زينون

تخيل كرة بلياردو معلقة في الهواء، تُطلق نحوها حبيبات صغيرة من أنبوب نفخ. كل اصطدام بالكاد يُلاحظ، لكن إذا كانت الكرة خفيفة جدًا ولا تهتز كثيرًا من الحرارة، يمكن تمييز الدفعات الفردية. هذا تقريبًا ما يحدث في التجربة: كرة زجاجية بحجم بكتيريا تطفو في الفراغ، ويُطلق نحوها شعاع ضيق من ذرات الزينون.

في أعماق الشمس، تجري تفاعلات اندماج نووي قد تولد جسيمات افتراضية خفيفة تُعرف بالأكسيونات، وهي بالكاد تتفاعل مع المادة. أحد هذه العمليات، إن وُجد، يؤدي إلى ظهور أكسيونات بطاقة 5.49 ميغا إلكترون فولت، وهي طاقة تضاهي طاقة كرة تنس تطير بسرعة 100 كم/ساعة. هذه الجسيمات تخترق الأرض دون عائق، لكنها قد تصطدم أحيانًا بذرة زينون.

المادة المظلمة هي المهندس الخفي للكون، الذي يمنع المجرات من التشتت. بفضل فريتز زفيكي وفيرا روبين، نعلم أن المادة العادية في الكون ليست سوى نسبة ضئيلة. ولكن ما الذي يخفيه هذا المادة المظلمة؟ إحدى أكثر الفرضيات جرأة هي الجسيمات الثقيلة المشحونة، أو CHAMP.

بحر يخترق كل الفضاء يظل غير مرئي لنا. هذا البحر هو المادة المظلمة، والأمواج على سطحه هي جسيمات تُدعى الأكسيونات. إنها خفيفة ومراوغة لدرجة أنها تمر عبر الأرض دون أن تلاحظها. ولكن إذا اصطدمت هذه الأمواج بشاطئ مصنوع من مادة خاصة، فقد تترك أثرًا — تيارًا كهربائيًا ضئيلًا. هذا الشاطئ بالضبط يقترح العلماء بناؤه.

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.

بدأت القصة بحيرة: في ثلاثينيات القرن العشرين، لاحظ فريتز زفيكي أن عناقيد المجرات تتصرف وكأنها تخفي كتلة هائلة غير مرئية. وبعد نصف قرن، أكدت فيرا روبين ذلك — فالنجوم عند أطراف المجرات تدور بسرعة أكبر من أن تمسكها المادة المرئية وحدها. هكذا وُلد لغز المادة المظلمة — الهيكل الخفي للكون.

لا تزال المادة المظلمة تفلت من المراقبة المباشرة، رغم أن جاذبيتها تمسك المجرات معًا. إحدى الفرضيات: أنها تتكون من أكسيونات — جسيمات خفيفة جدًا تنبأت بها النظرية. ميزتها: في حقل مغناطيسي قوي، يمكن للأكسيون أن يتحول للحظة إلى فوتون — ومضة ضوء صغيرة.

الكون منظم كالإسفنجة: فيه مناطق كثيفة معبأة بـ المجرات والغاز، ومسام عملاقة — الفراغات الكونية. تشغل هذه الفراغات معظم الفضاء، لكن مكوناتها ظلت لغزًا — المادة هناك لا تُظهر نفسها تقريبًا. الآن "جسّ" الفلكيون الفراغات باستخدام الانفجارات الراديوية السريعة — نبضات فائقة القوة تأتي من مجرات بعيدة.

في عام 1987، شاهد علماء الفلك وميض مستعر أعظم في مجرة مجاورة - سحابة ماجلان الكبرى. كانت هدية نادرة: حدث الانفجار قريبًا بما يكفي لالتقاط ليس فقط الضوء، بل أيضًا النيوترينوات (جسيمات شبه مراوغة تخترق الأرض بالكامل). منذ ذلك الحين، تُستخدم بيانات ذلك الانفجار كمرشّح: إذا كان بإمكان أي جسيم افتراضي أن يحمل طاقة زائدة من النجم المحتضر، فإن خصائصه تُقيَّد.

عالم رفض لسنوات أن يُظهر وجهه. كوكب GJ 1214 b هو مثل هذه الحالة تمامًا. إنه أكبر من الأرض لكنه أصغر من نبتون، وغطاؤه الكثيف جعل غلافه الجوي غير مرئي للتلسكوبات: ضوء النجم كان يمر عبره دون أن يترك بصمات واضحة. لكن إصرار علماء الفلك وجهاز جديد حساس قدما أول خيط. باستخدام مطياف CRIRES⁺ على التلسكوب الكبير جدًا في تشيلي، رصد العلماء ثماني مرات عبور الكوكب أمام نجمه.

في غرفة مظلمة، يومض مصباح غير مرئي. ضوءه ليس كالمعتاد: ليس له سطوع ثابت، بل ومضات نادرة لكنها قوية. هذا هو الفراغ المضغوط الساطع — حالة من الضوء لا توجد فيها موجة عادية، ولكن توجد تقلبات كمومية قوية. وبهذا الضوء تحديدًا قصف الفيزيائيون ذرات الزينون. كل ومضة تقذف إلكترونًا من الذرة إلكترون. تتجمع مسارات الجسيمات المنبعثة في أنماط غريبة تشبه نسيج العنكبوت.

ضوء نجم بعيد، أثناء مروره عبر غلاف كوكب K2-18b، ترك "بصمات" غير عادية في الطيف. جمع علماء الفلك هذا الضوء لمدة 420 ساعة باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، وحللوه إلى ألوانه مثل قوس قزح. في الصورة الناتجة، رأوا خطوطًا لا يمكن الخلط بينها وبين أي شيء آخر: هكذا تظهر الجزيئات التي يعرفها كل من سمع عن القنب.

في برد عميق، عند درجة حرارة لا تتجاوز درجتين فوق الصفر المطلق، يستمع تجويف نحاسي بحجم قدر إلى صمت الكون. هذا التجويف هو قلب النموذج الأولي لكاشف Supax، المصمم للبحث عن الأكسيونات: جسيمات لم يرها أحد قط، لكنها قد تشكل المادة المظلمة غير المرئية التي تربط المجرات ببعضها. الأكسيونات مثل الأشباح: فهي بالكاد تتفاعل مع المادة العادية.

في جبال الألب السويسرية يوجد عمود رأسي عميق يمتد 800 متر تحت الأرض — أي ما يعادل ناطحتي سحاب موضوعتين فوق بعضهما البعض. وبجانبه يمر نفق للسكك الحديدية، تمر فيه القطارات يوميًا محدثةً ضجيجًا. لكن داخل العمود يسود هدوء تام، كهدوء مكتبة في منتصف الليل. أحضر العلماء إلى هناك أجهزة استشعار حساسة، وعلى مدى شهر كامل استمعوا إلى ارتجاف الأرض وما يحدث للحقول الكهربائية.

تخيل كاشف المادة المظلمة وكأنه غرفة يحاول فيها الباحثون التقاط همسٍ خافت، لكن كل ما حولهم مليء بفرقعة الكهرباء الساكنة. هذا الفرقعة تصنعها ذرات الرادون — وهو غاز مشع يتسرب باستمرار من مواد البناء والهواء.

في غرفة مظلمة داخل الكاشف، ينتظر الأرجون. عندما يمر عبره جسيم غير مرئي — مثل مرشح محتمل للمادة المظلمة — يدفع نواة الأرجون بدفعة خفيفة. تتحرك النواة من مكانها، وتتولد حولها شحنات. وكمية هذه الشحنات ليست سؤالًا عابرًا: فبعددها يحكم الفيزيائيون على نوع الزائر الذي مرّ. منشأة ReD هي خزان من الأرجون السائل، أُدخلت إليه نيوترونات من مصدر كاليفورنيوم. تصطدم النيوترونات بنوى الأرجون كما تصطدم كرة البلياردو بأخرى.

يُولد الضوء في أشباه الموصلات من أزواج من الشحنات — إلكترون وثقب، ينجذبان لبعضهما مثل المغناطيس إلى الثلاجة. يُسمى هذا الزوج إكسيتونًا. إذا أُضيفت شحنة أخرى إلى الزوج، نحصل على ثلاثي أيوني — «ثلاثة» من ثلاثة جسيمات.

المادة المظلمة هي الهيكل الجذبوي غير المرئي الذي يمنع المجرات من التمزق بفعل القوة الطاردة المركزية. في ثلاثينيات القرن العشرين، اكتشف فريتز زفيكي، أثناء تحليله لحركة المجرات في عنقود الهلبة (Coma Cluster)، سرعات عالية بشكل غير طبيعي تتطلب كتلة إضافية.