مادة مظلمة ذاتية التفاعل

بلورة النيكل المشععة بالأيونات تشبه قاعة حفل تركت فيها كراسٍ زائدة بعد انتهاء العرض. هذه الكراسي هي ذرات حُشرت بين مواقع الشبكة. في البداية تتجمع معًا في كتل، ثم تصطف في حلقات: بعض الحلقات تبقى ثابتة على الأرض، بينما تتدحرج أخرى عبر القاعة كالأطواق. السؤال عن سبب تدحرج بعضها دون غيرها ظل يؤرق علماء المواد لفترة طويلة.

ضوء المجرة البعيدة يخترق غبارها الخاص ليصل إلينا. هذا الغبار ليس ضبابًا متجانسًا، بل سحب ممزقة تشبه قطع القطن. النماذج القديمة اعتبرته ضبابًا موحدًا، وعندها لم تكن المجرة متوازنة الطاقة: الكثير من الضوء كان يختفي في الأشعة فوق البنفسجية، والقليل جدًا يعود في الأشعة تحت الحمراء.

رصد التلسكوب الراديوي FAST بطبق قطره خمسمائة متر إشارة عند طول موجة 21 سنتيمترًا — وهو خط طيفي لانبعاث الهيدروجين الذري البارد والمتعادل. صدرت الإشارة من سحابة أُطلق عليها اسم Cloud-9. تقع هذه السحابة بالقرب من المجرة M94، لكنها لا تحتوي على أي نجم.

في الفضاء السحيق، يوجد جسم افتراضي — ثقب أسود فائق البرودة. يحمل شحنة كهربائية ويقع في كون يتمدد — فضاء دي سيتر، حيث يهيمن الثابت الكوني. درجة حرارته قريبة من الصفر المطلق — أعلى منه بحوالي واحد على تريليون درجة.

ضوء الكوازارات البعيدة، بعد اختراقه مليارات السنين، يترك على الشريط الكوني نقشاً من خطوط الامتصاص الداكنة — الطيفية غابة لايمان-ألفا. كل خط يشبه حرفاً في نص عظيم، خطه الهيدروجين في الوسط بين المجري.

خزان ضخم تحت الأرض مليء بالزينون السائل ينتظر حدثًا نادرًا — دفعة من جسيم مادة مظلمة. عادةً ما تكون الجاذبية أضعف من أن تُلاحظ مثل هذه الدفعة. لكن إذا كان للفضاء أبعاد خفية، يتغير كل شيء: على مسافات متناهية الصغر، تشتد الجاذبية فجأة، ويزداد احتمال رصد الجسيم المراوغ.

سحابة عملاقة من المادة غير المرئية تعمل كمرآة مشوهة — تحرف ضوء مجرة بعيدة. من خلال هذه التشوهات، يمكن لعلماء الفلك وزن السحابة والنظر إلى أعماقها. وبهذه الطريقة، وباستخدام عدسة ثقالية طبيعية برمز JVAS B1938+666، صادف العلماء أمرًا غريبًا: داخل العدسة يختبئ جسم كتلته مليون شمس، لكنه مضغوط إلى حجم صغير بشكل غير متوقع. وكأنه كرة رصاص صغيرة داخل كتلة قطن ناعمة.

الكون ينمو مثل مدينة كبرى: ناطحات السحاب من المجرات تُبنى على هيكل غير مرئي من المادة المظلمة - جاذبيتها تجذب مواد البناء. بينما الطاقة المظلمة تجعل المدينة نفسها تتوسع باستمرار. كان يُفترض سابقًا أن الهيكل يزداد كثافة بمعدل ثابت، رغم توسع الفضاء. لكن القياسات الحديثة تُظهر: في العصور الأخيرة، انخفضت وتيرة البناء.

النجم النيوتروني هو بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم، حيث تزن ملعقة صغيرة من مادته مليار طن. والعديد منها، كما اكتشفت جوسلين بيل بورنيل في عام 1967، يصبح نباضاً — منارات كونية تومض بانتظام في النطاق الراديوي.

أجرى علماء الكونيات مواجهة بين نوعين من الانفجارات الكونية. المستعرات العظمى من النوع Ia هي نجوم تتوهج بسطوع شبه متطابق، لذا فهي بمثابة منارات موثوقة لقياس المسافات في الكون. أما أشعة غاما فهي أقوى بكثير ولكنها أكثر تقلبًا: فهي تُرى من مسافات شاسعة، لكن قوة التوهج تختلف في كل مرة.

المادة المظلمة هي الهيكل الخفي للكون. إنها لا تشع ضوءًا، لكن جاذبيتها تمسك بالنجوم داخل المجرات. في بعض النماذج، يمكن لجسيمات هذه المادة أن تتصادم وتتبادل الطاقة، مثل جزيئات الهواء الساخن.

تخيل سيارة تعمل بنظام تثبيت السرعة: عند الاصطدام بمطبب، تقفز السرعة لحظيًا، لكن المحرك يستمر في العمل بشكل منتظم. شيئًا مشابهًا اكتُشف مؤخرًا في الطاقة المظلمة - المادة الغامضة التي تجعل الكون يتوسع بتسارع. يُوصف سلوكها بالمعامل w: إذا انخفض w تحت -1، يصبح التوسع غير مستقر ويؤدي في النهاية إلى "التمزق الكبير" - سيناريو افتراضي يتمزق فيه نسيج الزمكان.

المهندس المعماري يراجع المخطط عندما يبني منزلًا. لدى علماء الكونيات مخطط هو النموذج القياسي، وشريط القياس هو ضوء المجرات البعيدة. مؤخرًا، قام «شريط قياس» جديد، وهو جهاز التحليل الطيفي DESI، بقياس المسافات إلى ملايين المجرات بدقة غير مسبوقة. والأرقام لم تتطابق مع المخطط. كما لو أن الجدران أطول بسنتيمتر مما هو محدد — إنها تفاصيل صغيرة، لكن المشروع بأكمله يصبح موضع شك.

الكون مدينة شاسعة. المادة المظلمة فيها هي الهيكل الخفي للمباني، بينما الطاقة المظلمة هي القوة التي توسع الشوارع. لطالما اعتبرتاهما مستقلين عن بعضهما، لكن دراسة جديدة كشفت عن تواصلهما السري. استخدم علماء الفلك عدسات الجاذبية - تجمعات ضخمة من المجرات التي تحني الضوء كالمرايا المقعرة على مفترقات الطرق.

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.

بالون ينتفخ من تلقاء نفسه، رغم أن أحدًا لا ينفخ فيه. هكذا تقريبًا يبدو التوسع المتسارع للكون — ولتفسيره، عادةً ما يُستدعى مفهوم الطاقة المظلمة، وهي قوة غير مرئية وغير مفهومة.

القمة الدوّارة على الطاولة تتمايل: محور الدوران مائل، وتصبح الحركة غير منتظمة. تتصرف الثقوب السوداء التي يدور حولها قرص من الغاز والغبار بطريقة مشابهة. إذا لم يتطابق محورا دوران الثقب الأسود والقرص، يبدأ النظام بأكمله في الاهتزاز، مولّدًا تموجات في نسيج الزمكان — الموجات الثقالية.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده، ينهار قلبه، ويندفع جدار صدمة إلى الخارج. ولكن قبل أن يتمزق النجم، قد تولد في أعماقه جسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع المادة العادية. إذا اضمحلت هذه الجسيمات إلى ضوء، فإن الطاقة تتسرب إلى الغاز الكثيف حول النجم. هذا الغاز، مثل بطانية، يلف النجم. الطاقة المحقونة تسخنه، فيبدأ الغاز بالتوهج مثل مصباح ساخن. يمكن رصد هذا الضوء قبل الوميض الرئيسي.

المادة المظلمة غير مرئية، لكن جاذبيتها تمنع المجرات من التمزق. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن جسيمات المادة المظلمة تمر عبر بعضها البعض دون أن تلاحظ بعضها. ومع ذلك، في المجرات الصغيرة، تبين أن كثافة المادة المظلمة في المركز أقل مما تتنبأ به الحسابات. وكأن الجسيمات غير المرئية تصطدم أحيانًا وتدفع بعضها بعيدًا، مثل كرات البلياردو.

حدّق تلسكوب جيمس ويب في عنقود المجرات AS1063 ورصد عشرات الآلاف من التجمعات الكروية — وهي "كتل" نجمية كثيفة منتشرة في جميع أنحاء العنقود. تزامن موقعها مع خريطة الكتلة غير المرئية التي تُبنى من انحناء ضوء المجرات البعيدة. وهذه الكتلة غير المرئية هي المادة المظلمة — المادة التي لا تُصدر ضوءًا، لكنها تُمسك المجرات بجاذبيتها.

الكون يتمدد بسرعة متزايدة. في الماضي، عُزي ذلك إلى الطاقة المظلمة — قوة غامضة تعمل منفردة. لكن القياسات الأخيرة وكأنها تنصتت إلى حديث آخر: يبدو أن الطاقة المظلمة ليست صامتة، بل تتهامس مع المادة المظلمة.

الكون يتوسع، وسرعة هذا التوسع هي موضوع نقاش حاد في علم الكون. قبل ما يقرب من مئة عام، اكتشف إدوين هابل أن المجرات تتباعد عن بعضها، لكن القياسات الحديثة لثابت هابل، الذي يحدد معدل التوسع، تعطي قيمًا متناقضة.

المادة المظلمة هي مادة غير مرئية تربط المجرات ببعضها لكنها لا تصدر ضوءًا. التقاط جسيماتها يشبه سماع همس في قاعة صاخبة. الكاشفات العادية لا تسمع إلا الضربات العالية، بينما تغرق الإشارات الضعيفة في الضوضاء. في الأرجون السائل، عندما يصطدم جسيم المادة المظلمة بنواة ذرة، يُحدث شرارة ضوئية وسحابة من الشحنات. لكن عند الارتطام الضعيف، تكون الشرارة خافتة بالكاد.

في العرض الكوني العظيم، الطاقة المظلمة — القوة الغامضة المسؤولة عن التوسع المتسارع للكون — والمادة المظلمة — المادة غير المرئية التي لا تظهر إلا عبر الجاذبية — تتبادلان الطاقة.

جسيمات المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولا تمتصه — قد تظهر خصائص تشبه العسل الأسود. في أحد النماذج النظرية، تتحرك هذه الجسيمات بحرية دون أن تتفاعل مع بعضها؛ وفي نموذج آخر، تتعرض لتصادمات ضعيفة تولّد نوعًا من اللزوجة.

لقد اكتشفت فيرا روبين أن النجوم في أطراف المجرّات تتحرك بسرعة فائقة، وكأنها ممسوكة بشبكة غير مرئية. وكان فريتز زفيكي أول من اشتبه في وجود كتلة هائلة غير مرئية في عناقيد المجرات. اليوم نُطلق على هذا اسم المادة المظلمة ونحاول فهم مكوّناتها.

تلسكوبان ينظران إلى الكون نفسه ويريان سرعتين مختلفتين. القياسات المحلية من المستعرات العظمى تعطي 73.04 ± 1.04 كم/ث/م.فخ، بينما بيانات إشعاع الخلفية الكونية في النموذج القياسي تتنبأ بـ 67.36 ± 0.54. الفارق البالغ 5.7σ لا يبدو صدفة — إنه توتر هابل، صدع في أساس علم الكونيات.