الجاذبية المعدلة مقابل المادة المظلمة

المترجم ينشغل بكل حفيف في القاعة — فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. النجم النيوتروني يضغط كتلة الشمس في كرة قطرها بحجم مدينة، والمادة في نواته أكثر كثافة من النواة الذرية. كيف تُنظَّم هذه المادة، لا يستطيع الفيزيائيون اختباره في المختبر: الضغط المطلوب لا يمكن توليده. معادلة الحالة — العلاقة بين الضغط وكثافة الطاقة — تظل اللغز الأكبر.

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 النجوم الأكثر ضخامة بالونات منفوخة بإفراط: فغلافها لم يعد يتمدد، بل بدلاً من ذلك يبدأ في إطلاق المادة بسرعة. وفي مرحلة معينة، يصبح فقدان الكتلة شديداً لدرجة أن النجم يتوقف عن الازدياد في الحجم. ويرى علماء الفلك هذه اللحظة كانكسار في الرسم البياني حيث تُصنف النجوم حسب سطوعها ودرجة حرارتها. ويُسمى هذا الانكسار حد همفري-ديفيدسون. وطوال عقود ظل هذا الحد مستعصياً على التفسير.

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⊙.

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.

بعد الانفجار العظيم، اكتسبت المادة المظلمة — المكوّن الغامض الذي لا يظهر إلا عبر الجاذبية — والمادة العادية، التي كانت تتكون أساسًا من الهيدروجين، سرعتين مختلفتين.

في سحابة غازية كبيرة حيث تولد النجوم، تكون خطوط المجال المغناطيسي مصطفة في اتجاه واحد تقريبًا، مثل الألياف في قطعة من اللباد. ولكن بمجرد أن ننظر إلى الداخل، إلى الكتل الكثيفة التي ستتشكل منها النجوم لاحقًا، يتغير المشهد: هناك، تلتف الخطوط في اتجاهات مختلفة، وكأنها كرة من الخيوط بعد أن لعب بها قط صغير. قاس علماء الفلك اتجاهات المجال في 79 من هذه الكتل في 14 سحابة مختلفة.

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.

عندما تدور النجوم في أطراف المجرات أسرع مما تتنبأ به الحسابات بناءً على الكتلة المرئية، يستدعي علم الكونيات القياسي فرضية المادة المظلمة الخفية — وهي مادة غير مرئية لا تُظهر نفسها إلا من خلال الجاذبية. يقدم العمل الجديد بديلاً لا يتطلب إدخال جسيمات جديدة.

تدور النجوم على أطراف المجرات بسرعة فائقة غير متوقعة. وفقاً لنيوتن، كلما ابتعدنا عن المركز، يفترض أن تتباطأ الحركة — كما في حلقة الرقص، حيث يتحرك الراقصون على الأطراف ببطء. لكن في الواقع، تندفع أطراف المجرات بسرعة تقارب سرعة النواة، مما يشبه دوامة الخيل الضخمة: حيث تجري الخيول الخارجية أسرع لتلحق بالداخلية. لكن المجرة لا تحتاج إلى محرك — فهي تدور بنفسها.

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.

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.

قام التلسكوب الفضائي Gaia بقياس سرعة دوران أكثر من مائة ألف نجم. اتضح أن سرعة الدوران تعتمد على درجة حرارة النجم. في النجوم الأبرد من 6500 درجة، تتحرك السطح بسرعة تتراوح بين 10 و20 كيلومترًا في الثانية. ولكن بمجرد أن يصبح النجم أكثر سخونة، تقفز السرعة فجأة إلى 100 كيلومتر في الثانية.

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.