عصر يهيمن عليه الإشعاع

في أول نصف مليار سنة بعد الانفجار العظيم، كانت المجرات تنمو بسرعة مذهلة. كان الغاز يسقط فيها بسرعة وينهار ليشكل نجومًا دون أن يواجه مقاومة. تُسمى هذه الفترة "تكوين النجوم غير المقيد". الأمر أشبه بقلي الفطائر على مقلاة شديدة السخونة دون غطاء: يتطاير الزيت في كل مكان، ولا أحد يحدّه.

في الفيزياء الكلاسيكية، يوجد قيد أساسي: لا يمكن أن تكون كثافة الطاقة سالبة، ولا يمكن أن يتجاوز تدفقها سرعة الضوء. تخيل مقهى: لا يستطيع النادل توزيع الطلبات أسرع من ركضه هو نفسه. يسمي الفيزيائيون هذا بشرط هيمنة الطاقة (dominant energy condition).

يقول المثل: المصباح الساطع في الضباب الكثيف يبدو خافتًا، بينما يُرى ضوء صغير في الهواء الشفاف من مسافة كيلومتر. شذوذ مماثل حيّر علماء الفيزياء الفلكية قبل نصف قرن تقريبًا.

الماء المغلي في قدر هو نقطة البداية. فقاعات البخار تصعد وتنفجر، ثم يهدأ السطح. وبطريقة مشابهة، في اللحظات الأولى من عمر الكون، ربما تصرف حقل خاص يملأ الفضاء: فيه انتفخت وتصادمت فقاعات طور جديد — مثل جزر بخار في سائل. كان يُعتقد سابقًا أنه بعد التصادم، يتجمد الحقل فورًا ويتحول إلى جسيمات عادية. لكن الدراسة الجديدة تقول: لا، لن يكون هناك هدوء فوري.

لطالما ساد في علم الكون اعتقاد مستمد من هوكينج: في عصر الإشعاع، لا تنمو الثقوب السوداء الأولية.

في عام 1981، اقترح آلان غوث سيناريو التضخم الكوني — انتفاخ سريع خاطف للفضاء، مدّد التموجات الكمومية إلى مقاييس مجرات كاملة. منذ ذلك الحين، يقوم علماء الكونيات، كعلماء الآثار، بالتنقيب عن هذا الحدث عبر بنى الكون.

نموذج النموذج الكوني القياسي ΛCDM، حيث تلعب المادة المظلمة والطاقة المظلمة دور المهندسين الرئيسيين للكون، ظل لعقود يتنبأ بالبيانات الفلكية بدقة الساعات السويسرية. أسس هذا النموذج ثلاثة عباقرة. افترض جورج لومتر توسعاً من 'ذرة' فائقة الكثافة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تمدد الكون بسرعة لا يمكن تصورها. ترك هذا التمدد وراءه تموجات — تكثفات بالغة الصغر في الإشعاع والبلازما الساخنين. عندما برد الكون، بدأت هذه التكتلات تعيش حياتها الخاصة: بعضها تبدد، والبعض الآخر، الأكثر كثافة، انضغط ليشكل ثقوبًا سوداء. أعاد مؤلفو الدراسة إنشاء هذه العملية على الحاسوب باستخدام معادلات أينشتاين في صورتها الكاملة، دون تبسيط.

المجرات الإهليلجية هي مدن نجمية هادئة في مرحلة التقاعد. وفق كل القوانين، ينبغي أن يكون ضوؤها هادئًا مائلاً للحمرة، مثل الغروب. لكن أطيافها تصرخ بعكس ذلك: في الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، تتوهج هذه العجائز كأنها أضواء زينة الأعياد. طوال ثلاثة عقود، حار علماء الفلك في أمر هذا 'الارتفاع فوق البنفسجي' (UV upturn).

أصل الانفجار العظيم الحار هو أحد أعظم الألغاز. الصورة المألوفة: بعد التضخم، ينقل حقل الإنفلاتون الطاقة إلى الجسيمات العادية، مسخناً الكون. لكن المادة المظلمة والطاقة المظلمة تشيران إلى أن للطبيعة قطاعات خفية.

قبل ثمانمئة مليون سنة، تحطَّمت محبرة عملاقة في حزام الكويكبات. الجسم الأم الذي يزيد قطره عن مئة كيلومتر، والمكوَّن من كوندريتات كربونية بدائية، انهار فجأة قرب الرنين J3:1 مع المشتري. تناثرت الشظايا الداكنة كالحبر في كل اتجاه — واندفع جزء كبير منها نحو المناطق الداخلية للنظام الشمسي. هكذا بدأ وابل نيازكي ترك بقعاً على وجوه الكواكب.

شارع بُنيت فيه منازل للتو. بعضها يلمع بنوافذ نظيفة، وبعضها الآخر يغطيه غبار البناء. هكذا تقريباً كانت تبدو المجرات عندما كان عمر الكون بضع مئات الملايين من السنين فقط. نظر التلسكوب الجديد «جيمس ويب» إلى تلك الحقبة ورأى عشرات الجزر النجمية الساطعة. لم يكن العدد هو المفاجئ، بل مدى اختلافها. بعض المجرات كانت تتوهج بضوء أزرق نقي – لم يكن فيها غبار تقريباً.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، كان من الممكن أن تطفو في الفضاء تكتلات تزن ترليون شمس وبشحنة كهربائية هائلة القوة — مثل تريليونات من الكرات المكهربة. تنافرها المتبادل كان يمكن أن يدفع المجرات بعيدًا، محلًا بذلك الطاقة المظلمة ومسرعًا توسع الكون. لكن الحسابات تقضي على هذه الفكرة.

نظامنا الشمسي ليس جزيرة في الفراغ، بل شبكة حساسة ممتدة في زاوية مظلمة من الكون. تدور الكواكب في مداراتها كقطرات الندى على الخيوط، ونحن العنكبوت الذي يشعر بأدنى اهتزاز. وهذا الاهتزاز بالذات يكشف اقتراب الكارثة التي يسميها علماء الفلك التمزق الكبير. بدأ كل شيء في عام 1929، عندما رصد إدوين هابل تمدد الكون.

الأكسيونات جسيمات أولية افتراضية أدخلها في النظرية روبرتو بيتشي وهيلين كوين عام 1977 لحل ما يُعرف بمسألة CP القوية في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

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 حديقة لا تكتفي أزهارها الأولى بالتفتح فحسب، بل تتناثر بذورها بعيدًا خارج السياج، هناك شيء من الكرم المذهل. شيء مشابه كان يحدث في الكون الفتيّ. المجرات التي نشأت بعد حوالي 500 إلى 700 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم كانت محاطة بالفعل بغاز مليء بالكربون والسيليكون والأكسجين — وهي عناصر لا تولد إلا داخل النجوم.

ثقب أسود صغير بحجم نواة ذرية يسبح في حساء الكون المبكر الملتهب. عادةً، يجب أن يتبخر هذا الصغير بسرعة، مُطلقًا طاقته مثل قطرة ماء على مقلاة ساخنة. لكن إذا كان الفضاء أكثر تعقيدًا مما يبدو، ويحتوي على أبعاد خفية، يتغير كل شيء. في العمل، دُرس كونٌ توجد فيه، بالإضافة إلى الأبعاد الثلاثة المألوفة، أبعاد إضافية مطوية في حلقات صغيرة.

بعد الانفجار العظيم، امتلأ الفضاء بمزيج من الغازات المتعادلة، معظمها من الهيدروجين والهيليوم. وقد غلفت هذه المادة الباردة الكون مثل ضباب صباحي كثيف، لا يمكن للإشعاع أن يخترقه. وهكذا بدأ عصر يُعرف بالعصور المظلمة.

على مدى 800 ألف عام، تتقدم العصور الجليدية بإيقاع يبلغ حوالي 100 ألف عام. هذا الإيقاع يتطابق بشكل مذهل مع التغيرات في استطالة (انحراف) مدار الأرض، وهي إحدى دورات ميلانكوفيتش. لكن المفارقة هنا: التقلبات المدارية تغير تدفق الطاقة الشمسية بشكل بالغ الضآلة، وكأن قائد الأوركسترا يحرك عصاه بالكاد بينما تنفجر الأوركسترا بالعزف المدوي.

الكثافة في مركز النجم النيوتروني هائلة لدرجة أن ملعقة صغيرة من مادته تزن مثل وزن جبل. يحاول الفيزيائيون منذ زمن طويل فهم مقدار الكتلة التي يمكن أن يصل إليها مثل هذا النجم قبل أن ينهار إلى ثقب أسود. اعتمد الحد الكلاسيكي، الذي اشتُق في السبعينيات (1970)، على افتراض أن المادة في النواة تصبح غير قابلة للانضغاط (صلبة) فقط عند كثافات عالية جدًا.

في فجر الأرض، قبل حوالي أربعة مليارات سنة، كان الكوكب مكانًا قاسيًا: شمس خافتة، اصطدامات متكررة بالكويكبات، وهواء بلا أكسجين. في ظل هذه الظروف، تبدو الخطوات الأولى للحياة شبه مستحيلة. لكن هناك فرضية تقول إن الحياة احتمت في برك دافئة ضحلة، حيث كان الماء يجف ثم يمتلئ من جديد.

النيوترينوات (neutrinos) جسيمات صغيرة لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. فهي تمر عبر النجم دون عوائق، مثل الرصاص عبر الضباب. عندما يستعد نجم ضخم للانفجار، تنضغط نواته، وترتفع درجة الحرارة، وتبدأ النيوترينوات بالانطلاق منه. ولأول مرة، تتبع الفيزيائيون الفلكيون هذه العملية بشكل مستمر، من الأيام الأخيرة في حياة النجم حتى اللحظات الأولى بعد انهيار نواته.

في منتصف القرن العشرين، اكتشفت عالمة الفلك فيرا روبين أن النجوم على أطراف المجرات تتحرك بسرعة كبيرة جداً - كتلة غير مرئية تمسك بها. هكذا ظهر لغز المادة المظلمة. إنها لا تشع ضوءاً، لكنها تظهر نفسها عبر الجاذبية. السؤال الرئيسي: لماذا بقيت منها هذه الكمية بالذات؟ عمل جديد يقدم إجابة غير متوقعة.

بدأ الكون بالانفجار العظيم ثم التضخم — توسع سريع. افترض آلان غوث أن هذا النمو لم يتوقف أبداً في بعض المناطق. لقد بقيت إلى الأبد "جيوباً غير مكتملة الخَبز" من التوسع الأبدي. في فضائنا، تجلت هذه المناطق كـثقوب سوداء أولية — كتل ذات كثافة لا تُصدق.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون أشبه بقدر يغلي فيه حساء. وفي داخله، كما تتجمع كتل العجين، كانت كتل الطاقة الكثيفة — الأوسيلونات — تتكوّر وتنتفخ. نمت واكتسبت قوة، وسرعان ما استولت على زمام توسع الكون. لفترة، توقف 'الحساء' عن التبريد كالإشعاع العادي، وبدأ يتصرف وكأنه مليء بأجسام ثقيلة. لكن لا تدوم أي قطعة عجين.

المادة المظلمة، ربما ليست جسيمات، بل ثقوب سوداء من زمن الانفجار العظيم. في الكون المبكر، الشبيه بعجين يُعجن، كانت كحبوب ثقيلة — لا تكاد تتحرك، جمعت حولها المادة ودوّمتها في تيارات مجرية سريعة، يراها الفلكيون اليوم. لكن هناك فارق بسيط: أخف الثقوب، وفقًا لنظرية هوكينغ، تتبخر وتُصدر طاقة.

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.

من خلال تحليل العلامات اللونية — نسبة السطوع في نطاقات طيفية مختلفة في صور تلسكوب جيمس ويب الفضائي، حدد علماء الفلك مجرات ينقطع ضوءها فجأة في منطقة الأشعة فوق البنفسجية.

عند الكوكب الخارجي TRAPPIST-1، يخسر البناء الضوئي الأكسجيني — العملية التي تتحول فيها الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية مع إطلاق الأكسجين — سباق البقاء. هذا النجم القزم من الفئة الطيفية M يصدر إشعاعًا في الغالب ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء، وليس في الضوء المرئي مثل الشمس.

بعد الانفجار العظيم، كان الكون حارًا وكثيفًا. في كتل المادة المظلمة — وهي مادة غير مرئية لا نستشعرها إلا من خلال جاذبيتها — كانت جسيماتها تتصادم وتفنى، مولدةً إشعاعًا قويًا. هذه الحرارة الخفية، مثل موقد غير مرئي، كانت تسخن سحب الغاز من الداخل. اشتعلت نجوم مظلمة عملاقة — فضفاضة وممتدة، تتألق بأشد من مجرات كاملة.

ليلة الرابع من مارس 2024. التلسكوب الراديوي ميركات (MeerKAT) في جنوب أفريقيا يلتقط نبضة تدوم أجزاء من الألف من الثانية، وهي تدفق راديوي سريع قادم من عمق 17.4 جيجا فرسخ فلكي. هذا ضوء استغرق وصوله إلى الأرض 10.5 مليار سنة. في تلك اللحظة، كان عمر الكون ثلاثة مليارات سنة فقط، أي في شبابه، عندما كانت المجرات تلد النجوم بوتيرة جنونية.

في الليل فوق التايغا السيبيرية، يظهر أحيانًا وميض ضوء أزرق خافت. ليس هذا هو الشفق القطبي، بل زخة كونية: جسيم واحد من الفضاء البعيد يصطدم بالغلاف الجوي ويتفتت إلى ملايين الجسيمات الثانوية. تتجه هذه الجسيمات إلى الأرض في جبهة عريضة، مثل موجة من حجر أُلقي في الماء، وتجعل الهواء يتوهج. رصدت منشأتا «تونكا-133» وTAIGA-HiSCORE هذه الوميضات لمدة سبع سنوات.

ارتفع بالون ATIC فوق القارة القطبية الجنوبية والتقط جسيمات أقدم من الأرض نفسها. من بينها نوى ذرية من الكبريت إلى الكروم، وكلما زادت طاقتها، زادت نسبتها مقارنة بالحديد. النموذج القياسي "الصندوق المثقوب" توقع العكس: كان يجب أن تذوب النوى الثقيلة مثل الملح في الماء. لكن البيانات أصرت على الارتفاع.