مصفوفة كبيرة جدًا

في أول مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، كان الكون محيطًا مظلمًا تتوهج فيه النجوم الأولى والثقوب السوداء. بعض هذه الثقوب السوداء كانت تقذف نفاثات ضيقة من البلازما بسرعة تقارب سرعة الضوء. إذا كانت هذه النفاثة موجهة نحو الأرض مباشرة، نراها كنقطة مضيئة: نجم زائف مضيء (blazar).

في قبو المختبر، يُصدر مغناطيس بقوة 8 تسلا طنيناً. داخله، مثل جرس في برج جرس، يعلق أسطوانة نحاسية مجوفة مضبوطة على نغمة واحدة فريدة. إذا مرّ أكسيون قريباً، وهو جسيم من المادة المظلمة، تستجيب الأسطوانة برنين خافت. المشكلة أن النحاس العادي يخمد هذا الرنين: عند الترددات العالية، يسري التيار فقط في طبقة رقيقة من سطح المعدن، فتزداد الخسائر.

التلسكوب الراديوي المكوّن من آلاف الهوائيات يشبه أذنًا عملاقة تسمع السماء بأكملها في آنٍ واحد. لكن الأذن لا تستطيع رسم صورة: يجب ضرب الإشارات القادمة من كل زوج من الهوائيات، وفي مصفوفة من عشرة آلاف عنصر، يصل عدد الأزواج إلى خمسين مليونًا. المرابط التقليدي يفعل ذلك تمامًا، ويزداد تعقيده كمربع عدد الهوائيات.

المجرة Mrk 590 تتصرف مثل مستقبل راديوي تارةً يلتقط الموجة وتارةً يغرق في الضجيج. ثقبها الأسود فائق الضخامة ظلّ لعقود يشتعل حينًا ويخفت حينًا آخر، وكان الفلكيون يترقبون كل "تشغيل" من هذا القبيل. في عام 2017 عاد المستقبل إلى الحياة من جديد، لكن التلسكوب الراديوي VLA لم يسمع الإشارة التي كانوا ينتظرونها.

التلسكوبات الراديوية هي آذان الفلك الحساسة: فهي تلتقط همس الراديو القادم من انفجارات بعيدة، وهدير المجرات، وطقطقة النجوم النابضة — النجوم النيوترونية التي تصدر نبضات دورية صارمة. لكن في بعض الأحيان يظهر في هذا الكورس صوت غير موجود في الفهارس. في عام 2003، نشأ مثل هذا الصوت في كوكبة العقاب: نقطة في السماء كانت صامتة راديويًا حتى وقت قريب، بدأت فجأة تتكلم. حصل المصدر على التسمية VT J1906+0849.

في مكان ما في أعماق درب التبانة، تظهر من حين لآخر ومضات راديوية — نادرة ومنتظمة، كأنها دقات بندول بعيد. هذه الومضات الراديوية الطويلة الدورة اكتُشفت مؤخرًا فقط، وقد أربكت علماء الفلك على الفور.

موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء تُسمع كأوتار جهيرة، والنجوم النابضة تضبط الإيقاع، ويحمل الإشعاع الخلفي الكوني أصداء الانفجار العظيم. لكن هناك لاعب صامت — المادة المظلمة، التي لا يُكشف عن وجودها إلا عبر تأثيرات الجاذبية.

المترجم يسجّل محادثة تمتد لساعات. إذا حاول أن يبقي الحوار كاملاً في ذهنه، فسيخطئ في التفاصيل حتمًا في النهاية. هكذا تعمل مراصد الجاذبية تقريبًا: فهي تستمع إلى «حديث» الأجسام الضخمة التي تقترب حلزونيًا.

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.

تعمل العدسة المكبرة على تجميع ضوء الشمس في نقطة مضيئة. إذا كان هناك عيب صغير في الزجاج، فسيتشوه قرص الضوء. هذا هو تقريبًا مبدأ عدسة الجاذبية: مجرة ضخمة تعمل على انحناء أشعة الضوء القادمة من مصدر أبعد، مما يخلق صورة مكبرة ومشوهة أحيانًا.

يعمل الغلاف الأيوني على ارتفاع 70 كيلومتراً كمرآة عملاقة لموجات الراديو. ترسل الهوائيات الأرضية إشارة إليه باستمرار وتستمع إلى الانعكاس. عندما يحدث توهج شمسي على الشمس، يصل تدفق الأشعة السينية إلى الأرض في 8 دقائق ويُكثف الطبقة السفلى من الغلاف الأيوني. هذا يشبه إمالة المرآة قليلاً — حيث يتغير طور الشعاع المنعكس (زمن وصول الموجة).

الموجات الثقالية  هي تموجات في نسيج الفضاء، كالدوائر على الماء عند إلقاء حجر. أما على الأرض فتغمرها ضوضاء النقل والمد والزلازل — كما تعصف عاصفة ببحيرة فتمنع رؤية التموجات الخافتة. ينقل مشروع LILA الكاشف إلى القمر حيث يسود صمتٌ لا تعكره رياح. وهناك ستظهر حتى أضعف الموجات الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء  بوضوح.

البحث عن إشارات خارج الأرض هو محاولة لسماع همس وسط ضجيج ملعب صاخب. استمع تلسكوب غرين بانك إلى 70,000 نجم، لكن 100 مليون ومضة مسجلة كانت مجرد ضوضاء راديوية أرضية — تداخل من الهواتف المحمولة والأقمار الصناعية وأفران الميكروويف. استبعدت الخوارزميات الآلية جميع الإنذارات الكاذبة تقريبًا، ثم راجع 40,000 متطوع المرشحين المتبقين ضمن مشروع علمي مدني. لم يُعثر على أي همس فضائي. الصمت بحد ذاته نتيجة مهمة.

تشرح نظرية الجاذبية لـ أينشتاين كيف تجعل الكتلة المكان والزمان ينحنيان. تم اختبار صحة هذه الأفكار بالقرب من الأرض، لكن أقسى الاختبارات ممكنة بالقرب من الثقوب السوداء، حيث تصل التشوهات إلى أقصاها. حتى الآن، كان علماء الفلك يرونها كبقع ضبابية في صورة رديئة.

أوركسترا يعزف موسيقيوها في مدن مختلفة، بينما يسمعهم قائدها بتأخير جزء من الثانية. هكذا تقريباً تعمل شبكات التلسكوبات الراديوية مثل Very Long Baseline Array — عشر هوائيات من هاواي إلى جزر العذراء تلتقط همس المجرات البعيدة المجرات. لتجميع صورة واحدة من تسجيلات متفرقة، يجب مزامنة الإشارات بشكل مثالي — مع مراعاة رطوبة الهواء، وارتعاش الغلاف الجوي، والساعات المضطربة.

قام تلسكوب فيرمي على مدى 17 عاماً بتسجيل أشعة غاما الصادرة من النوى النشطة لـالمجرات التي تحتوي على ثقوب سوداء عملاقة في مركزها. يشبه توهج نفاثاتها نشازاً فوضوياً: فهو يتغير باستمرار.

عدسة ضخمة من الجاذبية كبّرت مجرة بعيدة، فأطلّ علماء الفلك على مطبخها الكيميائي. حصل تلسكوب ALMA في صحراء تشيلي على مستقبل جديد يلتقط موجات راديوية بترددات تتراوح بين 67 و116 غيغاهرتز — وكأن مستقبل الراديو تعلّم أخيرًا سماع نطاق كامل من المحطات دفعة واحدة.

في 24 أبريل 2025، عمل الغلاف الجوي للأرض فوق ألاسكا كآلة إيقاعية عملاقة. ضوء الشمس حجب وميض النيزك، ولم تلتقط الأقمار الصناعية البصرية الحدث. لكن الميكروفونات تحت الصوتية وأجهزة الاستشعار الزلزالية الأرضية التقطت همهمة منخفضة التردد واهتزازات أرضية، مما سمح بإعادة بناء "لحن" مرور الجسم الكوني بدقة.

الأشعة الكونية ليست ضوءًا، بل جسيمات مشحونة تقصف الأرض من كل اتجاه. معظمها بروتونات (نوى الهيدروجين)، ولكن توجد أيضًا نوى أثقل: الهيليوم والنيتروجين والحديد. عندما يصطدم مثل هذا الجسيم بالغلاف الجوي، فإنه يولد وابلًا كاملًا من الجسيمات الثانوية، ومن شكل هذا الوابل يمكن معرفة ما وصل إلينا بالضبط.

إذا كان في مركز مجرة ثقب أسود فائق الكتلة، فإنه يسخن الغاز المتساقط عليه إلى درجات حرارة هائلة. هذا الغاز يتوهج، ونراه ككوازار — وهو ألمع منارة في الكون. ولكن كيف يمكن قياس حجم مصدر الضوء نفسه؟ يستخدم العلماء حيلة ذكية: يتتبعون مدى سرعة تغير السطوع عند ألوان مختلفة.

العنقود الكروي M22 هو سرب كثيف من مئات الآلاف من النجوم يعلق في مجرتنا مثل خلية نحل مضيئة. في هذا الزحام، كثيرًا ما تتصادم النجوم وتتبادل الشركاء، لكن الأجسام الكبيرة مثل الثقوب السوداء لم تكن تبقى طويلاً — كان يُعتقد أن الجاذبية تقذفها بعيدًا. لكن دراسة جديدة تُظهر أن ثقبًا أسود واحدًا تمكن أخيرًا من البقاء.

لم تعد السماء ليلًا هادئة كما كانت من قبل. تمر فوقنا آلاف الأقمار الصناعية، وقد يصدر كل منها موجات راديوية عشوائية، مما يعيق علماء الفلك عن الاستماع إلى المجرات البعيدة. لفهم هذه الضوضاء، وجّه العلماء التلسكوب الراديوي 21CMA في الصين نحو مرور أقمار ستارلينك. يتكون التلسكوب 21CMA من العديد من الهوائيات الصغيرة المنتشرة في الحقل.

وفقًا لـ نظرية أينشتاين، فإن الأجسام الضخمة تُحدث انحناءً في الزمكان، مثل كرة ثقيلة تُحدِث انحناءً في غشاء مطاطي. وعند تسارعها، تُولّد تموجات — موجات جاذبية، تشبه الدوائر التي يحدثها حجر في بركة ماء. عادةً ما تكون هذه التموجات من نوعين فقط: فهي تتمدد وتتقلص الفضاء بالتناوب. لكن بعض النظريات تتنبأ باهتزازات أخرى.

المجرة البعيدة TXS 2005+403، الواقعة في كوكبة الدجاجة، تتصرف كمنارة يمر شعاعها عبر الضباب. ضوء نواتها النشطة — المنطقة التي يسخن فيها الثقب الأسود الهائل المادة المتساقطة — يعبر في طريقه إلينا سحب الغاز المشحون في مجرتنا. هذه السحب ليست هادئة؛ فهي تختلط باستمرار مثل الماء المغلي في قدر.

في عمق الجليد في القارة القطبية الجنوبية، على أعماق لا يصلها ضوء الشمس، تتدلى هوائيات. إنها لا تلتقط الأصوات بل الموجات الراديوية — وتنتظر إشارة من جسيم يكاد يكون من المستحيل الإمساك به. يخترق النيوترينو الأرض كما تخترق الرصاصة الضباب، لكن في بعض الأحيان، نادرًا جدًا، يصطدم بذرة جليد. عندها يولد وميض راديوي قصير — وتسجله الهوائيات.

حول النجم الفتي MWC 480 يدور قرص مسطح من الغاز والغبار — أشبه بدوامة عملاقة، حيث تحل لبنات بناء الكواكب محل الخيول الخشبية. نظرت التلسكوبات الراديوية إلى هذا القرص عند أطوال موجية مختلفة، من المليمترية إلى السنتيمترية، ورصدت أين يتجمع الغبار بالضبط وما حجم جزيئاته. ألمع حلقة تقع على بعد 95 وحدة فلكية من النجم — أي نحو ثلاثة أضعاف بُعد نبتون عن الشمس.

رصد التلسكوب الراديوي VLA سديم بوميرانج — سحابة نفختها الرياح القادمة من نجم نيوتروني سريع الدوران. في الصور الجديدة ظهرت تفاصيل بحجم قرص القمر في السماء: نواة ممدودة حول النجم النابض وقوس طويل يلتف حولها من الشمال. القوس لا يلامس النواة — بينهما فجوة مظلمة، مثل المسافة بين الشاطئ والموجة.

الضوء الذي يمر عبر شقوق ضيقة يمكن أن يكشف عن تأخيرات غير مرئية للعين. في تجربة جديدة، جعل الفيزيائيون شعاع ليزر يمر عبر شقّين في وقت واحد، وقاسوا مقدار تأخر جزء من الموجة عن الآخر. بلغ التأخير عدة أتوثانية — وهي جزء من مليار من مليار جزء من الثانية. لفهم المقياس: في أتوثانية واحدة، يقطع الضوء مسافة أصغر بثلاث مرات من قطر ذرة الهيدروجين.

نبض الليزر الذي يجري عبر البلازما يشبه عداءًا يشق طريقه وسط حشد من الناس. فهو يدفع الإلكترونات جانبًا، تاركًا خلفه قناة منخفضة الكثافة — تمامًا كما يفسح الحشد الطريق أمام العداء السريع. داخل هذه القناة، يتحرك قمة موجة الضوء أسرع قليلًا من الضوء في الفراغ، وهذه السرعة هي التي تحدد مدى كفاءة النبض في نقل الطاقة إلى الجسيمات.

داخل السحب الباردة من الغاز والغبار حيث تتوهج نجوم جديدة، رصد علماء الفلك بنى رفيعة بشكل غير متوقع. تلسكوب ALMA، الذي يعمل في نطاق المليمتر، أتاح رؤية أكثر من 323 خيطًا فائق الرقة من الغبار داخل 121 كتلة ضخمة. هذه الكتل موزعة في جميع أنحاء مجرتنا — من المركز إلى الأطراف، على مسافات تتراوح بين 0.5 و12.7 كيلوبارسيك من مركز درب التبانة.

في المجرة المجاورة سحابة ماجلان الكبرى، يعيش النظام الثنائي A0538-66. هناك، نجم نيوتروني — كرة صغيرة بحجم مدينة لكن كتلتها أكبر من كتلة الشمس — يدور حول نفسه في 69 ميلي ثانية. للمقارنة: خلاط المطبخ يُكمل دورة كاملة في حوالي 10 ميلي ثانية، لذا فالنجم تقريبًا بنفس سرعة القمة الدوّارة.

تلتقط التلسكوبات الراديوية المنتشرة حول الأرض موجات من ثقوب سوداء بعيدة. لكن تلسكوبين متجاورين لا يريان سوى بقعة ضبابية، فلا تصل تفاصيلهما إلى مستوى الدقة المطلوب. عادةً ما تُعتبر هذه الأزواج عديمة الفائدة وتُهمل. لكن هذا خطأ: فحتى البقعة الضبابية تحمل أدلة. لاحظ مؤلفو الدراسة الجديدة أن المصدر إذا لم يكن مجرد نقطة ساطعة بل كان محاطًا بهالة خافتة، فإن الإشارة من التلسكوبات المتقاربة لم تعد صفرية.

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.

لمدة اثنتي عشرة سنة، ظل علماء الفلك على التلسكوب الراديوي LPA في بوشينو يستمعون إلى نفس المنطقة من السماء — الاتجاه نحو المجرّة 3C 33. خلال هذه الفترة، التقطوا ست إشارات راديوية قصيرة فقط، استمرت كل منها من دقيقة إلى أربع دقائق. تبيّن أن هذه الدفعات شديدة السطوع — وصل تدفقها إلى مئات اليانسكيات (وحدة سطوع المصدر الراديوي، مثل اللومن للمصباح، لكن لموجات الراديو).

في مركز العديد من المجرات تتوهج منارة غير مرئية: ثقب أسود فائق الضخامة. عندما يلتهم المادة، يقذف في الفضاء شعاعًا مبهرًا من أشعة غاما. إذا كان الشعاع موجهًا نحو الأرض، يرى الفلكيون بلازارًا – نقطة لامعة لكنها غير مستقرة.

في عام 1181، سجل علماء الفلك الصينيون واليابانيون ظهور "نجم زائر"، وهو نجم ساطع أضاء لمدة ستة أشهر في كوكبة ذات الكرسي ثم اختفى. اليوم، يوجد في هذا الموقع Pa 30: سديم يحتوي على مصدر مركزي حار يقذف المادة بسرعة 16,000 كم/ثانية.

القمر ليس مجرد تابع، بل جرس جاذبي محتمل. عندما تصطدم الأجسام الضخمة، يهتز الزمكان، وهذا الاهتزاز، أي موجات الجاذبية، يجعل كل ما يصادفه في طريقه يتذبذب. على الأرض، تغرق هذه التذبذبات في الضوضاء الزلزالية تحت 10 هرتز، وفي الفضاء، تسمع هوائيات LISA فقط الملي هرتز. بينهما نطاق الديسيهرتز الهادئ، حيث يُفترض أن اندماجات الثقوب السوداء متوسطة الكتلة تصدر أصواتها.

على مسافة 8.58 ميغابارسك منا، تدور المجرة الحلزونية M51 أذرعها، بينما ينظر إليها التلسكوب الراديوي VLA في أوسع تكوين له بدقة 0.16×0.14 ثانية قوسية. هذا يعادل رؤية عملة معدنية على سطح القمر من الأرض. وبهذه الدقة العالية، أظهرت ثلاث مجرات قريبة، وهي M51 وNGC 4449 وNGC 4631، لأول مرة مصادرها الراديوية المدمجة منفصلة عن الخلفية الضبابية.