فيرا روبين

الثقب الأسود — منطقة في الزمكان بجاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها — يشبه قمة دوّامة كانت لتدور إلى الأبد في الفراغ. لكن إذا تشكلت حوله سحابة من البوزونات فائقة الخفة — وهي جسيمات افتراضية ذات سبين صحيح — يتغير المشهد. تعمل هذه "الضبابة" ككابح غير مرئي: إذ تسحب الجسيمات طاقة الدوران من الثقب، مما يجعله يتباطأ.

تخيل دوامة (carousel): كلما جلست أبعد عن المركز، زادت سرعة دورانك. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن المجرات مختلفة — فالنجوم في الأطراف يجب أن تدور أبطأ من تلك القريبة من النواة. ومع ذلك، في سبعينيات القرن العشرين، اكتشف علماء الفلك، بقياس الإزاحة الدوبلرية لخطوط الطيف، أن سرعات النجوم في العديد من المجرات الحلزونية لا تنخفض تقريبًا مع البعد عن المركز.

السماء الليلية تشبه المحيط: كلما طال النظر فيها، رصدت المزيد من الأضواء الخافتة في الأعماق. وهكذا، بالنظر إلى أطراف درب التبانة، عثر علماء الفلك على أكواريوس الرابع — نظام نجمي صغير كان مختبئًا في الظلام حتى الآن. تم رصد النظام في صور التُقطت خلال مسح مبكر لمرصد فيرا روبين المستقبلي . وهو أول جسم من هذا القبيل يُكتشف باستخدام بياناته.

يشبه الكون هيكلًا خفيًا ضخمًا. لا نراه مباشرة، لكننا نعلم بوجوده: فالمجرات وعناقيدها تتماسك بفضله. هذا الهيكل هو المادة المظلمة، وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية. النسخة الأكثر شيوعًا تقول إنها «باردة» وتتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة.

ثلاثة أوتار غير مرئية تهتز في الفراغ بين المجرات. ليست هذه شعرًا، بل فرضية حول طبيعة المادة المظلمة — حقل كمومي فائق الخفة بسبين 1، يحمل ثلاث استقطابات. وعلى عكس النماذج القياسية مثل الأكسيون، تشبه المادة المظلمة المتجهية خيطًا ثلاثيًا مجدولًا من اهتزازات الفوتونات المظلمة (كما تُسمى هذه الجسيمات أحيانًا).

ليلة في لا بالما. تلسكوب ويليام هيرشل الذي يبلغ قطره 4,2 مترًا موجه نحو الزهرة. في بؤرته، مقياس الاستقطاب (polarimeter) التجريبي ExPo، المصمم لالتقاط الضوء الشبح للكواكب الخارجية كوكب خارجي (exoplanet).

في مراكز العديد من المجرات تختبئ الثقوب السوداء — مناطق ذات جاذبية شديدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع مغادرتها. وغالبًا ما تدور حولها نجوم، وأحيانًا يكون أحدها نجمًا نابضًا، وهو منارة كونية ترسل نبضات راديوية دورية بدقة متناهية. عندما يمر مثل هذا النجم النابض في حركته خلف الثقب الأسود، تصل إشاراته إلينا متأخرة.

الثقب الأسود ليس مجرد بقعة مظلمة في السماء. فظله يقع على الخلفية المضيئة للمادة المتساقطة، ويحمل بصمة هندسة المكان نفسه. إذا كانت الجاذبية مختلفة ولو قليلًا عمّا اعتدنا أن نعتقده، فإن الظل سيكشف ذلك. في عمل جديد، تتبّع الفيزيائيون مسارات أشعة الضوء في محيط ثقب أسود دوّار في ما يُعرف بجاذبية راستال.

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.

المادة المظلمة — مادة غير مرئية لا تكشف عن نفسها إلا من خلال تأثيرها الجاذبي: فهي تحني ضوء المجرات البعيدة، مثل نافذة خفية تغيّر مسار الأشعة. أول من أظهر وجودها بشكل مقنع كانت فيرا روبين، التي قاست سرعات دوران النجوم في المجرات واكتشفت أنها تتحرك بسرعة كبيرة — وكأن كتلة إضافية غير مرئية تمسك بها.

الضوء، عند مروره بجانب ثقب أسود، يلتف كما يلتف الماء حول فتحة التصريف في الحوض. الأمر الأكثر إثارة هو الحلقة الرقيقة حيث يمكن للأشعة أن تدور إلى الأبد، دون أن تسقط إلى الداخل أو تهرب بعيدًا. هذه هي الفوتونات الكروية — وهي حدود غير مرئية ترسم ظل الثقب في السماء.

في قلب مدينتنا النجمية — المجرة — يكمن ثقب أسود فائق الكتلة، الرامي A* (Sagittarius A*). يدور حوله النجم S2 في رقصة سريعة. لكن حركاته لا تكشف فقط عن جاذبية الثقب: فهناك شريك غير مرئي في الرقصة — المادة المظلمة.

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.

ذراع نهر نجمي يلتف حول مركز مجرة بعيدة، مثل شريط مضيء على إطار غير مرئي. هذا الإطار هو الهالة المظلمة: سحابة ضخمة من المادة المظلمة غير المرئية، والتي تمسك النجوم والغاز بجاذبيتها. إذا كانت الهالة مفلطحة مثل القرع، أو مستطيلة مثل الشمام، فإن التيار النجمي سينحني بشكل مختلف. العلماء من فريق Potamides تتبعوا انحناءات 15 تيارًا في مجرات أخرى، ولأول مرة حصلوا على شكل الهالة منها.

الكون مليء بمادة غير مرئية — المادة المظلمة — التي تأثيرها الثقالي واضح، لكن تكوينها يظل لغزًا. إحدى الفرضيات تقترح أنها تتكون من جسيمات فائقة الخفة، كتلتها صغيرة جدًا لدرجة أنها تظهر خصائص موجية، مكوّنةً نوعًا من التموجات الكونية. لرصد هذه التموجات، لجأ العلماء إلى أكثر الساعات الطبيعية استقرارًا — النجوم النابضة.

يمشي البهلوان على حبل مشدود. كل خطوة يخطوها هي بحث عن توازن، وحساب لحظي للقوى. وبنفس الطريقة تقريبًا، تصف معادلات أينشتاين كيف تجعل المادة والطاقة الزمكان ينحني. لكن لفترة طويلة، لم يستطع أحد إثبات أن هذه المعادلات لها حل على الإطلاق — أي أن البهلوان قادر على اتخاذ خطوته الأولى دون أن يسقط.

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.

الضوء الذي يمرّ بجوار جسم ضخم ينحني حوله، تماماً كتيّار سيارات يلتفّ حول حفرة عميقة في الطريق. وكلما كانت جوانب الحفرة أشدّ انحداراً، زاد انحراف المسار — وقلّت المسارات المباشرة نحو الراصد. هكذا يولد ظلّ الثقب الأسود: منطقة لا يستطيع الضوء الخروج منها.

في السابق، كان علماء الفلك يحسبون كتلة المجرات كما لو كانت كرات مثالية. لكن المجرة عبارة عن قرص مسطح كالرقاقة. النموذج الجديد «المفقود والمعثور عليه» يأخذ الشكل الحقيقي في الحسبان: فهو يجمع قوى الجاذبية من جميع أجزاء القرص، وليس فقط من الانتفاخ المركزي.

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.

نصف قرن ظل علماء الفلك يحاولون فهم طبيعة الإشعاع الرنيني القوي لنجم جاما ذات الكرسي — منارة ساطعة في الكوكبة، توهجها في نطاق الرنين لم ينطبق على نماذج النجوم المنفردة. اشتبهوا في وجود رفيق خفي، لكن لم تكن هناك أدلة مباشرة.

أجرى علماء الفلك ملاحظات تجريبية على التلسكوب الجديد المسمى فيرا روبن، الموجود في تشيلي. كانت العملية تشبه ضبط البؤرة وفتحة العدسة في الكاميرا: سعى المهندسون إلى وضوح الصورة والتعريض الصحيح. غطت الصور الأولى منطقة من السماء مساحتها 60 قمرًا كاملاً — وكشفت فورًا عن ملايين المجرات والنجوم.

تشبه المجرة دوامة عملاقة: تدور النجوم والغاز حول المركز، وسرعة حركتها تكشف مقدار المادة الموجودة في هذه الدوامة. لو كنا نرى فقط المادة المضيئة، لكانت الأجزاء الخارجية تدور بشكل أبطأ مما تظهره الملاحظات. إذن، هناك كتلة غير مرئية — المادة المظلمة — التي تربط المجرة ببعضها. أخذ علماء الفلك 20 مجرة من مسح MIGHTEE وبنوا لكل منها خريطة تفصيلية للدوران.

في مركز مجرتنا يوجد ثقب أسود فائق الكتلة، تدور حوله نجوم. حركتها تشبه رقصة دائرية: بعضها يندفع في مدارات إهليلجية ممدودة، وبعضها في مدارات شبه دائرية. إذا كانت هناك مادة مظلمة غير مرئية بالقرب من الثقب الأسود، فإنها تُحدث تشوهًا طفيفًا في هذه المدارات، وكأن يدًا خفية تدفع النجم جانبًا.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده النووي الحراري في نواته، يفقد قدرته على مقاومة جاذبيته وينهار بسرعة، مولّدًا وميض مستعر أعظم. وقبل لحظات من هذه الكارثة، تنطلق من النواة المنهارة نيوترينوات — جسيمات شبحية لا تكاد تتفاعل مع المادة.

المادة المظلمة هي مادة غير مرئية لا تظهر إلا من خلال تأثيرها الجاذبي على حركة النجوم والمجرات. أول من طرح فرضية وجودها كان فريتز زفيكي في ثلاثينيات القرن العشرين، بينما أكدت فيرا روبين لاحقًا حقيقتها بقياس سرعات دوران المجرات.

نهر من النجوم — ليس تجمعًا، بل شريط مضيء ممتد — يعبر أطراف مجرة بعيدة. تم اكتشاف مثل هذا التيار في بيانات المسح الأول لمرصد فيرا روبين. يمتد على طول المحور الصغير للمجرة LEDA 751050، مثل وشاح يرفرف من قرص المجرة. التيار ضخم: 130 × 15 كيلو فرسخ فلكي. للمقارنة، يبلغ قطر درب التبانة حوالي 30 كيلو فرسخ فلكي. أي أن هذا النهر النجمي أطول بأربع مرات من مجرتنا.

ثلاث مجرات بعيدة تدور مثل دوامات عملاقة. تتحرك نجومها وغازها على طول أذرع حلزونية، ومن خلال سرعة هذه الحركة يمكن حساب كمية المادة الكلية في المجرة — المرئية منها وغير المرئية. دمج علماء الفلك بين منظورين: أظهرت التلسكوبات الراديوية الغاز البارد، بينما أظهر تلسكوب جيمس ويب الفضائي النجوم.

المادة المظلمة هي محيط غير مرئي، كما أظهرت أرصاد فيرا روبين، يمنع النجوم في المجرات من التشتت. يشتبه الفيزيائيون في أنه إذا كانت المادة المظلمة تتكون من جسيمات فائقة الخفة، فإنها عند البرودة الكونية تتحول إلى وسط سائل عديم الاحتكاك - ما يُسمى بالـمُكَثَّف.

قرص درب التبانة النجمي هو كقرص دوار لامع، أما المادة المظلمة فسحابة غير مرئية تحيط به. لأول مرة، تم قياس شكله بدقة. تتبّع علماء الفلك حركة ملايين النجوم وبنوا خريطة ثلاثية الأبعاد لـ الهالة المظلمة حتى مسافة 160 ألف سنة ضوئية.

ضوء مجرة بعيدة انقسم إلى صورتين، ثم ثلاث، ثم أربع، وفي المركز ظهرت صورة خامسة شبحية. هكذا تبدو HerS-3: مجرة فتية مليئة بالغبار والنجوم حديثة الولادة، مرّ ضوءها عبر عدسة تثاقلية (gravitational lens)، وهي جسم ضخم يحني الأشعة كما تحني عدسة مكبرة الضوء. عادةً ما تعطي العدسة أقواسًا أو حلقات، لكن هنا تشكل صليب أينشتاين: أربع صور لمصدر واحد مرتبة حول مركز غير مرئي. وهذا المركز ليس فارغًا.

في بركة النجوم التي هي درب التبانة، ألقى أحدهم حجرًا غير مرئي. لم تنتشر تموجاته على الماء، بل على حركة النجوم: في منطقة تبلغ أبعادها 200 × 50 فرسخًا فلكيًا، تبين أن متوسط سرعتها الرأسية أقل بمقدار 7 كم/ث من جيرانها. الانحراف ذو دلالة إحصائية عند مستوى 6σ، أي لا يمكن تفسيره بالصدفة. يقع الشذوذ على بُعد حوالي 3.9–4.0 كيلو فرسخ فلكي منا، في اتجاه كوكبة الحية.

في 9 أكتوبر 2022، قدّم الكون عرضاً لم يشهد علماء الفلك مثله في تاريخ الرصد بأكمله. انفجار أشعة غاما GRB 221009A، وهو أقوى انفجار كوني يُصدر وميضاً من أشعة غاما، أبهر الكواشف في المدار وعلى الأرض. أُطلق عليه لقب «الأكثر سطوعاً على الإطلاق».

مجرة NGC 1560 هي جزيرة متواضعة من النجوم والغاز على بعد عشرة ملايين سنة ضوئية منا. منحنى دورانها، الذي قيس لأول مرة في عام 1991، أصبح أيقونة للباحثين عن بديل للمادة المظلمة. على الرسم البياني لسرعة الدوران مقابل نصف القطر، تظهر انحناءات تبدو وكأنها تكرر بدقة انحناءات توزيع المادة العادية.