رسم خرائط المجرات بالشبكات العصبية

صورة المجرة البعيدة الملتقطة من الأرض تشبه النظر عبر زجاج مصنفر: الغلاف الجوي يشوش التفاصيل، ويظل البنية الداخلية مخفيًا. لطالما أراد علماء الفلك معرفة أين بالضبط يتوقف تشكل النجوم في المجرات، لكن التلسكوبات الأرضية لم تسمح برؤية التدرجات اللونية الدقيقة. الآن، تعلمت شبكة عصبية إزالة هذا الضباب، مستعادة الوضوح بالاستناد إلى نماذج من الصور الفضائية.

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.

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.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون. وجودها يُستدل عليه من تأثيرها الجاذبي على حركة النجوم والمجرات، لكن تكوين هذا الهيكل يظل لغزًا. إحدى الفرضيات هي جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. وهي بالكاد تتفاعل مع المادة العادية، لكنها في حالات نادرة قد تُظهر نفسها.

تبعد المجرة NGC 4254 عن مركز عنقود العذراء المجري مسافة مليون ونصف سنة ضوئية. تجر خلفها ذيلاً طويلاً من الهيدروجين المبرد — علامة على أنها تصطدم بسرعة عالية بـ الغاز الساخن. فقدان الوقود البارد يخمد ولادة نجوم جديدة.

في اللحظات الأولى من عمر الكون، كان يشبه مرجلًا يغلي. لم تكن المادة موزعة بالتساوي — بل كانت تتشكل فيها تكتلات وفراغات، وكانت حركتها المضطربة تولد ارتجاجًا في الفضاء نفسه: الموجات الثقالية. اليوم نحاول التقاط أصداء هذه الموجات — على سبيل المثال، عبر شبكة التلسكوبات الراديوية NANOGrav — ومقارنتها بالتوقعات.

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.

أربعة خطوط خافتة على الصورة – كل ما يراه الفلكي. هكذا يستعيد النحّات شكل الزجاج غير المرئي من أربعة ظلال. قبل نحو مئة عام، تنبأ ألبرت أينشتاين بها، واقترح فريتز زفيكي استخدام العدسات الثقالية – تلسكوبات طبيعية من المادة المظلمة، تعزز ضوء النوى المجرية النشطة البعيدة بمئات المرات.

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.

ثماني نقاط مضيئة في السماء الراديوية. إنها نفس الكوازار HS 0810+2554، الذي مر ضوءه عبر عدسة جاذبية — مجرة ضخمة في المقدمة. لكن التفسير المعتاد بتوزيع أملس لـالمادة المظلمة في العدسة يترك فجوة: المواقع المتوقعة للنقاط تختلف عن المشاهدات بعدة ملي ثانية قوسية.

في التاسعة صباحًا، يسجل كاشف DarkSide-50 على عمق 1400 متر تحت جبل غران ساسو نبضة تأين ضعيفة. بحلول الحادية عشرة مساءً، ينخفض تواتر هذه الأحداث بشكل ملحوظ. هذا ليس عطلًا إلكترونيًا ولا تباينًا موسميًا في الخلفية. كل يوم، يتغير تدفق المادة المظلمة الذي يصل إلى الكاشف بمقدار الضعف تقريبًا في السعة.

تصل درجة الحرارة في مركز العنقود المجري إلى مئة مليون درجة. هذه الأنظمة، الأكبر في الكون المرتبطة بالجاذبية، هي مختبرات طبيعية تخبئ فيها الطبيعة 85% من كتلتها في المادة المظلمة غير المرئية.

عند تجميع أحجية الكون، اعتاد علماء الفلك على أن كل قطعة جديدة يجب أن تتناسب تمامًا مع الصورة المكتملة. لكن في بعض الأحيان تظهر قطع تبدو وكأنها مأخوذة من لغز آخر. عشرون ألف نواة مجرة نشطة — وأحد عشر بالمئة منها ترفضها الشبكة العصبية بثقة باعتبارها غريبة.

تأمل في سماء الليل — ما تراه ليس مجرد تناثر أضواء، بل مخطوطة متعددة الطبقات. تحت حبر النجوم والمجرات اللامع، يظهر نص باهت يكاد يُمحى. إنها رسالة المادة المظلمة، منقوشة بالعدساتية الجاذبية: كتل خفية تشوّه ضوء المجرات البعيدة، تاركةً علامات مائية خافتة على رقّ الكون.

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.

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.

محرر الصور العادي يحدد الكائنات في الصورة. شبكة ZooBot:3D تتعامل مع المجرات البعيدة المجرات كما يرسم رسام الخرائط خريطة لأرض مجهولة. آلاف المتطوعين رسموا يدويًا الأذرع الحلزونية والقضبان (أشرطة نجمية مركزية) على الصور، ومن هذه الدروس تعلم الخوارزم إنتاج ليس مجرد خطوط، بل خرائط حرارية: يخبرنا كل بكسل ما إذا كان هناك ذراع هنا.

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.

كرة من الوبر، شبكة عنكبوت غير مرئية، تلفّ الثقب الأسود. هذه الشبكة هي المادة المظلمة، التي لا تُصدر ضوءًا، لكنها بثقلها تتحكم في حركة النجوم في أطراف المجرات. لطالما رصد علماء الفيزياء الفلكية مثل هذه السحب «الوبرية» حول الأجرام الكونية ورَسموا ملامحها — كيف تنخفض الكثافة من المركز نحو الحافة.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده، قد يؤدي انهيار النواة إلى إنتاج مُستعر أعظم و نجم نيوتروني، لكن مع كتلة كافية لا شيء يوقف الانضغاط — فينشأ ثقب أسود.

ذراع نهر نجمي يلتف حول مركز مجرة بعيدة، مثل شريط مضيء على إطار غير مرئي. هذا الإطار هو الهالة المظلمة: سحابة ضخمة من المادة المظلمة غير المرئية، والتي تمسك النجوم والغاز بجاذبيتها. إذا كانت الهالة مفلطحة مثل القرع، أو مستطيلة مثل الشمام، فإن التيار النجمي سينحني بشكل مختلف. العلماء من فريق Potamides تتبعوا انحناءات 15 تيارًا في مجرات أخرى، ولأول مرة حصلوا على شكل الهالة منها.

المادة المظلمة غير مرئية، لكن جاذبيتها تتحكم في حركة المجرات. مما تتكون؟ لغز. إحدى الأفكار: إنها جسيمات فائقة الخفة تشبه الأكسيونات. في الظروف العادية لا تظهر نفسها تقريبًا، لكن في محيط الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن تتحلل إلى فوتونين — مثل عود ثقاب لا يشتعل إلا بلهب مشتعل بالفعل.

الكون مليء بمادة غير مرئية — المادة المظلمة — التي تأثيرها الثقالي واضح، لكن تكوينها يظل لغزًا. إحدى الفرضيات تقترح أنها تتكون من جسيمات فائقة الخفة، كتلتها صغيرة جدًا لدرجة أنها تظهر خصائص موجية، مكوّنةً نوعًا من التموجات الكونية. لرصد هذه التموجات، لجأ العلماء إلى أكثر الساعات الطبيعية استقرارًا — النجوم النابضة.

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.

يشبه الكون إسفنجة عملاقة: خيوط لامعة من المجرات تلف فراغات هائلة مظلمة. داخل هذه الخيوط والجدران تختبئ كتل من المادة المظلمة غير المرئية — الهالات. عندما تتصادم جسيمات المادة المظلمة وتضمحل، فإنها تولد جسيمات عادية يمكن التقاطها بالتلسكوبات. لكن قوة هذه الإشارة لا تعتمد فقط على حجم الهالة.

تتطلب دراسة ولادة المجرات نمذجة مليارات السنين من نمو المادة المظلمة وتشكل النجوم - حتى الحواسيب العملاقة تنجز ذلك ببطء. جاء الحل من مجال التعلم الآلي: شبكة عصبية، مثل طباخ بارع، تقيّم المجرة المستقبلية فورًا من خلال "وصفة" اندماجات المادة المظلمة - كتلتها، سطوعها، تركيبها الكيميائي.

في المطبخ، دلو مملوء بالماء ودلو آخر مماثل مملوء بالرمل. نسكب الرمل في الماء — فنحصل على خليط يحتوي رملًا يزيد خمسة أضعاف كمية الماء. هذا تقريبًا ما عليه حال كوننا: المادة العادية، التي تتكون منها النجوم والكواكب ونحن أنفسنا، جزء واحد، بينما المادة المظلمة التي يصعب رصدها — خمسة أجزاء.

قدرٌ يغلي فيه حساء من ثلاثة مكونات. يغيّر الطباخ النسب أثناء الطهي، ويُتابَع ذلك من خلال موقع نقطة على مقياس مثلثي. هكذا تقريبًا يتعامل الفيزيائيون مع النيوترينوات الصادرة عن انفجار مستعر أعظم. عندما ينضغط قلب النجم إلى كثافة هائلة، يتولد تيار من النيوترينوات — جسيمات خفيفة لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. وهي من ثلاثة أنواع، ويتغير تكوينها في الطريق من النجم إلى الكاشف.

الكون هو شبكة هائلة من المادة المظلمة غير المرئية والمجرات، تتمدد بفعل تمدد الفضاء. النيوترينوات – جسيمات شبه شبحية لا تكاد تمسك بالخيوط، لكن كتلتها الإجمالية تغير بمهارة شدّ الشبكة بأكملها. بدلاً من العقد المضيئة، درس العلماء الفراغات بين الخيوط.

يستغرق ضوء المجرة البعيدة مليارات السنين ليصل إلينا، وفي طريقه ينحني مساره قليلاً — وهكذا تظهر الكتلة غير المرئية التي تسمى المادة المظلمة. هذا الانحناء يمدد أو يضغط صورة المجرة قليلاً، مثل الانعكاس في زجاج غير مستوٍ. التقاط هذه التغيرات الطفيفة في الشكل ليس بالمهمة السهلة، فالمجرات نفسها قد تكون ممدودة أو حلزونية أو غير منتظمة تمامًا، والتلسكوب يضيف ضبابية وضوضاء.

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.

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…

في أعماق الكون المظلمة تختبئ مادة غير مرئية. إنها لا تشع، لكن جاذبيتها تُمسك المجرات معًا. يُعتقد عادةً أن المادة المظلمة تخضع لنفس قوانين الجاذبية التي تخضع لها الطاولات والكراسي. العمل الجديد يقدم نظرة مختلفة: قد تغيّر المادة المظلمة الجاذبية نفسها قليلًا. يبني المؤلفون نموذجًا ترتبط فيه المادة المظلمة بانحناء الفضاء بطريقة خاصة.

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.

المجرة ليست مجرد حشد من النجوم. ففي مركز الكثير منها يتوهج شيء أشد سطوعًا من مليارات الشموس: غاز محمّى يتساقط نحو ثقب أسود. ومن لون هذا التوهج يمكننا أن نفهم أي حياة تعيشها المجرة — هل تولّد النجوم بهدوء أم تلتهم المادة بعنف. في السابق، كان علماء الفلك يزيلون ضوء النجوم يدويًا ويفصلون الخطوط المتقاربة في الطيف، مثل طاهٍ دقيق يفصل صفار البيضة عن بياضها.

لمدة ست سنوات متتالية، نظر تلسكوب HARPS-N في جزيرة لا بالما إلى الشمس كما لو كانت نجمًا غريبًا — يلتقط الأطياف، ويتابع السطوع، ويسجل كل ارتعاشة في الخطوط الطيفية. كل هذا ضروري لفهم كيفية التمييز بين التمايل الضعيف للنجم والإشارة الحقيقية لكوكب. النجم لا يبقى ثابتًا: سطحه يغلي مثل قدر من الحساء. تتصاعد فقاعات ساخنة، وتظهر بقع، ويتغير المجال المغناطيسي.

المادة المظلمة تشبه الغراء غير المرئي الذي يمسك المجرات ببعضها. إنها لا تُصدر ضوءًا، لكن إذا تصادمت جسيماتها فقد يومض إشعاع غاما. بحث العلماء عن مثل هذه الومضات في المجرات القزمة — وهي تجمعات نجمية صغيرة حيث تكون المادة المظلمة وفيرة جدًا والمادة العادية شبه معدومة. الأمر أشبه بالبحث عن همس في غرفة هادئة: كلما قلّ الضجيج، كان الاستماع أسهل.

المجال المغناطيسي للأرض يشبه نهرًا غير مرئي يتعرج تحت أقدامنا. يعتمد الملاحون والجيولوجيون على خرائط هذا النهر، لكن الأجهزة لا تسجل القراءات إلا في نقاط متفرقة، تاركةً بقعًا بيضاء بينها. ملء هذه الفراغات يشبه إعادة رسم مجرى النهر بالاعتماد على بضع حصى وجدت على الضفة.

وُلدت آلاف الأكوان داخل الحاسوب لكي تحكي يومًا ما عن كوننا. كلٌّ منها يحمل عناقيد مجراته الخاصة، موزعة وفق قوانين الجاذبية، مثل حبات البازلاء في وعاء هزّته قوة مختلفة. من طريقة استقرار الحبات يمكننا أن نفهم أي يد هزّت الوعاء. وهكذا هنا: من نمط توزيع العناقيد، يريد العلماء تحديد كمية المادة المظلمة في الكون ومدى سرعة تجمعها في كتل.

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.