الانزياح الأحمر ظاهرة أساسية في علم الفلك: يصلنا ضوء الأجرام البعيدة بطول موجي متزايد. السبب الرئيسي هو توسع الفضاء نفسه الذي "يمدد" الفوتونات أثناء رحلتها. يُرمز لدرجة الانزياح بـ z وتحسب بالعلاقة z = (λالمرصودة − λالصادرة)/λالصادرة. عند الابتعاد البطيء تكون z مساوية تقريبًا لنسبة سرعة المجرة إلى سرعة الضوء، أما عند السرعات الكبيرة فتُستخدم العلاقة النسبية. قادت أرصاد الانزياح الأحمر للمجرات إلى اكتشاف توسع الكون والطاقة المظلمة.
التاريخ
في الأعوام 1912–1917، قام فستو سليفر بأول قياسات للسرعات الشعاعية للسدم، مُسجلاً انزياحًا أحمر في الغالب. في عام 1922، استنتج ألكسندر فريدمان نظريًا معادلات الكون المتوسع. في عام 1929، نشر إدوين هابل علاقة «الانزياح الأحمر – المسافة»، واضعًا أسس علم الكونيات الحديث. في عام 1998، اكتشف فريقا آدم ريس وسول بيرلموتر، برصد المستعرات العظمى من النوع Ia، التوسع المتسارع مما أدى إلى مفهوم الطاقة المظلمة.
كيف يعمل
ينشأ الانزياح الأحمر الكوني عند حركة الفوتون في فضاء متوسع: أثناء انتقال الفوتون، ينمو عامل حجم الكون، مما يؤدي إلى زيادة متناسبة في طول موجته. توصف هذه العملية بمعادلات فريدمان. في حقول الجاذبية الضعيفة، يظهر الانزياح الأحمر الجذبي الذي تنبأ به أينشتاين وجرى التحقق منه تجريبيًا (تجربة باوند وريبكا). يفسر تأثير دوبلر الانزياح الأحمر لمصدر مبتعد محليًا، لكن على المسافات الكونية، يكون التفسير عبر سرعة الابتعاد غير واضح بسبب انحناء الفضاء.
في التطبيق
بقياس الانزياح الأحمر، يحدد الفلكيون مسافات المجرات وسرعة ابتعادها، ويحسبون عمر الكون؛ كما دلّ على التوسع المتسارع.
حقيقة طريفة
لو كان الكون ينكمش، لرأينا انزياحًا أزرق. أبعد المجرات لديها z ≈ 11، أي أن ضوءها تمدد بأكثر من 12 مرة.
العمالقة الحمراء في مركز درب التبانة تشبه منارات بعيدة تتوهج تارة وتخفت تارة أخرى. يخترق ضوؤها الغبار الكثيف، لكن الطرق التقليدية لقياس المسافات تفشل هنا: النجوم شديدة السطوع وغير مستقرة، والغبار يشوه الصورة. وجد علماء الفلك طريقًا ملتويًا.
المجرة NGC 5584 هي مدينة نجمية شاسعة، بعض أحيائها ما تزال قيد الإنشاء، بينما تميزت أخرى بعمالقة قدامى. لرؤية النوعين معًا، استخدم علماء الفلك «مصباحين» مختلفين تمامًا. التلسكوب فوق البنفسجي سويفت أظهر بقعًا زرقاء ساخنة — مشاتل نجمية حيث تتوهج النجوم الضخمة حديثًا.
فانوس بعيد في الضباب يبدو صغيراً ومحمراً، ويخيل إليك أنه على بُعد كيلومترات. لكن إذا تحرك الفانوس جانباً، يتضح أنه دراج على بُعد عشرين خطوة، لكن ضوءه الخلفي شبه منطفئ. هكذا في عام 2025، عثر علماء الفلك على جسم "كابوتاورو" — مصدر أحمر مدمج في صور تلسكوب جيمس ويب الفضائي.
ستة عدّائين يركضون على المضمار، والحكام يقيسون سرعتهم دون أن يلاحظوا الرياح المواتية. الرياح تهب في ظهورهم جميعًا، وساعات الإيقاف تُظهر نتيجة أفضل من الحقيقية. هكذا تقريبًا ضللت ستة ميجاميزرات — وهي ليزرات كونية طبيعية في مجرات بعيدة — علماء الفلك الذين كانوا يقيسون سرعة توسع الكون.
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.
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.
الومضة الراديوية السريعة هي وميض قصير لكن قوي من موجات الراديو قادم من الفضاء البعيد. أثناء وصوله إلينا، تمر الإشارة عبر سحب من الغاز المخلخل، وكلما زاد الغاز في الطريق، زاد تشتت الإشارة عبر الترددات. يطلق علماء الفلك على هذا التأخير اسم مقياس التشتت — وهو في جوهره «وزن» كل المادة على خط الرؤية.
لكن هناك عقبة: بالنسبة لمعظم الومضات، لا نعرف مدى بعدها.
في 1433 زوجًا من المجرات منتشرة عبر السماء، لاحظ علماء الفلك نمطًا غير عادي. الجيران الذين وجدوا "فوق" أو "تحت" نظام نجمي ضخم يحتويون على أكسجين أكثر بنسبة تصل إلى الربع مقارنة بتلك الواقعة في مستوى قرصه. هكذا يبدو التلقيح المتبادل الكوني — النقل الموجه لـ العناصر الثقيلة المطبوخة في بطون النجوم، من مجرة إلى أخرى.
صائد الضوء القديم — تلسكوب جيمس ويب — وجّه مراياه إلى بقعة صغيرة من السماء ورصد منارة غريبة. الجسم الذي يحمل الاسم العملي beacon_1420-$$5253_{4770}$$ اشتعل ثم خفت. في البداية، أُدرج ضمن المرشحين ليكون أبعد مجرة — وكأننا نراها بعد 300 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. لكن المجرات لا تتصرف هكذا: فهي لا تختفي في غمضة عين بين المجرات.
مدينتان تعرضتا لسلسلة من الحرائق. في إحداهما، تبعثر الرياح الرماد بعيدًا إلى ما وراء الأطراف، فتبقى السماء صافية. وفي الأخرى، يترسب الرماد كستار كثيف يصبغ الغروب بلون قرمزي. تقريبًا هكذا، لكن على نطاق المجرات، تعمل انفجارات المستعرات العظمى (supernovae) — الومضات الأخيرة للنجوم الضخمة.
عندما تتوالى انفجارات المستعرات العظمى في تجمع نجمي فتي، تندمج موجات صدمتها في تيار قوي.
قبل عشرة مليارات سنة، كان الكون مليئًا بشرارات قرمزية غريبة. رصدها تلسكوب جيمس ويب في صور الأعماق السحيقة عند انزياحات حمراء بعيدة — مصادر مدمجة تتوهج كـمجرات بأكملها، لكن بحجم منطقة صغيرة جدًا في مركزها. أطلق عليها الفلكيون اسم «النقاط الحمراء الصغيرة». وظلت طبيعتها عصية على التفسير طويلًا.
تُعد Albert Einstein الموجات الثقالية التي تنبأ بها منارات في محيط الفضاء المظلم. تتوهج عند تصادم الثقوب السوداء وتخترق الكون بتموجات الفضاء. قبل مئة عام، لاحظ Edwin Hubble و Georges Lemaître أن المجرات البعيدة تبتعد عنا.
جسم تابع صغير، كالسباح، يشق طبقات الغاز غير المرئية في الغلاف المنتفخ لنجم عملاق أحمر. كل دورة من مداره تثير أثرًا صوتيًا – أمواج ضغط تجري عبر البلازما (plasma). وفقًا لـ قانون الجاذبية العام، يجذب الجسم التابع الغاز، والغاز يجذبه، مكونًا هذا الأثر.
الخلفية البصرية للسماء هي طِرْس كوني، حيث يتراكب ضوء مليارات المجرات غير المميزة المجرات في طبقات تعود إلى عصور مختلفة. حتى الآن، كنا نميز فقط "الحروف" الأكثر سطوعًا — النجوم الفردية والمجرات القريبة. لكن الجزء الأكبر من النص بقي بقعة ضبابية تخفي تاريخ توسع الكون، وولادة النجوم الأولى وطبيعة المادة المظلمة.
عندما يقترب نجم كثيرًا من ثقب أسود فائق الكتلة، يتردد قداس كوني — حدث التمزق المدّي. وبفضل القياس الضوئي و التحليل الطيفي، يميز الفلكيون كل آلة في هذه الأوركسترا. في الحدث 2024aepd، تكون الافتتاحية هي التوهج فوق البنفسجي لـ قرص التراكم، وبعد بضعة أسابيع تنضم أصوات أخرى.
في عام 2016، رأى الفلكيون شيئاً لا يصدق: نجم بعيد، سُمي إيكاروس، توهج لعدة أسابيع متجاوزاً هاوية الفضاء. حدث العدسية الجاذبية — التأثير الذي تنبأ به أينشتاين: جسم هائل يحني الزمكان ويركز الضوء، مثل عدسة مكبرة عملاقة. عنقود المجرات MACS J1149 ضخم بريق إيكاروس آلاف المرات.
الطاقة المظلمة — المادة الغامضة المسؤولة عن توسع الكون المتسارع — ربما لا تتصرف كعامل ثابت، بل كقوة متغيرة. أشارت البيانات الحديثة من مسح DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) إلى زيادة غير متوقعة في التسارع في الماضي الكوني القريب نسبيًا، وكأن "ضغط" الطاقة المظلمة زاد فجأة.
التفسير الذي اقترحه العلماء لهذه الظاهرة لا يتطلب فيزياء غريبة.
الأوركسترا الكونية لا تُضبط على شوكة رنّانة واحدة. هناك مجموعتان من الآلات: الأولى تُصغي إلى همهمة الكون الفتي — إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والأخرى تقرأ النوتات من المجرات الناضجة والمستعرات العظمى. لعقود، حاولت المجموعتان عزف نغمة واحدة متناغمة — أي تحديد سرعة تباعد الأرخبيلات المجرية.
كل ومضة راديوية سريعة تشبه صدى مدوٍ في الفراغ. وفي رنينه المتلاشي تتشفر بنية الفضاء بأكملها: عبر مليارات السنين الضوئية، يتأخر النبض الراديوي قليلاً بسبب كل إلكترون حر يقابله. هذا التأخير — مقياس التشتت — يزداد مع طول المسار، لكننا لم نكن نعرف سابقًا كم عدد الإلكترونات المختبئة داخل أبعد مجرة.
تخيل كشافاً: إذا نظرت إليه من الجانب، يضيء بضوء أحمر خافت، أما إذا نظرت إليه مباشرة في وجهك، فإنه يبهرك بضوء أبيض مزرق. ووفقاً لبيانات جديدة، هكذا تبدو "النقاط الحمراء الصغيرة" الغامضة في الكون المبكر. إنها ثقوب سوداء عملاقة — أجسام ذات جاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها — موجهة نحونا بحافتها.
لعقود، أعطت طريقتان مستقلتان لقياس معدل تباعد المجرات — ثابت هابل — أرقامًا متناقضة. كان الموقف يشبه غرفة فيها ميزانا حرارة يعرضان درجتين مختلفتين. اعتمدت إحدى الطريقتين على رصد المستعرات العظمى القريبة، بينما اعتمدت الأخرى على تحليل الضوء القديم، إشعاع الخلفية الكونية المتبقي بعد الانفجار العظيم.
ضوء مجرة بعيدة يصل إلينا عابرًا الكون كله، مارًا بتجمعات هائلة من المادة المظلمة والمادة العادية. جاذبيتها تحني مسار الأشعة قليلًا — كما لو أن تيار النهر يلتف حول صخور غير مرئية. في الصور، يظهر هذا كاستطالة طفيفة في صور المجرات، وكأنها مُمددة على إطار غير مرئي. يسمي علماء الفلك هذا العدسة الجاذبية الضعيفة (انحناء الضوء بفعل الجاذبية) ويستخدمونه لوزن الكون.
أقدم ضوء في الكون يصل إلينا بعد رحلة استمرت قرابة 14 مليار سنة. وُلد عندما أصبح الكون شفافًا، ومنذ ذلك الحين، ينحرف مستوى اهتزازه بشكل بالغ الدقة. السبب هو محيط غير مرئي يخترق كل الفضاء: حقل الطاقة المظلمة الذي يجعل الكون يتمدد بشكل متسارع.
إذا تفاعل هذا الحقل مع الضوء بشكل طفيف، فإنه يعمل مثل بلورة عملاقة تفلق الشعاع. يُعرف هذا التأثير بالانكسار المزدوج الكوني.
المستعرات العظمى من النوع Ia هي الأوتار الأخيرة المبهرة في سيمفونية التطور النجمي: عندما يتجاوز قزم أبيض الحد الذي تنبأ به سوبراهمانيان تشاندراسخار، ينفجر بسطوع يعمي للحظة مجرة كاملة.
كشفت صور تلسكوب «جيمس ويب» الفضائي عن توهج شديد بشكل غير متوقع من المجرات الأولى — أنظمة نجمية هائلة تشكّلت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. تخيّل: المحمصة تُحمّر شريحة الخبز في دقيقة، بينما يحتاج الفرن إلى ساعة كاملة لخبز رغيف — والنتيجة، في جوهرها، متشابهة.
من بين الكنوز المتناثرة للكون المبكر التي التقطها جيمس ويب، توجد أجرام تشبه خرزات ياقوتية متناثرة على مخمل أسود. إنها «النقاط الحمراء الصغيرة» (LRD) — مصادر مدمجة ذات أطياف حمراء حادة، تختبئ بداخلها ثقوب سوداء فائقة الكتلة تصل إلى مئة مليون كتلة شمسية. إنها أشبه بشرانق مجرية، مغلّفة بشرانق كثيفة من الغاز والغبار.
إذا أشعلت مصباحًا في غرفة، فسوف يضيء الجدران. لكن إذا وضعت المصباح نفسه في قاعة واسعة، فلن يصل الضوء إلا بصعوبة إلى الزوايا. وبالمثل، يعمل إشعاع النجوم الفتية على الغاز في المجرة: فهو يقتلع الإلكترونات من ذرات الهيدروجين، مما يجعل الغاز يتوهج. ويطلق علماء الفلك على هذا "التأين"، ويسمون قوة هذا التأثير بمعامل التأين.
تخيل بالوناً ضخماً قابلاً للنفخ مرسوماً عليه مجرات، وعندما يُنفخ يتمدد الرسم وتتباعد النقاط المتجاورة عن بعضها البعض. سرعة هذا التمدد هي ثابت هابل. عادةً ما يلتقط الفلكيون ضوء النجوم البعيدة ويرصدون مدى احمراره بسبب تمدد الفضاء.
نقطتان على سطح بالون منفوخ — هذا كل ما تحتاجه عندما تحاول فهم كيف يتمدد. هكذا تقريبًا يعيد علماء الكون بناء تاريخ تمدد الكون. لكن بدلاً من النقاط، لديهم موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج أجسام فائقة الكثافة: النجوم النيوترونية والثقوب السوداء. تسمى هذه الأحداث "الصفارات القياسية" — تشبيهًا بالصوت الذي يحدد جهارة صوته بدقة المسافة إلى المصدر.
تخلق كتل متحركة من المجرات والمادة المظلمة غير المرئية آثارًا في الوهج المتبقي لـالانفجار العظيم، مثل قوارب تحرك بركة. هذا الأثر — تأثير العدسة المتحركة — دقيق جدًا لدرجة أنه يغير درجة حرارة الضوء ببضعة أجزاء من المليون من الدرجة: وهو مشابه لاكتشاف حرارة شمعة من عبر قارة.
الرسام يرسم لوحة بورتريه ضربة فرشاة تلو الأخرى، ثم يُعرض عليه كاميرا مع فلاش — نقرة واحدة، وينتهي الأمر. هذا تقريباً شكل الانتقال من النماذج متعددة الخطوات إلى النماذج أحادية الخطوة في توليد صور المجرات.
الشبكات العصبية التعلم العميق في التصوير الطبي المعتادة لتوليد الصور تعمل مثل رسام الألوان المائية: تضع طبقة، تمزج الألوان، تضيف تفاصيل.
نجمان يدوران حول بعضهما البعض، كراقصين في رقصة الفالس البطيئة. هذه الرقصة ليست أبدية: يقترب الشريكان تدريجياً حتى يصطدما ويندمجا في كيان واحد. في تلك اللحظة بالذات يولد المستعر الأحمر الجديد — وميض يتوهج في السماء لعدة أسابيع، ثم يخفت ببطء، مغلفاً بسحابة كثيفة من الغبار.
المستعر العادي هو عندما يسقط المادة على قزم أبيض (نجم كثيف جداً وحار بحجم الأرض).
ضوء كوكب بعيد، مُحلَّل إلى ألوان، يقفز فجأة بشكل حاد عند الحد الفاصل بين الأحمر والأشعة تحت الحمراء غير المرئية — وكأن أحدهم ضغط على مفتاح. هكذا يُظهر الحافة الحمراء للنباتات نفسها: الكلوروفيل شفاف للأشعة تحت الحمراء القريبة، والورقة، هربًا من ارتفاع الحرارة، تعكسها بعيدًا.
يسقط حجر في بئر، ويصل صوت ارتطامه إلى الأذنين متأخراً. شيء مشابه يحدث للضوء عندما يبتعد عن الأرض: تتضاءل تردداته، ويبدو الشعاع وكأنه «يتعب». هذا هو الانزياح الأحمر الثقالي — الظاهرة التي تحدث عنها أينشتاين قبل مئة عام. الكوكب الضخم يبطئ الزمن نفسه، والضوء يشعر بذلك.
الآن قيس هذا التأثير بدقة غير مسبوقة.
ساعتان تعرضان وقتين مختلفين. إحداهما على طاولتنا، والأخرى بعيدة في الماضي، في التوهج الذي خلفه الانفجار العظيم. الأولى، بالنظر إلى المجرات القريبة، تحسب معدل توسع الكون — حوالي 73 كيلومترًا في الثانية لكل ميجابارسك من المسافة. الثانية، بالتأمل في الضوء القديم، تعطي رقمًا أقل بشكل ملحوظ — حوالي 67.
إدوين هابل وجورج لومتر وضعا قبل قرن تقريبًا أسس مفهوم توسع الكون — وهي العملية التي يتمدد فيها الفضاء نفسه بين المجرات باستمرار. إحدى الطرق الكلاسيكية لاختبار هذه الفرضية هي اختبار السطوع السطحي: في الكون المتوسع، يجب أن يخفت ضوء المجرة البعيدة مثل رسم على غشاء يتمدد بشكل منتظم.
