الجاذبية المعدلة

شعاع الضوء الذي يمر بالقرب من جسم ضخم ينحني حوله، مثل عداء يلتف حول زاوية الملعب. بالنسبة للنجم النيوتروني النجم النيوتروني، عادةً ما تُعتبر زاوية الانحراف هذه مماثلة لتلك الخاصة بكتلة نقطية. ولكن إذا كان النجم محاطًا بهالة غير مرئية من المادة المظلمة، يتغير المشهد: الضوء الذي يمر عبر الهالة ينحرف بشكل أضعف مما تتنبأ به الكتلة الكلية.

عندما تدور الكواكب حول الشمس، لا تتبع مداراتها فحسب، بل تجذب بعضها البعض قليلاً. هذا يشبه رقصة يشعر فيها كل شريك بحركة الآخرين. قرر العلماء معرفة مدى تأثير هذا التجاذب الثقالي المتبادل على مسارات الكواكب. اتضح أن هناك تصحيحات صغيرة لم تكن تؤخذ في الحسبان سابقاً. تنشأ هذه التصحيحات لأن الجاذبية لا تنتشر لحظياً، بل مثل الضوء، بسرعة محدودة. هذا هو تأثير تأخر التفاعل الثقالي.

عداد السرعة في المجرة يتجاوز الحد. النجوم الخارجية تدور بسرعة تجعلها، وفقًا لكل قوانين الجاذبية، يجب أن تتطاير بعيدًا مثل رذاذ من عجلة دوارة.

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.

هيكل الجاذبية غير المرئي يمنع المجرات من التمزق. هذه هي المادة المظلمة — مادة لا تصدر ضوءًا ولا تتفاعل تقريبًا مع المادة العادية إلا عبر الجاذبية. لطالما اختلف علماء الفيزياء الفلكية حول طبيعتها.

النموذج القياسي لعلم الكونيات النموذج القياسي — وهو الإطار النظري الأساسي الذي يصف تطور الكون — يشبه وصفة كعكة حيث كل شيء مقيس بدقة: المادة المظلمة — وهي شكل افتراضي من المادة لا يشارك في التفاعلات الكهرومغناطيسية — مثل دقيق خالٍ من التكتلات (ضغطه صفر)، بينما الطاقة المظلمة — وهي المادة الغامضة…

ميزان لا يوزن جسماً، بل الفضاء المحيط به. هكذا تعمل معادلات أينشتاين في النسبية العامة: فهي تربط انحناء الزمكان بما يحتويه. في الطرف الأيمن من المعادلة — حيث توجد «المادة» — عادةً ما نعوّض إما بكثافة الطاقة أو بالضغط. في النظرية الكلاسيكية لا فرق: النتيجة واحدة.

في عام 2017، رصدت كاشفات الموجات الثقالية LIGO وVirgo موجة ثقالية — تذبذبًا في نسيج الزمكان نفسه ناتجًا عن اصطدام نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة. وبعد 1.7 ثانية، رصدت التلسكوبات المدارية وميض انفجار أشعة غاما — انبعاثًا قويًا للإشعاع الكهرومغناطيسي من نفس النقطة في السماء.

في محيط كوني شاسع، تتجمع المادة المظلمة في كتل وخيوط، مثل العوالق في التيارات. لكن إذا كانت الجاذبية لا تعمل تمامًا وفقًا لنظرية أينشتاين، فإن هذه الأنماط تتغير — بشكل بالغ الدقة، مثل تموجات من رياح غير مرئية. يمكن رؤية هذه التموجات بمقارنة خرائط السماء بالمحاكاة الحاسوبية.

في محيط كوني شاسع، تتجمع المادة المظلمة في كتل وخيوط، مثل العوالق في التيارات. لكن إذا كانت الجاذبية لا تعمل تمامًا وفقًا لنظرية أينشتاين، فإن هذه الأنماط تتغير — بشكل بالغ الدقة، مثل تموجات من رياح غير مرئية. يمكن رؤية هذه التموجات بمقارنة خرائط السماء بالمحاكاة الحاسوبية.

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.

يسقط حجر في ماء هادئ — فتنتشر دوائر على السطح. يتصرف الثقب الأسود بطريقة مشابهة عندما يسقط فيه شيء ما أو عندما يندمج مع ثقب آخر. يبدأ الثقب في الاهتزاز، وتنتقل هذه الاهتزازات إلى الفضاء على شكل موجات ثقالية. يطلق علماء الفيزياء الفلكية على هذه العملية اسم «رنين» الثقب الأسود.

في مركز الاهتمام يوجد أحادي القطب، وهو كتلة خاصة من حقل غير أبلي (حقل حيث ترتيب العمليات يغير النتيجة)، تشبه شحنة مغناطيسية بدون زوج. في العمل، يتم وضعه في زمكان منحني موصوف بمعادلات أينشتاين مع إضافة غاوس-بونيه (تصحيح مهم على مسافات صغيرة). تعمل الإضافة كمنظم: اعتمادًا على شكلها، يبقى أحادي القطب إما أملسًا أو يصطدم بنقطة حرجة. استعرض المؤلفون خيارين لربط الإضافة بالحقل.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات هو كتالوج لجميع لبنات الكون المعروفة: الإلكترونات والكواركات وغيرها. لكنه لا يفسر المادة المظلمة ولا يتوافق مع الجاذبية. يخطو العمل الجديد خطوة جريئة: لكل لبنة في الكتالوج يُضاف انعكاسها المرآتي ذو الدوران المعاكس. هذه المجموعة المرآتية هي التي تشكل المادة المظلمة غير المرئية.

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.

مجرة درب التبانة وقمرها سحابة ماجلان الكبرى تدوران ببطء حول بعضهما البعض. جاذبيتهما المتبادلة تهز الأطراف البعيدة لدرب التبانة، كما أن إلقاء حصاة في بركة يجعل الماء يتموج.

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⊙.

النجم النيوتروني هو مدينة بحجم مانهاتن تزن ما يعادل نصف مليون أرض. ملعقة شاي من مادته تزن أكثر من جبل إيفرست. والآن، أُضيف إلى هذه الكرة فائقة الكثافة شيء غير مرئي ويصعب إدراكه — جسيمات المادة المظلمة. هذا بالضبط ما فعله الفيزيائيون في الدراسة الجديدة.

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.

الشعاع الضوئي الذي يمر بالقرب من جسم ضخم ينحرف — وهذا هو تأثير العدسة الجاذبية، المألوف من صور المجرات البعيدة. اعتمد الفيزيائيون الفلكيون على ثقب أسود دوّار الثقب الأسود (زمكان كير) وأضافوا تصحيحًا صغيرًا جدًا لكيفية انتشار الضوء نفسه.

الجاذبية ليست مجرد قوة تُبقينا على الأرض. على نطاق الكون، هي التي تقود المجرات، وتُحدّب أشعة الضوء، وتحدد مصير كل شيء. قبل مئة عام، وصفها ألبرت أينشتاين بأنها انحناء في المكان والزمان. ولكن ماذا لو كانت هذه الصورة تحتاج إلى لمسة إضافية — تأثير المادة نفسها؟ هذا هو الاحتمال الذي اختبره فريق من الباحثين.

متزلجان على بحيرة متجمدة حتى الأفق. إنهما بعيدان جدًا لدرجة أن صورتيهما الظليتين تحولتا إلى نقطتين، وجاذبيتهما المتبادلة تكاد تكون مفهومًا لاهوتيًا. وفق تعاليم نيوتن، ينبغي أن يدورا في رقصة فالس بطيئة تخيلية. لكن التلسكوبات ترى شيئًا مختلفًا. الأزواج تدور أسرع، وكأن الجليد نفسه يتنفس تحتهما، مانحًا تسارعًا لا ينبغي أن يكون هناك.

في أعماق الكون، تتقن الجاذبية فن التمويه. منذ ربع قرن، يحاول علماء الفيزياء الفلكية فك لغز الطاقة المظلمة التي تجعل الكون يتوسع بتسارع. وقد رُشِّح لهذا الدور الثابت الكوني لـ أينشتاين، وحقول قياسية، وتعديلات على الجاذبية.

كرة رصاص معلقة فوق كرة رصاص أخرى. وفقًا لقوانين الجاذبية العادية، تتجاذبان تمامًا على طول الخط العمودي — أي على طول الخط الواصل بين مركزيهما. لكن بعض النظريات، التي صُممت لتفسير حركة المجرات بدون المادة المظلمة، تتنبأ بمنعطف غير متوقع: قوة التجاذب بين الأجسام تعتمد على ما يحدث في الخارج. وهذا ما يسمى بتأثير المجال الخارجي.

الغاز شديد الحرارة، وهو يدور في حلزوني، يسقط نحو جسم غير مرئي فائق الكثافة. يشبه هذا القرص دوامة عملاقة، لكنه غالبًا ما يكون مائلًا — إذ لا يتطابق محوره مع محور دوران الجسم المركزي. تجعل الجاذبية القرص يتمايل قليلًا، مثل قمة دوارة تفقد توازنها. اشتق الفيزيائيون لأول مرة معادلة تصف هذا الميل مع مراعاة كل تفاصيل النسبية العامة.

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.

محيط شاسع، كل موجة فيه تحمل معلومات عن الأعماق. هكذا تقريبًا يعمل كوننا في إطار المبدأ الهولوغرافي: فيزياء الحجم الداخلي يمكن وصفها عبر عمليات على حدوده.

تبدو المجرات القزمة التي تدور حول درب التبانة وكأنها عانت من عاصفة جاذبية. أجسامها النجمية ممدودة، متناثرة بذيول مدّية، ومسخنة من الداخل. هذا غريب، لأن جميع الحسابات تشير إلى أنها ينبغي أن تكون حصونًا منيعة — مغلفة بغطاء ثقيل غير مرئي من المادة المظلمة يحميها من التأثير المدمر لمجرتنا.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، مرّ الكون بتمدد متسارع — التضخم. وكأنه بالون نُفخ ليس بشكل منتظم، بل مع نبضات صغيرة، فتمدد مليارات المرات في جزء ضئيل من الثانية. تجمدت هذه النبضات على شكل تموجات في الكثافة. ومنها نشأت المجرات لاحقًا. عادةً، تنتج نماذج التضخم طيفًا شبه مستوٍ تمامًا لهذه التموجات.

في العالم العادي الخالي من الطاقة المظلمة، تكون كتلة أي جسم موجبة دائمًا. يبدو هذا بديهيًا: الكتلة الموجبة تجذب، مما يخلق الجاذبية. لكن في الكون الحقيقي توجد الطاقة المظلمة — وهي قوة غامضة تجعل الكون يتسارع في توسعه.

بعد ما يقرب من قرن منذ أن اشتبه فريتز زفيكي في وجود خلل في حركة مجرات عنقود كوما، وقامت فيرا روبين بقياس سرعات النجوم في الأذرع الحلزونية، لا تزال طبيعة المادة المظلمة واحدة من أكثر الألغاز إيلامًا.

ملعقة صغيرة من مادة النجم النيوتروني تزن مثل جبل. لكن قد يكون لهذا الجبل توأم غير مرئي. في أعماق النجم النيوتروني، تُضغط المادة العادية إلى كثافات لا يمكن تصورها. هناك، قد تذوب البروتونات والنيوترونات في حساء كواركي. بنى الفيزيائيون معادلة تصف الانتقال من المادة النووية إلى المادة الكواركية — مثل وصفة تحافظ على شكل كعكة الطبقات للنجم.

في مراكز العديد من المجرات تختبئ الثقوب السوداء — مناطق ذات جاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع مغادرتها. وغالبًا ما تدور حولها نجوم، وأحيانًا يكون أحدها نجمًا نابضًا، وهو منارة كونية ترسل نبضات راديوية دورية بدقة متناهية. عندما يمر مثل هذا النجم النابض في حركته خلف الثقب الأسود، تصل إشاراته إلينا متأخرة.

خزان ضخم تحت الأرض مليء بالزينون السائل ينتظر حدثًا نادرًا — دفعة من جسيم مادة مظلمة. عادةً ما تكون الجاذبية أضعف من أن تُلاحظ مثل هذه الدفعة. لكن إذا كان للفضاء أبعاد خفية، يتغير كل شيء: على مسافات متناهية الصغر، تشتد الجاذبية فجأة، ويزداد احتمال رصد الجسيم المراوغ.

للكون سرعة يتمدد بها، تُسمى ثابت هابل. المشكلة أن أدق طريقتين لقياسه تعطيان رقمين مختلفين. إحداهما، التي تستخدم الضوء المبكر للكون (إشعاع الخلفية الكونية)، تعطي قيمة معينة. والأخرى، التي تعتمد على رصد النجوم البعيدة في زماننا الحاضر، تعطي قيمة أخرى أعلى قليلًا. الفرق صغير، لكنه يصر على عدم الاختفاء. وهذا ما يُسمى «توتر هابل».

الفراغ ليس فارغًا كما يبدو. إذا تحرك راصد بتسارع، فإن الفراغ من حوله يسخن — هذا ما تنبأ به ويليام أونروه في سبعينيات القرن العشرين. التأثير يشبه إشعاع الثقب الأسود، لكن في فضاء مسطح.

الكون يتصرف مثل فقاعة صابون تتمدد في رغوة متعددة الأبعاد. نموذج الفقاعة المظلمة يفسر لماذا يتمدد بسرعة متزايدة: فقاعة الزمكان تنمو، ويكتسب غشاؤها سُمكًا صغيرًا للغاية — حوالي ميكرون، مثل حجم البكتيريا. عند هذه المسافات، 'تنتشر' الجاذبية في هذا السُمك وتضعف. يمكن التحقق من ذلك بقياس التجاذب بين الجسيمات الميكروسكوبية.

شعاع مصباح يدوي ينطلق في الظلام في خط مستقيم — هكذا اعتدنا أن نفكر في الضوء. لكن بالقرب من جسم ضخم، مثل نجم أو ثقب أسود، يكون الفضاء منحنيًا، وينحني الشعاع بلطف، وكأن يدًا خفية تقوده. قام مؤلفو العمل الجديد بتحليل كيفية تغير الجاذبية للقوانين المألوفة للكهرباء والمغناطيسية.

ألقِ حصاة في بركة ماء، فستنتشر دوائر على سطحها. وبالمثل، فإن جسمًا ضخمًا يدور حول ثقب أسود يثير نسيج الزمكان، مولّدًا موجات ثقالية.

كوننا لا يتوسع فحسب، بل يفعل ذلك بسرعة متزايدة. يشبه ذلك عجينًا به زبيب داخل فرن: حبات الزبيب تبتعد عن بعضها، وكلما ابتعدت أكثر، زادت سرعة تباعدها. القوة الغريبة التي تدفع الكون إلى التمدد سُميت بالطاقة المظلمة. يعتقد معظم العلماء أنها ثابتة، مثل نابض دائم مدمج في نسيج الفضاء نفسه. لكن هناك فكرة أخرى: الطاقة المظلمة ربما كانت مختلفة في الماضي.