مجرة حلزونية

النهر المرسوم على الخريطة هو دائمًا خط واحد. لكن قف على الضفة وسترى: داخل مجرى النهر تيارات أسرع، ودوامات، وفروع تارة تلتقي وتارة تفترق. الشبكة الكونية هي نفس النهر، لكن من المادة المظلمة، وحتى وقت قريب كان علماء الفلك يرسمونها بخط واحد.

مليون مدار — نفس المقطوعة الموسيقية. تسع هالات مظلمة — تسع أوركسترات بلا قائد. جميع العازفين يعزفون وفق النوتات نفسها، لكن في كل قاعة تختلف الموسيقى: تارة متناغمة، وتارة متعثرة. هكذا المجرات التابعة، عندما تسقط في هالة المضيف، تتحرك في مدارات لا تعتمد فقط على الكتلة، بل أيضًا على شكل المسرح غير المرئي.

تبدو السماء ليلًا سوداء تمامًا، لكن التلسكوبات الحديثة تميز ملايين المجرات، ومع ذلك فإن بعض الأجسام شديدة الخفوت لدرجة أنها تكاد تندمج مع التوهج الخلفي. هذا بالضبط ما رصده علماء الفلك بالصدفة أثناء مراقبة عنقود العذراء بتلسكوب يبلغ قطره مترين في مرصد تيد. حصلت المجرة على التسمية TTT J1237327+143535.

في مركز مجرتنا المجرة يقع الثقب الأسود فائق الكتلة الثقب الأسود المعروف باسم القوس A* — جسم بجاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منه. إذا كان هناك رفيق غير مرئي يدور حوله — على سبيل المثال، ثقب أسود ثانٍ — فيمكن اكتشاف رقصتهما المدارية من خلال سلوك ضوء النجوم البعيدة.

1799 كيلومترًا في الثانية — بهذه السرعة يغادر النجم S5-HVS1 المجرة إلى الأبد. قبل 4.8 مليون سنة، قُذف من مركز درب التبانة أثناء اقتراب قريب من الثقب الأسود فائق الضخامة Sgr A*. يترك مثل هذا الحدث أثرين أحفوريين: نجم هارب فائق السرعة ورفيقه الذي تم أسره في مدار بيضاوي. ربما تم العثور على الأثر الثاني.

كان الكون المبكر يشبه محيطًا يبرد بسرعة. في درجات الحرارة الهائلة، كان كل شيء موحدًا — الكواركات والإلكترونات والتفاعلات كانت تندمج في 'بخار' متماثل. لكن مع توسعه وبرودته، تكثف هذا البخار، وتعاقبت الانتقالات الطورية كما يتحول الماء إلى جليد. وكما تظهر التشققات والفقاعات في بركة متجمدة، ظهرت في الكون المبرد عيوب طوبولوجية — تمزقات مستقرة في الحقول، نشأت عن انكسار التماثل.

تبدو المجرات القزمة التي تدور حول درب التبانة وكأنها عانت من عاصفة جاذبية. أجسامها النجمية ممدودة، متناثرة بذيول مدّية، ومسخنة من الداخل. هذا غريب، لأن جميع الحسابات تشير إلى أنها ينبغي أن تكون حصونًا منيعة — مغلفة بغطاء ثقيل غير مرئي من المادة المظلمة يحميها من التأثير المدمر لمجرتنا.

عندما ننظر إلى أعماق الكون، فإننا نرى الماضي. قانون إدوين هابل يحول الانزياح الأحمر إلى آلة زمن: استغرق الضوء من مجرة UDS 12999 للوصول إلينا 7.6 مليار سنة – أكثر من نصف عمر الكون.

غالباً ما يُتصوّر الكون المبكر كروضة أطفال: معظم المجرات هنا عبارة عن بقع غير متبلورة، عاصفة وغير منتظمة، تختنق بالغاز وتفشي بتوهجات تكوين النجوم. لكن تلسكوب جيمس ويب رصد في هذه الفوضى طفلاً عبقرياً — المجرة M1149-BSG-z5، التي بعد 1.1 مليار سنة فقط من الانفجار العظيم، تتباهى بشكل حلزوني دقيق مع شريط، لا يميّز إلا الأنظمة الناضجة.

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.

على بُعد 460 سنة ضوئية منا، يدور حول النجم HD 135344B قرص كثيف من الغاز والغبار. إنه يشبه أسطوانة جرامافون عملاقة كسرها أحدهم: فالقرص تشقه فجوة، وعبرها يمتد خيط غباري كجسر رفيع. وبجوار هذا الخيط، في الضوء المبعثر، يظهر التفاف — انحناء في الذراع الحلزوني، وكأنه حُبس للحظة ثم أُطلق.

مدينة عملاقة من آلاف المجرات محاطة بسحابة غير مرئية من الغاز شديد الحرارة. هذا الغاز مثل الهواء في الغرفة: قد يكون هادئًا، وقد يضطرب بسبب التيارات الهوائية. وجّه علماء الفلك أحدث «مقياس حرارة» يعمل بالأشعة السينية نحو هذه المدينة — عنقود المجرات Abell 1795 — وقاسوا السرعة التي يتحرك بها الغاز هناك. في المركز، يتحرك بسرعة مشاة تبلغ حوالي 110 كيلومترات في الثانية، وعند الأطراف يهدأ إلى 70 كيلومترًا في الثانية.

قرص دوار هائل من الغاز والغبار يحيط بنجم شاب. في هذا "المهد" لتكوين الكواكب كثيرًا ما تُرى حلقات وفجوات — وكأن محراثًا خفيًا شق أخاديد. عادةً ما تُعزى هذه الظواهر إلى كواكب تشكلت بالفعل، والتي تنظف المسارات بجاذبيتها. لكن حول النجم V1094 العقرب رأى الفلكيون شيئًا غير عادي: أربعة أزواج من الحلقات تمتد حتى 380 وحدة فلكية.

المجرة تشبه طريقًا سريعًا كونيًا، حيث تندفع النجوم-السيارات في مدارات دائرية. سرعتها تحددها "الحمولة" غير المرئية من الكتلة الموجودة داخل المدار: كلما كانت المنطقة المركزية أضخم، زادت سرعة النجوم في الأطراف.

حول مجرتنا، مثل تاج غير مرئي، تمتد سحابة غازية رقيقة محمّاة إلى ملايين الدرجات. تُسمى هذه الهالة المجرية. من الصعب رؤية هذا التوهج مباشرة لأنه يصدر أشعة سينية ناعمة تمتصها الغلاف الجوي للأرض. لكن التلسكوبات الفضائية، مثل eROSITA، قادرة على التقاط هذا الضوء الخافت ورسم خرائط للتنفس الساخن لدرب التبانة.

غرفة مظلمة، يطفو الغبار في الهواء. يومض مصباح ساطع — فتتوهج ذرات الغبار كاشفةً عن أماكنها. طبق علماء الفلك أسلوبًا مشابهًا على مجرتنا. كان المصباح هو توهجات أشعة غاما — أقوى الانفجارات في المجرات البعيدة — بينما كانت ذرات الغبار هي سحب الغبار بين النجوم. تمر أشعة إكس المنبعثة من التوهج عبر هذه السحب، وينحرف جزء من الإشعاع جانبًا، فنرى حلقة مضيئة.

مدينة بعيدة خلف زجاج مغطى بالبخار: الأضواء الساطعة تذوب وتفقد تفاصيلها. هكذا تقريباً يرى علماء الفلك الغاز المحتوي على أيونات المغنيسيوم (المغنيسيوم) في مجرتنا — فالخطوط الطيفية الأقوى «تتجاوز الحد»، فلا يمكن معرفة كمية المادة الفعلية. في الدراسة الجديدة، استخدم العلماء «زجاجاً نظيفاً» — 482 رصداً أرشيفياً من تلسكوب هابل الفضائي موجهة نحو كوازارات بعيدة.

يجري النهر نحو الدوامة، لكن في طريقه سدٌّ به فتحة. معظم الماء يتجمع أمام السد، لكن جزءًا منه، بعد أن يرتفع، يعبر فوقه ويسقط مباشرة في القمع. هكذا هو الحال مع الغاز في المجرة: إنه يتدفق نحو المركز، لكنه يصطدم بحلقة من النجوم والغاز — إنها مثل السد. عادةً ما يتوقف كل شيء هناك، ملتفًا في دوامة كثيفة.

هالة مجرتنا هي سحابة ضخمة متناثرة من النجوم القديمة تحيط بالقرص الذي نعرفه. إنها تحفظ تاريخ نمو درب التبانة عبر ابتلاعها للمجرات القزمة المجاورة. لقراءة هذا التاريخ، قاس علماء الفلك حركة أكثر من 10 000 نجم على مسافات تصل إلى 50 كيلوبارسك من المركز — أي أبعد بمقدار مرة ونصف من حافة القرص المرئي.

أحيانًا تقدم السماء الليلية ألغازًا تخطف الأنفاس. أحدها حلقة من المجرات تمتد على ثلث الأفق. أطلق عليها علماء الفلك اسم «الحلقة العملاقة في السماء»: عنقود من المجرات امتد كخيط رفيع وانغلق ليشكل دائرة يبلغ قطرها نحو 400 ميغابارسيك. إذا وضعت 1300 مجرة درب التبانة خلف بعضها البعض، فستحصل على طول مماثل تقريبًا.

في ملعب الأطفال، للتو تم تدوير الأرجوحة الدوارة. في اللحظات الأولى، ما يزال الأطفال يتزاحمون ويتشبثون بالقضبان، والمشهد العام فوضى. لكن تمر ثانيتان، فتقوم القوة الطاردة المركزية بترتيبهم في دائرة، مانحةً الحركة شكلًا واضحًا.

في سحابة كثيفة من الغاز والغبار، حيث تولد النجوم العملاقة، رصد تلسكوب ALMA شيئًا مألوفًا. أربع نفاثات غازية رفيعة تنطلق من المنطقة نفسها، وكل واحدة تترك خلفها سلسلة من العُقَد المضيئة — مثل خط متقطع. كل عقدة هي «طلقة» منفصلة: النجم يقذف الغاز ليس في تدفق منتظم، بل على دفعات مع فترات توقف. نفاثتان تنحنيان مثل حرف S.

على أطراف مجرتنا، بعيدًا خلف القرص النجمي المألوف، رصد تلسكوب سوبارو شيئًا غير متوقع: سحابة نجمية منتشرة تمتد عبر السماء على مساحة مئة درجة مربعة. الأمر أشبه بالعثور في الفناء الخلفي على أثر لضيف مرّ من هنا — لكن الضيف كان سحابة ماجلان الكبرى، المجرة القزمة التابعة لدرب التبانة.

في مركز درب التبانة يقع الثقب الأسود الهائل "القوس A*" (Sagittarius A*). كتلته تعادل أربعة ملايين مرة كتلة الشمس، لكنه وفقًا للمقاييس الكونية يتصرف بهدوء: فهو لا يتوهج إلا نادرًا، عندما يبتلع كمية من الغاز. راقبه علماء الفلك باستخدام تلسكوب ALMA الراديوي — وهو سلسلة من الهوائيات عالية في صحراء أتاكاما التشيلية.

مركز مجرتنا يشبه مطبخًا مزدحمًا تُطهى فيه عدة أطباق في وقت واحد، ويتصاعد بخارها مختلطًا في سحابة واحدة. أشعة إكس الصادرة عن بقايا نجم منفجر، والرياح النجمية حول الثقب الأسود فائق الضخامة، والغاز الساخن بين النجوم، كلها تتراكب فوق بعضها البعض. فصل هذه الإشارات يشبه محاولة تخمين كمية الجزر والبصل في الحساء من خلال تذوقه فقط.

في السحب الباردة من الغاز بين النجوم، تمتد خيوط كثيفة طويلة. وفيها، كما في الحاضنات الممتلئة، تنضج نجوم المستقبل. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن كل شيء داخل هذه الخيوط يخضع للجاذبية: المادة تتدفق بسلاسة نحو المراكز حيث تزداد الكثافة وفي النهاية يتوهج نجم. لكن الملاحظات الجديدة تظهر صورة مختلفة.

حول النجوم الفتية تدور أقراص من الغاز والغبار — وهي المادة الخام لكواكب المستقبل. داخل هذه الأقراص، لا تطير حبيبات الغبار عشوائيًا: بل تصطف على طول خطوط غير مرئية يتدفق عبرها الغاز. مؤخرًا، لاحظ علماء الفلك أن الحبيبات في هذه الأقراص تتصرف مثل كرات الريشة في لعبة الريشة الطائرة — فهي دائمًا تدور بحيث يكون جانبها الطويل في اتجاه الريح.

تدور النجوم على أطراف المجرات بسرعة فائقة غير متوقعة. وفقاً لنيوتن، كلما ابتعدنا عن المركز، يفترض أن تتباطأ الحركة — كما في حلقة الرقص، حيث يتحرك الراقصون على الأطراف ببطء. لكن في الواقع، تندفع أطراف المجرات بسرعة تقارب سرعة النواة، مما يشبه دوامة الخيل الضخمة: حيث تجري الخيول الخارجية أسرع لتلحق بالداخلية. لكن المجرة لا تحتاج إلى محرك — فهي تدور بنفسها.

في قلب درب التبانة، خلف ستار كثيف من الغبار، يختبئ تجمع هائل من الغاز يُعرف بالمنطقة الجزيئية المركزية. لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة: فالغبار يمتص الضوء المرئي، تمامًا كما يخفي الضباب الكثيف أضواء المدينة. لكن موجات الراديو والأشعة تحت الحمراء تخترق هذا الستار، مما يسمح لعلماء الفلك بتمييز السحب الفردية.

يصف النموذج الكوني القياسي نشأة الكون كانفجار من نقطة تفرد — نقطة ذات كثافة لانهائية وانحناء لانهائي في الزمكان. غير أن هناك سيناريو بديلاً: في البداية انكمش الكون إلى حجم صغير للغاية، ثم حدث «ارتداد» — انتقال من الانكماش إلى التمدد، على غرار نابض مضغوط إلى حده الأقصى فيعود إلى التمدد.

في السماء الجنوبية يلمع نجم أكروكس (Acrux) بسطوع — وهو أدنى نقطة في كوكبة الصليب الجنوبي. هذا ليس نجمًا واحدًا، بل عائلة كاملة. أظهرت ملاحظات جديدة أنه لا يوجد فيه خمسة، بل سبعة نجوم مرتبطة بالجاذبية، مثل أطفال يمسكون بأيدي بعضهم في رقصة دائرية. في السابق، عرف علماء الفلك أن في مركز النظام يوجد نجمان لامعان — ألفا-1 وألفا-2، وحولهما تدور ثلاثة نجوم أخرى أخفت.

لسنوات طويلة، ساد اعتقاد في الفيزياء الفلكية بأن النفاثات العملاقة من الانبعاثات الراديوية — التي تنطلق من المناطق المركزية — هي حكر على المجرات الإهليلجية المجرة فقط. كان يُعتقد أن بيئتها الهادئة، الخالية من البنية الداخلية الواضحة، هي الوحيدة القادرة على تشكيل مثل هذه النوافير الهائلة من الطاقة، التي تغذيها الثقوب السوداء فائقة الكتلة.

شعاع الليزر عادة يتحرك في خط مستقيم، مثل تيار الماء من خرطوم. لكن ماذا لو قمنا بلف هذا التيار كخيط برغي؟ سنحصل على زنبرك ضوئي — شعاع يدور حول محوره أثناء حركته. في كل نقطة في الفضاء، يصف سطوعه حلزونا، وإذا وضعنا شاشة مسطحة في مسار هذا الشعاع، ستظهر عليها بقعة ضوء دوارة. قاس الفيزيائيون السرعة التي تتحرك بها هذه البقعة في دائرة.

على أطراف درب التبانة تختبئ أنظمة نجمية صغيرة جدًا، خافتة لدرجة يصعب رؤيتها حتى بالتلسكوبات القوية. حتى وقت قريب، لم يكن علماء الفلك يعرفون شيئًا تقريبًا عن هذه الأجسام التي تسمى الأقمار الصناعية المتراصة فائقة الخفوت.

المجرة القزمة الرامي — التابعة لمجرتنا درب التبانة — اصطدمت بقرص درب التبانة مرارًا وتكرارًا، مثل حجر يُلقى في بركة هادئة. كل اصطدام من هذا القبيل ولّد اضطرابات جاذبية: موجات كثافة وانحناءات في الحقل النجمي، والتي يرصدها الفلكيون اليوم.

خريطة مدينة، حيث الشوارع هي سرعات السيارات، والمباني هي محتوى المعادن في النجوم. على مثل هذه الخريطة يمكنك أن تفهم أين المركز وأين الأطراف، حتى دون معرفة المسافات الدقيقة. هذا هو النهج الذي طبقه علماء الفلك على مجرتنا، مستخدمين مخططات «خط الطول – السرعة» (ℓ–v).

في قلب درب التبانة، بين حشد كثيف من النجوم، يختبئ العنقود النجمي الكروي تونانتزينتلا 2. لم يلحظه أحد لعقود، رغم أنه يحمل مفتاح التاريخ الأقدم لمجرتنا. والآن، تمكن علماء الفلك من دراسته باستخدام تلسكوب هابل الفضائي ومطياف APOGEE الأرضي، واكتشفوا أنه أحد أقدم العائلات النجمية في الكون. تبين أن العنقود معاصر لأول النجوم: عمره 13.58 مليار سنة.

الضوء الصادر عن النجوم الشابة الأكثر حرارة لا يمكنه عادةً مغادرة مجرته: يمتصه الهيدروجين، كما تحجب الستارة الكثيفة شعاع الشمس. لكن أحيانًا تنفتح الستارة قليلًا، وتندفع فوتونات الأشعة فوق البنفسجية إلى الفضاء بين المجرات.

في سحابة الغاز الكثيفة W44، حيث تولد النجوم، رصد تلسكوب ALMA ثماني كتل صغيرة تندفع بسرعات هائلة. تظهر كل منها في خرائط "الموضع-السرعة" على شكل حرف V اللاتيني، تمامًا مثل "الرصاصة" المعروفة التي اكتُشفت سابقًا. هذا التشابه يوحي بأصل مشترك.

في مركز سحابة من الغبار الكوني، اكتشف الفلكيون نجماً غير مرئي. يغلفه قرص غازي دوار. هذا القرص يعمل كميزان: سرعة الغاز على مسافات مختلفة من المركز تكشف كتلة النجم. القانون بسيط: كلما اقتربنا من المركز، كانت الحركة أسرع. اكتشفه كيبلر وهو يراقب الكواكب.