علم الفلك متعدد الرسل (Multi-messenger Astronomy)

مترجم فوري في قاعة يتحدث فيها شخصان: عليه أن يواكب المعنى والنبرة معًا، لكن إذا كان الكلام سريعًا جدًا، لا يبقى سوى إعادة صياغة. هكذا يشعر العلماء تقريبًا عندما يتزايد تدفق الموجات الثقالية من اندماجات الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، بينما لا تواكب الحسابات الدقيقة للإشارات.

الضوء في الألياف البصرية يشبه الجدول: فهو ينتشر داخل الخيط الزجاجي، محتجزًا بالانعكاس الداخلي الكلي، ولا يخرج عن حدوده. الألياف السميكة، لامتلاكها عددًا كبيرًا من الأنماط، تمرر العديد من هذه «الجداول» في وقت واحد؛ أما الرفيعة فتمرر نمطًا واحدًا فقط. غالبًا ما يحتاج علماء الفلك إلى إعادة توزيع الضوء من ألياف سميكة متعددة الأنماط إلى عدة ألياف رفيعة، لتحليله طيفيًا لاحقًا.

اندماج نجمين نيوترونيين نجم نيوتروني ليس مجرد اصطدام. فقبل التلامس، يشوّه كل منهما الآخر بقوى المدّ، ويعتمد هذا التشوه على مدى «ليونة» أو «صلابة» المادة في الداخل. المادة الصلبة تقاوم بقوة أكبر، بينما المادة اللينة تتغير هيئتها بسهولة. ويظهر الفرق في تردد وطور الموجة الثقالية التي تلتقطها الكاشفات.

في مكان ما في أعماق درب التبانة، تظهر من حين لآخر ومضات راديوية — نادرة ومنتظمة، كأنها دقات بندول بعيد. هذه الومضات الراديوية الطويلة الدورة اكتُشفت مؤخرًا فقط، وقد أربكت علماء الفلك على الفور.

في جليد القارة القطبية الجنوبية، يختبئ كاشف بحجم كيلومتر مكعب. إنه لا يلتقط الضوء، بل الجسيمات الشبحية — النيوترينوات، التي لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. لكن في بعض الأحيان، قد يلمع فيه وحش مختلف تمامًا: زوج من الميونات يولدان معًا وينطلقان في مروحة واسعة. هذا النمط لا يمكن أن ترسمه أي جسيمات معروفة من المادة العادية.

الضوء الذي يغادر جسمًا ضخمًا يفقد طاقة: يقل تردده قليلًا، وينزاح لونه نحو الطرف الأحمر من الطيف. يسمي الفيزيائيون هذه الظاهرة بالانزياح الأحمر الجذبوي الانزياح الأحمر الجذبوي. في إطار الفيزياء الكلاسيكية، كل شيء واضح، لكن على المستوى الكمومي تظهر دقائق. سابقًا، حاولوا نمذجة هذا الإزاحة كتأثير «خالط الأنماط» — جهاز يخلط الحالات الكمومية المختلفة للضوء. لكن هذا النموذج كان يفشل.

الموجة الثقالية هي تذبذب في نسيج الزمكان نفسه، ينشأ مثلًا عن اندماج الثقوب السوداء. تخيلها كقرع جرس في الليل: من شدة الصوت يمكن تقدير المسافة إلى المصدر. لكن لمعرفة السرعة التي يتمدد بها الفضاء نفسه — «الليل» في تشبيهنا — نحتاج عادةً إلى إشارة ثانية: وميض كهرومغناطيسي (ضوء) أو بيانات من كتالوج مجرات ذات انزياح أحمر معروف.

في نهاية حياة نجم ضخم، تنهار نواته خلال أجزاء من الثانية، مولدة وميض مستعر أعظم. هذه الكارثة تهز نسيج الزمكان نفسه، فتبعث موجات ثقالية، تموجات تجري عبر الكون. لم نتمكن بعد من التقاط هذه التموجات مباشرة، لكنها وحدها القادرة على إخبارنا بما يحدث في قلب الجحيم، حيث لا يستطيع أي تلسكوب النظر.

عندما تعزف أوركسترا من آلاف العازفين بتناغم، لا يعود الفضل إلى موهبة كل فرد فحسب، بل أيضًا إلى العمل الخفي لقائد الأوركسترا. وعلى نحو مماثل، صُمم التلسكوب الطيفي واسع الزاوية (WST) المستقبلي — مشروع طموح بمرآة قطرها 12 مترًا، قادر على التقاط أطياف آلاف النجوم والمجرات في وقت واحد. «أوركستراه» هي عدد هائل من الكاشفات الحساسة للضوء، ولكي تعمل جميعها كوحدة واحدة، نحتاج إلى «قائد أوركسترا» جديد تمامًا.

مقهى صاخب. تحاول أن تميز حديثين هادئين: أحدهما من طاولة قرب النافذة (اندماجات الثقوب السوداء)، والآخر همسٌ بالكاد يُسمع من الزاوية البعيدة (أصداء ولادة الكون). لكن كل شيء يغطيه طنين آلة القهوة وضجيج الشارع (اهتزاز الكاشفات). العمل الجديد يعلّم الحاسوب فصل هذه الأصوات. ابتكر المؤلفون شبكة عصبية ببنية خاصة — مُرمِّز ذاتي متعدد المستويات بعدة «رؤوس».

في أعماق جليد القطب الجنوبي، على عمق يقارب الكيلومترين ونصف، يعمل تلسكوب غير عادي. إنه لا يتجه نحو السماء، بل عبر الأرض. هدفه هو النيوترينوات، وهي جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، وتخترق الكواكب والنجوم. لكن في بعض الأحيان، يصطدم نيوترينو بجزيء جليد، فيولد وميضًا ضوئيًا قصيرًا تلتقطه آلاف المجسات الحساسة. هذه الإشارات الضوئية تراكمت على مدى اثني عشر عامًا.

خمسة آلاف من الأذرع الروبوتية لجهاز التحليل الطيفي DESI تمتد نحو بؤرة التلسكوب. في ليلة واحدة، تلتقط مئة ألف بصمة ضوئية. من بين هذه التسجيلات، تختبئ أنظمة نجمية ثنائية متراصة مع قزم أبيض — وهي المتغيرات الكارثية.

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.

17 دقيقة — بهذا التردد ينبض قلب نجم السلوقيان AM، ضارباً الإيقاع لكامل فئة الثنائيات فائقة الانضغاط. في هذه الأنظمة، يدور قزمان أبيضان في رقصة أخيرة، ضاغطين المدار تحت همس الموجات الثقالية الذي لا يُسمع بعد. كل زوج هو ميترونوم كوني، يقرع إيقاعاً فريداً. لكن الفلكيين حتى الآن لم يميزوا سوى وهج باهت، بلا طابع زمني.

في المحيط الصامت للمجرة، لربما اختارت الحضارات الناضجة منذ زمن استراتيجية غير متوقعة: فبدلاً من المنارات الصاخبة، تنثر يراعات هادئة — منارات ليزرية بين نجمية ذاتية التشغيل، تنجرف في الفراغ وتُسقط ومضات ميكروثانية. هذه «بذور الاتصال» غير مرتبطة بنجومها الأم ولا تخبو في ضيائها.

يقترب نجمان نيوترونيان من بعضهما في مسار حلزوني ويصطدمان. يولد ذلك موجة ثقالية — تموجًا في الزمكان، وومضة غاما قصيرة، وتوهجًا خافتًا يسميه الفلكيون كيلونوفا. لكن أحيانًا تمر الإشارة بالقرب من مجرة ثقيلة. تعمل جاذبيتها كعدسة: تنحني مسار الضوء والموجات الثقالية، مما يخلق صدى — صورة مكررة أو مكبرة.

توسع الكون المبكر بسرعة هائلة — تُسمى هذه المرحلة بالتضخم. ولكن كيف حدث ذلك بالضبط؟ تصف بعض النماذج التوسع على أنه ارتفاع أسي حاد، بينما تصفه أخرى بأنه حركة قوة أكثر هدوءًا. اقترح مؤلفو العمل الجديد عائلة من النماذج البسيطة (α-attractors)، حيث يعمل معامل واحد μ كخافض إضاءة: تديره فتنتقل بسلاسة من نوع توسع إلى آخر.

منذ أن تنبأ أينشتاين بـ عدسة الجاذبية، وتم سماع الموجات الجاذبية لأول مرة بواسطة كواشف LIGO، حلم الفيزيائيون اصطياد الصدى المكرر بالعدسة — إشارة متكررة من اندماج واحد، تضاعفها جاذبية جسم ضخم.

ظل علم الزلازل لما يقرب من قرن من الزمن بمثابة الأشعة السينية الرئيسية للكوكب، تتلمس باطنه عبر الموجات المرنة. لكن النيوترينوات - وهي جسيمات شبحية تنبأ بها فولفغانغ باولي - تقدم منظوراً مختلفاً.

يتحدث الكون بلغة الموجات الجذبية — ارتجاف نسيج الزمكان ذاته. عندما يندمج نجمان نيوترونيان، وهما البقايا فائقة الكثافة لانفجارات مستعر أعظم خبت منذ زمن بعيد، في رقصة أخيرة، يصدران تغريدةً ممتدة تتزايد في ترددها.

زوج من النجوم النيوترونية، متداخلان بقفل الجاذبية، يرسمان دوائر غير مرئية في الفراغ. منذ مائة عام، وصف ألبرت أينشتاين هذه الرقصة بأنها تموجات هندسة منحنية، لكننا طويلاً لم نتمكن من متابعتها إلا بطرف العين — من خلال الوميض المحموم للنبضات الراديوية.

ميكروفونان حساسان يستمعان إلى الكون. أحدهما يسمع طنينًا منخفضًا، والآخر لا يسمع شيئًا تقريبًا. الأمر ليس عطلًا، بل يتعلق بطريقة توجيههما. مراصد الموجات الثقالية مثل LIGO لا تلتقط فقط الاندفاعات الصاخبة الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء. إنها تحاول أيضًا سماع خلفية هادئة ومستمرة — صدى الأحداث البعيدة المختلط في طنين عام.

مرصد الموجات الثقالية يشبه ميكروفونًا موزعًا في نقاط مختلفة من الأرض. عندما تصل إشارة من الفضاء — مثل اندماج ثقبين أسودين أو انفجار مستعر أعظم — يسمع كل ميكروفون شيئًا مختلفًا قليلاً. حتى الآن كان يُعتقد أن جبهة الموجة مستوية، مثل الضوء القادم من كشاف بعيد. وبالنسبة لأجهزة الكشف الحالية LIGO وVirgo، هذا صحيح: الموجة ضعيفة وبعيدة جدًا لدرجة أنه يمكن إهمال انحنائها.

ميكروفون فائق الحساسية لا يلتقط الصوت، بل يرصد ارتعاش الفضاء نفسه. هكذا تعمل كاشفات الموجات الثقالية — LIGO وVirgo وKAGRA. تمر أشعة الليزر عبر أنفاق يبلغ طولها كيلومترات متعددة، وتلتقط أي انضغاط أو تمدد في الفضاء ولو بمقدار جزء من ألف من حجم البروتون.

كثيرًا ما تُشبَّه النيوترينوات بإرسال إذاعي تلتقطه أجهزة استقبال مختلفة. محطة واحدة ترسل الإشارة، لكن الهوائيات في اليابان والقارة القطبية الجنوبية وقاع البحر الأبيض المتوسط تسمعها بشكل مختلف — بسبب المسافة والتشويش واتجاه الهوائي. حتى الآن، كان يُعتقد أنه لا يمكن دمج التسجيلات من هذه «الأجهزة» المختلفة في صورة واحدة ذات معنى: فالتفاصيل التقنية كثيرة جدًا. مجموعة من الفيزيائيين أثبتت العكس.

الموجات الثقالية هي تموجات في نسيج الزمكان نفسه، تشبه اهتزازات وتر كوني عملاق. أجهزة الكشف التقليدية، مثل LIGO وVirgo، تلتقط "النغمات" منخفضة التردد — وهي اضطرابات ناتجة عن اندماج ثقوب سوداء ضخمة بكتل نجمية. ومع ذلك، توجد أيضًا موجات ثقالية عالية التردد — وهي ارتجافات فائقة السرعة بترددات في نطاق الميغاهرتز والغيغاهرتز.

حجران يسقطان في بركة. من كل منهما تنتشر دوائر، لكن عندما يصطدمان ينشأ دفقة وضربة رنانة قصيرة. هكذا تقريبًا يبدو اندماج نجمين نيوترونيين — بقايا فائقة الكثافة لنجوم منفجرة. فقط «البركة» هنا هي الزمكان نفسه، و«الرنين» هو الموجات الثقالية التي تلتقطها كاشفات عملاقة على الأرض. هذا الرنين ليس عشوائيًا.

غرفة بحجم شاحنة صغيرة مملوءة بالأرجون السائل عند درجة حرارة 186 درجة تحت الصفر. عندما يدخلها جسيم، يقتلع إلكترونات من ذرات الأرجون، فتنجرف نحو الجدران مرسومة صورة ثلاثية الأبعاد للحدث. هكذا تعمل غرفة الإسقاط الزمني بالأرجون السائل — الأداة الرئيسية لمراصد النيوترينوات الحديثة.

يدور نجمان النجوم النيوترونية في رقصة أخيرة. إذا تطابق دورانهما مع الحركة المدارية، يندمج الشريكان بدقة، قاذفين شعاعًا ضيقًا من المادة الحارة. أما إذا دارا باتجاهين متعاكسين، تنهار الرقصة، ناثرةً سحابة كثيفة من الحطام.

ثقبان أسودان ثقبان أسودان يضربان بعضهما بسرعة، بينما يدور ثالث قريب. في الحياة العادية، كان من شأن هذا الاصطدام أن يولّد دفقة من الموجات الثقالية (تموجات في الفضاء، مثل تموجات حجر يُلقى في بركة). لكن هنا، يمر جزء من التموجات بجوار الجار الضخم - ويتغير، مثل الضوء في مرآة مشوهة.

فهمنا للنجوم النيوترونية وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة، مضغوطة إلى قطر يبلغ بضعة عشرات من الكيلومترات يعتمد على أعمال فريتز زفيكي وسوبرامانيان تشاندراسيخار وجوسلين بيل بورنيل. هذه الأجسام شديدة التطرف لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادتها تزن مثل جبل إيفرست.

في ستينيات القرن العشرين، حاول الفيزيائي جوزيف ويبر التقاط الموجات الثقالية — تموجات في نسيج الزمكان تنبأت بها النظرية النسبية العامة — باستخدام أسطوانات من الألومنيوم. كانت الفكرة بسيطة: يجب أن تجعل الموجة الأسطوانة تهتز، مثل شوكة رنانة، بترددها الرنيني الذاتي.

عندما يصطدم نجمان ميتان في مجرة بعيدة، يصلنا خبر هذا الحدث عبر رسولين: ارتجاج في الفضاء — موجة جاذبية — ووميض ضوء. يركض الرسولان إلينا عبر الكون كله، لكن مساريهما قد يختلفان قليلًا. فالضوء أحيانًا يتأخر بسبب الغبار الكوني، بينما تمر موجات الجاذبية عبر كل شيء تقريبًا دون أن تلاحظ العوائق. وجد مؤلفو الدراسة طريقة لمقارنة ما يقوله هذان الرسولان.

ينحني نسيج المكان تحت وطأة الثقل، مثل قماش الترامبولين المشدود. الموجات الثقالية هي تموجات تنبعث من الكوارث الكونية، كاندماج الثقوب السوداء مثلاً. فإذا صادف مسار هذه التموجات مجرة ضخمة أو مادة مظلمة خفية، فإنها تعمل عمل العدسة المكبرة: تحني الإشارة وتضخمها.

تشرح نظرية الجاذبية لـ أينشتاين كيف تجعل الكتلة المكان والزمان ينحنيان. تم اختبار صحة هذه الأفكار بالقرب من الأرض، لكن أقسى الاختبارات ممكنة بالقرب من الثقوب السوداء، حيث تصل التشوهات إلى أقصاها. حتى الآن، كان علماء الفلك يرونها كبقع ضبابية في صورة رديئة.

عندما تندمج الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية، فإنها تهز نسيج الزمكان نفسه، مولدة الموجات الثقالية — تموجات تنبأ بها أينشتاين في إطار النسبية العامة. تلتقط كواشف مثل LIGO هذا "الرنين الكوني"؛ إذ يحمل تردده وتصاعده (ما يُسمى "الزقزقة") معلومات عن كتل الأجسام المتصادمة.

بركة ماء ضخمة تنتشر عليها دوائر من حجرين ثقيلين يدوران حول بعضهما البعض. الحجارة تقترب، وتصبح الدوائر أكثر تكرارًا وأقوى، وعلى وشك أن يصطدما. الموجات الثقالية هي مثل هذه الدوائر، ولكن ليس على الماء، بل في نسيج الفضاء نفسه. تُصدرها أزواج من الثقوب السوداء الضخمة عندما تندمج في ثقب واحد.

ينشغل المترجم بكل حفيف في القاعة، فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. هذا تقريبًا ما تفعله الغلوونات (gluons) — الجسيمات الناقلة للقوة النووية الشديدة داخل البروتونات. عادةً ما تندفع ذهابًا وإيابًا ممسكة بالكواركات معًا. لكن عند التصادمات بسرعات هائلة، كما يحدث في المسرعات الكونية، يمكن للغلوونات أن تلتصق في كتلة كثيفة — تكاثف غلووني (gluon condensate).

تخيل أن عملة معدنية صغيرة وُضعت في خزنة مثالية، لكن جدرانها رقيقة جدًا لدرجة أن العملة تمر أحيانًا عبرها تاركة صوتًا بالكاد يُسمع. الأكسيونات هي مثل هذه العملات، لكن بدل المعدن لدينا جسيمات، وبدل الخزنة لدينا المادة العادية. فهي لا تكاد تلاحظ العوائق، ومن الصعب للغاية التقاطها مباشرة. لكن هناك أماكن تكون فيها هذه «الخزنات» محمّاة إلى مليارات الدرجات ومضغوطة إلى كثافة هائلة.

يحتفظ ألبوم يضم مئات الصور العائلية بالكثير من الحكايات. إذا تأملت كل صورة على حدة، قد تظن بسهولة أن العمّ عملاق حقيقي: ففي ذلك اليوم كان يقف على درجة أعلى من البقية. لكن بمجرد أن تقلّب الألبوم كاملًا، يتضح أن طوله عادي تمامًا، وأن الدرجة ظهرت في بضع لقطات فقط. على نحو مماثل تعمل كاشفات الموجات الثقالية.