه بدلاً من نقطتين تنشأ هوّة عميقة واحدة — وينزلق إليها الجسم. الأمر أشبه بحجر ثقيل على قمة جبلية: أقل هبة ريح كفيلة بإسقاطه في الوادي الوحيد.

في مركز مجرتنا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة، تدور حوله نجوم. حركتها تشبه رقصة دائرية: بعضها يندفع في مدارات إهليلجية ممدودة، وبعضها في مدارات شبه دائرية. إذا كانت هناك مادة مظلمة غير مرئية بالقرب من الثقب الأسود، فإنها تُحدث تشوهًا طفيفًا في هذه المدارات، وكأن يدًا خفية تدفع النجم جانبًا.

حدّق تلسكوب جيمس ويب في عنقود المجرات AS1063 ورصد عشرات الآلاف من التجمعات الكروية — وهي "كتل" نجمية كثيفة منتشرة في جميع أنحاء العنقود. تزامن موقعها مع خريطة الكتلة غير المرئية التي تُبنى من انحناء ضوء المجرات البعيدة. وهذه الكتلة غير المرئية هي المادة المظلمة — المادة التي لا تُصدر ضوءًا، لكنها تُمسك المجرات بجاذبيتها.

السماء الليلية مليئة بالنجوم، لكنها ليست سوى جزء صغير من كل ما يوجد في الكون. لاحظ علماء الفلك منذ زمن طويل أمرًا غريبًا: المجرات تدور بسرعة كبيرة لدرجة أنه كان ينبغي أن تتناثر، لكنها لا تتناثر. شيء غير مرئي يمسكها معًا، مثل خيوط خفية تربط الخرزات على عجلة دوارة. هذا «الشيء» سُمي المادة المظلمة. إنها لا تُضيء، ولا تعكس الضوء، لكنها تجذب المادة العادية.

ثلاث مجرات بعيدة تدور مثل دوامات عملاقة. تتحرك نجومها وغازها على طول أذرع حلزونية، ومن خلال سرعة هذه الحركة يمكن حساب كمية المادة الكلية في المجرة — المرئية منها وغير المرئية. دمج علماء الفلك بين منظورين: أظهرت التلسكوبات الراديوية الغاز البارد، بينما أظهر تلسكوب جيمس ويب الفضائي النجوم.

الأجسام فائقة الكتلة تعمل على انحناء الزمكان، فتصبح بمثابة عدسة جاذبية تعمل على انكسار ضوء الأجسام البعيدة. هذا التأثير، المعروف باسم انحناء الزمكان، يسمح لعلماء الفلك برؤية ما هو غير مرئي — أجسام لا تصدر ضوءًا بذاتها، لكنها تكشف عن نفسها من خلال تشويه أشعة المجرات الخلفية. مؤخرًا، ساعدت هذه الطريقة في اكتشاف كتلة خفية تبلغ كتلتها حوالي مليون شمس.

قرص درب التبانة النجمي هو كقرص دوار لامع، أما المادة المظلمة فسحابة غير مرئية تحيط به. لأول مرة، تم قياس شكله بدقة. تتبّع علماء الفلك حركة ملايين النجوم وبنوا خريطة ثلاثية الأبعاد لـ الهالة المظلمة حتى مسافة 160 ألف سنة ضوئية.