Brian Schmidt

لطالما أثارت الكواكب الثلاثة في نظام Kepler-51 فضول الفلكيين: فهي تشبه زحل في الحجم، لكن كثافتها أقل من كثافة الماء. هذه العوالم «فائقة الانتفاخ»، التي لا تتجاوز كتلتها عشرة أضعاف كتلة الأرض، أشبه ببذور الهندباء الكونية - ضخمة لكنها تكاد تكون عديمة الوزن. مداراتها منتظمة كعازفين في أوركسترا، كل منهم يؤدي دوره، ويقرع الإيقاع بالعبورات.

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.

في مرق يغلي من الكون الوليد، كانت جميع الجسيمات تفقد تمييزها، كالخضروات في حرارة هائلة. استعادة تلك الوصفة البسيطة هي هدف الفيزياء الحديثة. نظرية SO(10) — وهي امتداد النموذج القياسي — تقدم هذه الوصفة. إنها توحد جميع القوى وتربط كتل أي جسيمات بصيغة واحدة. وقد صقل العلماء النموذج وحققوا دقة قياسية: تطابقت الكتل المحسوبة مع التجربة.

الكون يتمدد، والطاقة المظلمة هي التي تحدد معدل هذا التمدد، وهي قوة غامضة تسرّع تباعد المجرات. في النموذج الكوني القياسي، كثافتها ثابتة: الثابت الكوني، بندول إيقاع لا يتغير منذ نشأة الكون. لكن البيانات الجديدة من الأداة الطيفية DESI، التي جمعت خريطة لملايين المجرات، تجعلنا ننصت باهتمام: يبدو أن الإيقاع يتمايل قليلاً.

ينطلق الإلكترون من نواة التريتيوم بطاقة مقدارها 18.57 كيلوإلكترون فولت، تاركًا خلفه شريكًا غير مرئي، وهو النيوترينو. إذا كان لهذا النيوترينو وصول إلى البعد الخامس، فإن كتلته تنقسم إلى برج كامل من الحالات، وكل حالة منها تقتطع قطعة من الطيف.

تلسكوب ACT في صحراء أتاكاما التشيلية كان يراقب السماء من عام 2007 إلى عام 2022. هدفه هو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وهو الضوء الذي يصل إلينا بعد رحلة استغرقت 13.8 مليار سنة. هذا الضوء مستقطب، أي أن موجاته تهتز في مستويات محددة، مثل أوتار مشدودة في اتجاهات مختلفة. في كون متناظر تمامًا، كانت هذه المستويات ستبقى ثابتة. لكن بيانات ACT تشير إلى عكس ذلك.

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.

الكون يقدّم عرضًا مسرحيًا، والدور الرئيسي فيه مُسند إلى الطاقة المظلمة. لفترة طويلة بدا أن الممثل ثابت على حاله: الثابت الكوني (طاقة الفراغ التي تسرّع توسع الكون) كان يضبط الإيقاع نفسه.

المجرّة NGC 3627، وهي حلزونية جميلة في كوكبة الأسد، تحتفظ بأثر لا يتوافق مع أي سيناريو تقليدي. شريط ضيّق من الغاز البارد، أثر جزيئي، يمتد لأكثر من 8 كيلوبارسك (آلاف الفراسخ الفلكية، كل فرسخ يعادل نحو 3260 سنة ضوئية) بعرض نحو 200 فرسخ فلكي. هذا مثل خيط طوله كطول ملعب كرة قدم وسماكته كسماكة قلم رصاص.

عثر الفلكيون في الكون على جسم غير مرئي لا يتجاوز وزنه مليون شمس – وهو تافه للغاية بمقاييس الكون، وأخف بمئة مرة من أي شيء تمكنوا من «وزنه» على مثل هذه المسافات. الجسم نفسه لا يصدر ضوءًا، لكنه كشف عن نفسه عن طريق حني ضوء مجرة أبعد مجرة.

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.

لقد اكتشفت فيرا روبين أن النجوم في أطراف المجرّات تتحرك بسرعة فائقة، وكأنها ممسوكة بشبكة غير مرئية. وكان فريتز زفيكي أول من اشتبه في وجود كتلة هائلة غير مرئية في عناقيد المجرات. اليوم نُطلق على هذا اسم المادة المظلمة ونحاول فهم مكوّناتها.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي للكون، ولا تُظهر نفسها إلا عبر الجاذبية. فيرا روبين، أثناء دراستها لدوران المجرات، اكتشفت أن النجوم في الأطراف تتحرك بسرعة كبيرة جدًا — وكأن كتلة غير مرئية تمسك بها. أصبح هذا دليلًا قويًا على وجود المادة المظلمة، لكن جسيماتها ما تزال تهرب من الكشف المباشر.

جسيمات المادة المظلمة — تلك المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولا تمتصه — قد تظهر خصائص تشبه العسل الأسود. في أحد النماذج النظرية، تتحرك هذه الجسيمات بحرية دون أن تتفاعل مع بعضها؛ وفي نموذج آخر، تتعرض لتصادمات ضعيفة تولّد نوعًا من اللزوجة.

عندما اكتشف إدوين هابل توسع الكون، واكتشفت فيرا روبين المادة المظلمة، بدا هيكل علم الكونيات متينًا. لكن تلسكوب جيمس ويب نظر إلى أعماق الزمن لدرجة أنه رأى مجرات ثقيلة الوزن حيث كان من المفترض، وفق الحسابات، ألا توجد سوى «شتلات».

بعد أن تنبأ بها فولفغانغ باولي وأطلق عليها إنريكو فيرمي اسمها، تُعد النيوترينوات جسيمات شبه مستعصية على الرصد. داخل النجوم العملاقة المحتضرة المعروفة بـالمستعرات العظمى وعند اندماج النجوم النيوترونية، تولد أعداد هائلة منها. لكل جسيم منها نكهة يمكن أن تتغير.

وصف العلماء نوعًا جديدًا من النجوم غير المرئية التي تتصرف كعدسة تتنفس. يتكون هذا النجم من جسيمات بوزونية فائقة الخفة (لم تُكتشف بعد). جاذبيته تسبب انحناء الزمكان — وهذه هي العدسة التي تتمدد وتنكمش بإيقاع، كأنها تتنفس. عندما يقع نجم حقيقي في البؤرة المتحركة لهذه العدسة، يتضخم ضوؤه بشدة — وينشأ توهج فوتومتري.

تخيل طريقًا سريعًا: تدفق السيارات المنتظم يتحول فجأة إلى ازدحام بسبب تباطؤات عشوائية — شخص ما خفف سرعته، وموجة الكثافة انتشرت للخلف. في الكون الفتي، كان التوسع العام بعد الانفجار العظيم يشبه تلك الحركة المنتظمة: المجرات كانت تتباعد خاضعة للتدفق هابل العالمي. لكن كل مجرة كانت أيضًا تقوم بمناورات خاصة بها — تتباطأ أو تتسارع تحت تأثير جاذبية جيرانها.

الثقب الأسود لا يمتص المادة فحسب، بل يعمل كدوامة كونية هائلة تحني نسيج الواقع نفسه وتجبر أشعة الضوء على الالتفاف حولها، مجمّعة إياها في بؤرة. يزداد التأثير قوة لدى الثقوب السوداء التي تدور بسرعة تقارب سرعة الضوء: فدورانها يلف الفضاء في لولب محكم.

عندما تُبرَّد سحابة من الذرات إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، يمكنها الدخول في حالة كمومية موحدة، حيث تتصرف كمجموعة منسقة. إذا وُلد في مثل هذه السحابة نيوترينو — وهو جسيم شبح لا يتفاعل تقريبًا مع المادة — فإنه عادةً ما يفلت دون أن يُلاحظ.

تشير بيانات مسح المجرات DESI إلى أن الطاقة المظلمة — المادة الغامضة التي تسبب تسارع توسع الكون — كانت في الماضي أقوى مما هي عليه اليوم. هذا السلوك «الشبحى»، حيث تزداد كثافة الطاقة بمرور الوقت، يهدد الكون بتمزق كبير — نهاية تتفكك فيها حتى الذرات تحت تأثير تنافر متزايد. لكن نموذج KMIX يفسر هذا على أنه وهم.

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.

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.

بعد الانفجار العظيم، كان الكون حارًا وكثيفًا. في كتل المادة المظلمة — وهي مادة غير مرئية لا نستشعرها إلا من خلال جاذبيتها — كانت جسيماتها تتصادم وتفنى، مولدةً إشعاعًا قويًا. هذه الحرارة الخفية، مثل موقد غير مرئي، كانت تسخن سحب الغاز من الداخل. اشتعلت نجوم مظلمة عملاقة — فضفاضة وممتدة، تتألق بأشد من مجرات كاملة.

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.

شمسنا الشمس هي أقوى مصدر طبيعي للنيوترينوات النيوترينو، وهي جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. أثناء مرورها عبر المادة الشمسية الكثيفة، تتعرض هذه الجسيمات لتذبذبات — تغير نوعها، أو كما يقول الفيزيائيون، «نكهتها» (نيوترينو إلكتروني، ميوني، تاو النيوترينو). تخيل صوتًا يمر عبر حشد من الناس: كلما كانت البيئة أكثر كثافة، كان تشوه الجرس الصوتي أقوى.

الكون يتمدد، وكل تجمع من المجرات يشارك في رقصة كونية هائلة. وتيرة هذه الرقصة يحددها ثابت هابل — وهو قيمة أساسية تصف سرعة التمدد. وقد قاسه لأول مرة إدوين هابل قبل نحو قرن من الزمان، لكن لا يزال من الصعب تحديد قيمته بدقة: فنحن بحاجة إلى «مسطرة» قادرة على العمل على مسافات تصل إلى مليارات السنين الضوئية.

رصد تلسكوب جيمس ويب في الكون المبكر 'نقاطاً حمراء' — أجراماً كثيفة بعرض عشرات السنوات الضوئية. أظهر التحليل الطيفي لضوئها أنه لون الهيدروجين. لكنها تكاد تكون غير مرئية في الأشعة السينية، وكأنها كشاف ضوئي قوي مُلفّع بستارة غازية متعددة الطبقات.

في الظلام البارد للفضاء بين النجوم، تنجرف ملايين الكواكب الخارجية المارقة — عوالم غير مرتبطة جاذبيًا بأي نجم. يكاد يكون اكتشافها مباشرة مستحيلًا: فهي لا تصدر ضوءًا خاصًا بها ولا تضيئها شمس أم. ومع ذلك، عندما يمر مثل هذا المتجول أمام نجم خلفي بعيد، فإن مجاله الجاذبي يحني مسار أشعة النجم، ليعمل كعدسة كونية.

في مطياف ضخم في كارلسروه، يشبه برميلًا معدنيًا عملاقًا، تُصطاد جسيمات يكاد يستحيل الإمساك بها. النيوترينوات هي أشباح العالم الصغير: في كل ثانية، تمر تريليونات من هذه الجسيمات عبر جسمك دون أن تشعر بها. لكن لها كتلة، ويسعى العلماء إلى قياسها. لتحقيق ذلك، تستخدم تجربة KATRIN غاز التريتيوم المشع. عندما تضمحل ذرته، ينبعث إلكترون ونيوترينو.

بدون الهيكل الخفي المصنوع من المادة المظلمة، لكانت المجرات قد تفككت بفعل قوى الطرد المركزي. ففي سبعينيات القرن الماضي، أثبت عالم الفلك فيرا روبين من خلال قياس سرعات دوران النجوم في المجرات أنها تتحرك وكأن كتلة هائلة غير مرئية، موزعة بعيدًا خارج القرص المرئي، تمسك بها. لكن دراسة جديدة تُظهر أن المادة المظلمة ليست مجرد ثقل جاذبي سلبي.

الكتلة تُحدث انحناءً في الزمكان، تمامًا كما يضغط حجر ثقيل على طريق إسفلتي. الضوء الذي يمر بالقرب من جسم ضخم يلتف حول هذه الانبعاج — منطقة الزمكان المنحني — فيطول مساره ويصل متأخرًا.

الشمس بجاذبيتها تخلق «كأسًا» غير مرئي، حيث لا تتناثر المادة المظلمة من نوع خاص — فائقة الخفة — بشكل عشوائي، بل تحتل درجات طاقة صارمة، مثل طبقات سائلة شفافة مختلفة الكثافة. هكذا ينشأ حول الشمس مطياف طبيعي، يفكك المادة غير المرئية إلى مستويات، تمامًا كما تشغل الإلكترونات في الذرة مدارات منفصلة.

ينتج عن اندماج الثقوب السوداء موجة ثقالية. أحيانًا يعترض طريق الموجة مجرة أو تكتل من المادة المظلمة، التي تنبأ بها زويكي واكتشفتها روبن. جسم ضخم، كمنحدر جبلي، يعكس الإشارة، وتصلنا أصداء — نسخ بتأخيرات مختلفة.

جدار المثانة ليس كالبالون المطاطي. فعندما يفرغ العضو، يتجعد سطحه مثل ورقة مكومة، ويكون التوتر مختلفًا من مكان لآخر. في السابق، لقياس ذلك، كانت توضع نقاط صغيرة ملونة على النسيج. لكن الصبغة بحد ذاتها تغيّر سلوك النسيج الحي — تمامًا كطبقة إضافية من الشريط اللاصق على بالون. الطريقة الجديدة تستغني عن الصبغة.

لطالما حيّرت المادة المظلمة العلماء — تلك المادة الغامضة التي لا تكشف عن نفسها إلا عبر الجاذبية — وقد درسها رواد علم الكونيات فريتز زفيكي وفيرا روبين. لفترة طويلة، صُوّرت على أنها إطار بارد وسلبي، لا يفعل شيئًا سوى شدّ المجرات معًا، مثل نحّات غير مرئي يمنح الشبكة الكونية شكلها.

في مركز العديد من المجرات يختبئ ثقب أسود — جسم تنبأت به حلول معادلات كارل شفارتسشيلد. حوله تمتد هالة محمّاة — منطقة من البلازما المتخلخلة المسخّنة إلى مليارات الدرجات. قياسًا على الهالة الشمسية، لكنها أكثر حرارة وكثافة بشكل لا يُقاس، وهي بمثابة مسرّع طبيعي للجسيمات.

من خلال تحليل العلامات اللونية — نسبة السطوع في نطاقات طيفية مختلفة في صور تلسكوب جيمس ويب الفضائي، حدد علماء الفلك مجرات ينقطع ضوءها فجأة في منطقة الأشعة فوق البنفسجية.

في المجرات-الأقمار الصغيرة، تدور النجوم على الأطراف أسرع مما تسمح به المادة المرئية. وكأن نمطاً يظهر على نسيج الفضاء دون خيوط كافية.

تسجل التلسكوبات الحديثة أن المجرات البعيدة تبتعد عنا بسرعة متزايدة. يُعزى سبب هذا التوسع المتسارع إلى الطاقة المظلمة، وهي مادة غامضة تخلق تنافرًا مضادًا للجاذبية، لكن طبيعتها ظلت لغزًا. علاوة على ذلك، فإن حسابات سرعة التمدد في الكون المبكر والمتأخر لا تتطابق، مما يشير إلى ثغرة في فهمنا. ربما يكمن الحل في حدث مشابه لسقوط قلم رصاص.