علم الكونيات بالمستعرات العظمى

أشعة غاما هي أكثر أشكال الضوء طاقة في الكون، وهي إشعاع كهرومغناطيسي بأطوال موجية قصيرة للغاية. لكن جزءًا منها، متوسط القوة، ظل غير مرئي لفترة طويلة: لم تستطع الأجهزة التقاطه، فبقيت فجوة في السماء. يسميها العلماء "فجوة الميغا إلكترون فولت"، نسبة إلى وحدة الطاقة التي تحملها هذه الأشعة، وهي الميغا إلكترون فولت.

يرسل الكون إلينا إشارات باستمرار، لكن كثيرًا منها أضعف من أن تُلاحَظ. النيوترينوات الأثرية النيوترينوات — الجسيمات التي خلفها الانفجار العظيم — تخترق الأرض بالمليارات كل ثانية، لكن التقاط واحدٍ منها فقط مهمةٌ على حافة المستحيل. نحتاج إلى كاشفٍ يستشعر طاقةً أصغر بألف مرة من الطاقة اللازمة لتحريك ذرّة غبار. يعمل الجهاز الجديد SuperEM كأذنٍ مرهفة تلتقط الهمس.

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.

قياس المسافات في الكون ليس بالمهمة السهلة. فجميع الطرق تقريبًا تعتمد على الضوء، وهو قد يتعرض للامتصاص أو التشتت أو التشويه أثناء رحلته إلينا. الأمر أشبه بمحاولة رؤية منارة بعيدة عبر الضباب والدخان. أما النيوترينوات فقصة مختلفة تمامًا. هذه الجسيمات الشبحية، التي لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، تخترق أي شيء دون أن تعترضها العوائق.

الكون محيط شاسع ومظلم. نحن لا نرى سوى الزبد المضيء على سطحه — النجوم والمجرات. وفي الأعماق تكمن قوتان خفيتان: المادة المظلمة، التي تمنع المجرات من التفرق بفعل جاذبيتها، والطاقة المظلمة، التي على العكس تدفع الفضاء نفسه، مما يجعل الكون يتوسع بشكل متسارع.

في عام 1998، فاجأت النيوترينوات الفيزيائيين: الجسيم يغير نوعه أثناء الطيران. هذا ممكن فقط إذا كانت له كتلة. أصبح هذا الدليل المخبري الوحيد على فيزياء خارج النموذج القياسي. لكن كم تزن النيوترينوات بالضبط لا يزال لغزًا. التجارب المباشرة، مثل منشأة KATRIN العملاقة في ألمانيا، تقول: كتلة نيوترينو الإلكترون أقل من 0.45 إلكترون فولت.

نجم ضخم يستنفد وقوده — وينهار قلبه في أجزاء من الثانية. يولد مستعر أعظم، ومعه وابل قصير لكن قوي من النيوترينوات. هذه الجسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، لذا تنطلق بحرية حاملة معلومات عن الكارثة. لكن في رحلتها التي تمتد لآلاف السنين الضوئية، قد تتغير تحولاتها من نوع إلى آخر تحت تأثير مجال بعيد المدى جديد.

وجد علماء الكونيات أنفسهم في مأزق مثير. الطريقتان الرئيسيتان للنظر إلى ماضي الكون — عبر الإشعاع المبكر (إشعاع الخلفية الكونية الميكروي) وعبر الأجسام الأحدث مثل المستعرات العظمى — تعطيان أرقامًا مختلفة لمعدل التوسع (ثابت هابل) ولمدى تكتل المادة.

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.

في علم الكونيات، تحتدم دراما: آلتان موسيقيتان رئيسيتان — أوركسترا الكون المبكر والفرقة الحجرية للكون الحديث — تعزفان سيمفونية التوسع نفسها بإيقاعين مختلفين.

علم الكونيات يشبه أوركسترا بدأت مجموعاتها المختلفة فجأة تعزف بشكل غير منسجم. قياسات معدل توسع الكون (ثابت هابل) في الكون المبكر والمتأخر تعطي أرقامًا مختلفة. كما تشير ملاحظات أخرى إلى كتلة "سالبة" للنيوترينوات النجوم النيوترونية — وهو أمر مستحيل فيزيائيًا.

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.

الكون يشبه غابة كثيفة: من القرب ترى أشجارًا-مجرات منفردة متجمعة في بساتين، ولكن من بعيد يندمج كل شيء في خضرة متصلة. الحد الذي يصبح بعده الكون متجانسًا يُسمى المقياس الزاوي للتجانس - وهو مقدار رقعة السماء التي ابتداءً منها تتوزع المجرات بانتظام.

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.

علم الكونيات هو موسيقى الأفلاك، وثابت هابل بدا لنا فيما مضى كبندول إيقاع موثوق. لكن بيانات أداة DESI، التي تدرس أطياف ملايين المجرات، تلمح إلى أن قائد الأوركسترا — الطاقة المظلمة — يغير هو نفسه الإيقاع خلال السيمفونية.

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.

زنبرك مضغوط يظل ساكنًا لسنوات. يبدو أنه تجمد إلى الأبد، لكن داخل المعدن تترتب الذرات ببطء — وفي يوم من الأيام ينقر الزنبرك، منتقلًا إلى وضع جديد أكثر حرية. يبدو أن الفيزيائيين يفكرون في الفراغ بطريقة مماثلة: قد لا يكون فارغًا حقًا وثابتًا، بل مجرد حالة متجمدة مؤقتًا يمكن أن تتحول فجأة إلى حالة أخرى — بكثافة طاقة مختلفة. بنى مؤلفو الدراسة الجديدة عدة نماذج لمثل هذا الانتقال المتأخر.

يُملأ بالون بالهواء. في البداية يتمدد بسرعة، ثم يتباطأ، ثم فجأة يتسارع مرة أخرى، وكأن أحدهم يضخ المزيد من الهواء. هذا ما يبدو أنه يحدث في كوننا. نظر علماء الفلك من تعاون Dark Energy Survey (DES) إلى ماضي الكون باستخدام «مسطرتين»: الموجات الصوتية للكون المبكر وانفجارات المستعرات العظمى.

النيوترينو هي أكثر الجسيمات كتلةً انتشارًا في الكون. تمر عبرنا تريليونات منها كل ثانية، لكنها لا تترك أثرًا تقريبًا. جاذبيتها الكلية، وإن كانت ضئيلة، قادرة على التأثير في حركة مجرات بأكملها. شخصان يتقاربان في شارع مزدحم؛ المارة غير المرئيين يغيرون سرعتهما. هكذا الحال مع أزواج المجرات: تلعب النيوترينو دور العابرة الخفية، فتُشوّه حركتها قليلًا.

أجهزة الكشف التقليدية عن المادة المظلمة تشبه حارس مرمى كرة القدم الذي ينتظر تسديدة قوية بينما الكرة تتدحرج ببطء. فالجسيمات غير المرئية التي تملأ مجرتنا غالبًا ما تتحرك ببطء شديد بحيث لا تلتقطها أجهزة الاستشعار الحساسة.

يحتفظ الكون بسجل لكل نجم يولد. على مدى 13.8 مليار سنة، أُضيء في المجرات عدد من النجوم يجعل من الممكن، عبر "تعدادها"، الحكم على طبيعة الكون نفسه، كما تُقرأ حلقات جذع الشجرة للتعرف على مناخ السنوات الماضية. جمع علماء الفلك بيانات عن معدل تشكل النجوم من يومنا هذا حتى العصر الذي كان فيه عمر الكون أقل من نصف مليار سنة (انزياح أحمر 15).

إذا أخذت كرتين ثقيلتين وباعدت بينهما مسافة متر واحد، فسوف تتجاذبان بقوة تضعف أربع مرات عند مضاعفة المسافة. هذا القانون اكتشفه نيوتن، وهو يعمل في الغرفة، وفي النظام الشمسي، وفي المجرة. لكن هل يظل صحيحًا عندما يتعلق الأمر بمئات الملايين من السنوات الضوئية؟ وجد علماء الفلك طريقة لاختبار ذلك مباشرة.

قام علماء الكونيات بقياس السرعة التي تتباعد بها المجرات البعيدة في مناطق مختلفة من السماء. وللقيام بذلك، استخدموا نوعين من "المساطر الكونية": تجمعات المجرات وانفجارات المستعرات الأعظمية من نوع معين. أظهرت الطريقتان النتيجة نفسها: في اتجاه واحد، يتمدد الكون أسرع قليلاً منه في الاتجاه المعاكس. الفرق صغير — حوالي 2 سيغما، أي أنه قد يكون عشوائياً، لكنه يتكرر في جميع الفحوصات.

الفقاعات العملاقة هي هياكل كونية هائلة تشبه فقاعات الصابون، لكن بدلاً من غشاء الصابون، يتكون غلافها من غاز بين نجمي مخلخل، ولا تنفخها زفرة، بل انفجارات متتالية من المستعرات العظمى. في المحاكاة الحاسوبية، تتصرف هذه الأجسام تقريبًا ككائنات حية: فهي تتمدد، تبرد، وتتحرك. ومع ذلك، لفترة طويلة، لم يتمكن العلماء من تتبع حدودها بدقة — فالطبيعة الديناميكية المضطربة جعلت ملامحها ضبابية.

عندما ينفجر نجم ضخم، تتطاير بقاياه في كل اتجاه مثل شظايا الألعاب النارية. ولكن كيف يمكننا معرفة مدى بُعد هذا الانفجار عنا؟ وجد علماء الفلك طريقة: ينظرون إلى سحب الغاز التي تصطدم بها هذه البقايا. الفكرة بسيطة. حول بقايا المستعرات العظمى غالباً ما توجد سحب من الغاز الجزيئي البارد. تتحرك هذه السحب بسرعة معينة يمكن قياسها من خلال إشعاع غاز أول أكسيد الكربون (CO).

تعتبر الطاقة المظلمة خاصية فطرية للكون، تعمل منذ اللحظات الأولى. لكن نموذجاً جديداً يفترض أنها تصرفت كالماء على أعتاب الغليان: بقيت غير ملحوظة لزمن طويل، ثم فجأة بدأت تعمل في لحظة حرجة. يُطلق على هذا السيناريو 'التنشيط المتأخر': فقبل حوالي 5-7 مليار سنة حدث انعطاف، وتسارع تمدد الكون. ساعدت ثلاث علامات إرشادية في اختبار الفكرة.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة تقصف الأرض باستمرار من أعماق الفضاء. عندما يدخل أحد هذه الجسيمات الغلاف الجوي، يصطدم بأنوية الهواء وينتج شلالًا كاملًا من الجسيمات الثانوية: إلكترونات، وميونات، وفوتونات. يُسمى هذا الشلال بالغيث الجوي الواسع، وقد يمتد لعدة كيلومترات.

مجرة بعيدة تولد فيها مئات النجوم يجب أن تتوهج بالأكسجين. هكذا اعتقد علماء الفلك: النجوم الشابة الساخنة تسخّن الغاز، فيصدر توهجًا مميزًا في الأشعة تحت الحمراء بطول موجة 63 ميكرون. هذا مثل البخار فوق قدر يغلي — علامة أكيدة على عملية عنيفة. لكن عندما وجّه تلسكوب ALMA هوائياته نحو اثنتي عشرة مجرة تبعد عنا 12–13 مليار سنة ضوئية، كانت الصورة معكوسة.

يستغرق الضوء القادم من نجم بعيد مليارات السنين ليصل إلينا، وخلال هذه الفترة يتمدد الكون. كيف يمكن التحقق من أننا نفهم هذا المسار بشكل صحيح؟ يستخدم علماء الفلك "مسطرتين": انفجارات المستعرات العظمى، التي تُرى بلمعان معروف، والومضات الراديوية السريعة — نبضات راديوية قصيرة وقوية من مجرات أخرى. إذا أظهرت المسطرتان نفس المسافة، فهذا يعني أن هندسة الكون تعمل بدقة.

ضوء مصباح الشارع، عند مروره عبر ستائر معتمة، يتراقص: تتحرك الخطوط، ويشتد السطوع تارة ويخفت تارة أخرى. من هذا الإيقاع يمكن تخمين مدى اتساع المصباح نفسه. تقريبًا هكذا تعمل الطريقة الجديدة لقياس النجوم: بدلًا من التقاط صورة واضحة، يراقب الفلكيون "تموج" الضوء الذي تجمعه تلسكوبان أو أكثر في آن واحد.

عندما ينفجر نجم بعيد، يصل ضوءه إلينا بعد رحلة تستغرق مليارات السنين. يقيس علماء الفلك مدى خفوت مظهره، ومن ذلك يحسبون المسافة. عادةً ما تُستخدم في هذا الغرض نماذج معقدة تتضمن الطاقة المظلمة وألغازًا أخرى. لكن الآن تم العثور على نمط بسيط: إذا أخذنا سطوع المستعر الأعظم وطرحنا منه لوغاريتم المسافة مضروبًا في خمسة، نحصل على خط مستقيم.

في السحب الباردة من الغاز بين النجمي، يختبئ الكربون داخل جزيئات أول أكسيد الكربون (CO)، مثل السكر المذاب في الشاي. لكن بالقرب من النجوم الضخمة الحارة، يغلي هذا «الشاي»: فالإشعاع القاسي يمزق الجزيئات، ويخرج الكربون إلى الخارج كذرات أو أيونات منفردة. رؤية الحالات الثلاث معًا من الأرض كانت مستحيلة بسبب الغلاف الجوي الذي يمتص الموجات المطلوبة.

الكون أشبه بكعكة تُحضَّر بوصفة واحدة، لكن ملعقة الشاي والميزان يُظهران كمية مختلفة من السكر بإصرار. وهكذا الحال مع تمدد الكون: القياسات المعتمدة على النجوم القريبة (الملعقة) تعطي رقمًا، بينما القياسات من الضوء القديم لـ الانفجار العظيم (الميزان) تعطي رقمًا مختلفًا تمامًا. لاحظ هذا اللغز العالم إدوين هابل، وما زال قائمًا.

طريقتان لقياس سرعة تمدد الكون تعطيان صورة متناقضة. القياسات المعتمدة على توهج المستعرات العظمى، التي أجراها فريق آدم ريس، تشير إلى تمدد أسرع مما تدل عليه بيانات إشعاع الخلفية الكونية — الضوء المتبقي من الانفجار العظيم. والفارق كبير لدرجة لا يمكن تفسيره بالصدفة – إنها أزمة حقيقية في علم الكونيات.

المستعرات العظمى من النوع Ia هي بمثابة "شموع قياسية" في علم الكون: لمعانها الأقصى متطابق تقريبًا، مما يسمح بتحديد المسافة بناءً على السطوع الظاهري: كلما كان الجسم خافتًا، كان أبعد. هذه المستعرات العظمى تُستخدم كعلامات لقياس المسافات إلى المجرات البعيدة.

يستخدم علماء الفلك المستعرات العظمى من النوع Ia — وهي انفجارات نووية حرارية للأقزام البيضاء — بوصفها «شموعًا قياسية»: فقد اعتُبر لمعانها الأقصى ثابتًا في جميع أنحاء الكون لفترة طويلة.