تشتت السرعة

شعاع الضوء، عند مروره بالقرب من جسم ضخم، ينحرف عن مساره المستقيم — وهي ظاهرة تعرف باسم العدسة الثقالية (gravitational lensing). تشبيه تدفق الماء الذي ينحني حول حجر في جدول ينقل الفكرة بشكل جيد: جاذبية الجسم الضخم تحني مسار الفوتونات، تمامًا كما يغير العائق مسار الماء.

تشبه المجرة مدينة: في المركز أضواء ساطعة وبناء كثيف، وفي الأطراف أضواء متناثرة وفراغ. لكن إذا تتبعت دوران الغاز في القرص المجري، ستجد أن السرعة عند الأطراف لا تنخفض تقريبًا. وكأن أحياء غير مرئية تواصل دعم الحركة. وجد علماء الفلك طريقة لرسم هذه المدينة غير المرئية على الخريطة.

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.

ألف جسيم يدخلون في رقصة التدرج. كل جسيم يشعر بالانجذاب نحو منطقة الاحتمال العالي والتنافر من الجيران — لتجنب التكدس. هذه هي طريقة SVGD (تحريك الجسيمات لتقريب التوزيع المعقد)، طريقة أنيقة لتوليد عينات من توزيعات معقدة، مثلاً لـ الاستدلال البايزي.

في عام 1963، كشف مارتن شميدت عن طبيعة الكويزرات – تلك النوى النشطة البعيدة التي تتفوق بريقًا على مجرات بأكملها. ومنذ ذلك الحين، علمنا أن في قلبها تختبئ ثقوب سوداء هائلة الحجم، تحول المادة المتساقطة إلى ضوء ساطع. ولكن لا يختفي كل شيء في الهاوية: جزء من المادة يُقذف بعيدًا – وفي J2318، تحول هذا القذف إلى رياح عاتية.

الفضاء بين النجوم ليس صحراء كونية، بل طريق سريع فائق السرعة. تريليونات من الكويكبات والمذنبات من أنظمة أخرى تندفع عبرنا، لكن التلسكوبات الكاميرات لا تلتقط إلا القليل. تخيل طريقًا سريعًا ليليًا: المصابيح الأمامية لسيارة بعيدة تومض بشكل ساطع، لكن إذا مرت بسرعة كبيرة، لا يتمكن مصراع الكاميرا من الالتقاط.

تخيل راقصًا بثلاثة وجوه على قمة موجة ضوئية. وجه ماسك يلتقط الفوتونات الساقطة. ووجه مرآة مثالية تعكس الضوء للخلف. ووجه زجاج معتم ينثر الأشعة في كل الاتجاهات. ما دامت السرعة صغيرة، يبقى الرقص متناغمًا. لكن عند سرعات قريبة من سرعة الضوء، تختل تصميم الرقصة. يشبه الأمر راكب الأمواج الذي يطارد الموجة. في البداية، تدفعه المياه بقوة إلى الأمام.

تصوير محيط ثقب أسود يشبه تصوير نافورة: سرعة غالق عالية تُجمّد القطرات، وسرعة بطيئة تمزج كل شيء في خطوط ضبابية. الضوء الصادر عن الغاز المتوهج الذي يدور حول الثقب يسلك مسارات مختلفة للوصول إلينا. بعض الأشعة تنحني حوله في قوس، وأخرى تدور عدة لفات بسبب انحناء الزمكان. في الصورة الواحدة، تختلط أحداث وقعت بفارق ساعات أو سنوات.

عندما يمر الضوء بالقرب من جسم هائل مثل الثقب الأسود، ينحني مساره – وهي ظاهرة تنبأ بها أينشتاين. وقد أخذ بحث جديد في الحسبان أنه بالقرب من هذه الأجسام غالبًا ما تتجمع سُحب من الهادرونات – وهي جسيمات فائقة الصغر نعرفها من البروتونات والنيوترونات في نوى الذرات.

حجر صغير يسقط في بركة — وتنتشر على الماء دوائر منتظمة. لكن قاع البركة مليء بقطع زجاجية غير مرئية: كل واحدة تؤخر الموجة قليلًا، وتشتتها في مكان، وتغير خطواتها في مكان آخر. هكذا تقريبًا تمر الموجات الثقالية — ارتجاف الفضاء نفسه — عبر المجرات البعيدة وتكتلات المادة المظلمة.

في قلب عنقود المجرات الحواء تطفو فقاعة من البلازما الساخنة بحجم عدة مجرات. ترتفع مثل بالون ضخم في الغلاف الجوي، ويتبعها أثر — منطقة يتحرك فيها الغاز. وجّه العلماء إلى هذا الأثر التلسكوب الياباني للأشعة السينية XRISM لقياس كيفية تحرك الغاز بالضبط. اتضح أنه في مركز الأثر تمامًا، يتحرك الغاز بسرعة حوالي 80 كيلومترًا في الثانية بالنسبة للعنقود ككل.

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.

النجم الفتي HL Tau محاط بقرص من الغاز والغبار — مهد الكواكب المستقبلية. داخل هذا القرص، لا يبقى الغاز ساكنًا: فهو يتحرك في مدارات دائرية، لكنه في الوقت نفسه يرتجف ويختلط، مثل الماء في نهر جارف. ولأول مرة، قاس علماء الفلك قوة هذا الاختلاط مباشرة. المجرة هي نظام ضخم من النجوم والغاز والغبار، والقرص حول HL Tau ليس سوى جزء صغير منها.

تقذف الشمس أحيانًا سحبًا كاملة من الجسيمات المشحونة في الفضاء. عادةً، تصل أسرعها — تلك ذات الطاقة الأعلى — إلى المسبار أولاً، مثل العدّائين في سباق طويل. لكن في 5 سبتمبر 2022، رصد مسبار باركر، الذي يحلّق أقرب إلى الشمس من أي مسبار آخر، أمرًا غريبًا: جسيمات متوسطة الطاقة وصلت قبل السريعة والبطيئة على حد سواء. على الرسم البياني، يبدو هذا وكأنه «أنف» — نتوء في المنتصف حيث وصلت الجسيمات مبكرًا جدًا.

في السحب الباردة من الغاز والغبار، حيث ستشتعل النجوم يومًا ما، فقدت بعض الذرات إلكتروناتها وأصبحت مشحونة. الجسيمات المشحونة تستشعر المجال المغناطيسي، بينما المتعادلة لا تستشعره، لذلك تنزلق بعضها عبر بعض، مثل الماء عبر منخل. قاس علماء الفلك سرعة هذا الانزلاق: حوالي مئة متر في الثانية. ليس بالقليل — أسرع من سيارة سباق.

على المقاييس الكبيرة، يشبه الكون شبكة عنكبوت هائلة: عناقيد المجرات الساطعة مترابطة بخيوط طويلة من المجرات والغاز والمادة المظلمة. كان يُعتقد سابقًا أن المادة تتدفق عبر هذه الخيوط نحو العناقيد، كما تتدفق عبر الأنابيب. لكن دراسة جديدة تُظهر أن الخيط بين عنقودين ليس مجرد قناة، بل ساحة لشد الحبل.

عندما تخفق المياه خلف قارب، تتحول طاقة الحركة إلى حرارة عبر سلسلة من الدوامات. قياس سرعة هذه العملية مباشرة أمر صعب: يتطلب مراقبة جميع الدوامات في آن واحد. لذلك يستخدم العلماء تبسيطًا — ينظرون فقط إلى مركبة واحدة من السرعة في نقطة واحدة. تربط الصيغة الكلاسيكية مربع هذه المركبة بمعدل تبديد الطاقة الكلي. اتضح أن هذا التبسيط لا يعمل دائمًا.

المجرات في الكون ليست متناثرة عشوائياً: فالمجرات المتجاورة تتحرك في اتجاه واحد، مثل سرب من الأسماك، أما البعيدة فلكل منها حركتها المستقلة. أين يقع الحد الفاصل بين «معاً» و«منفصلة»؟ كان ذلك غير واضح حتى الآن. ابتكر علماء الفلك مقياساً جديداً — وهو المقياس الذي عنده يتوقف متوسط حركة المجرات على طول الخط الواصل بين زوج منها عن كونه متسقاً ويبدأ بالتناقض مع بعضه. سُمّي هذا المقياس بمقياس تماسك السرعات.

يُكمل النظام الشمسي دورة كاملة حول مركز درب التبانة كل 210 ملايين سنة. آخر مرة كنا فيها على هذا الجانب من المجرة كانت عندما كانت الديناصورات المبكرة تجوب الأرض. هذا الرقم، 243.72 كم/ث، أمكن تحسينه بفضل نجوم نادرة تندفع عبر المجرة مثل قذائف المدفع. النجوم عالية السرعة هي مسابر تستكشف الحقل الثقالي للمجرة.