علم الكون astro-ph.CO

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، مرّ الكون بتوسع سريع: التضخم. ولكن ربما كان ينكمش قبل ذلك ثم ارتدّ. يترك كلا السيناريوهين بصمة شبه متطابقة في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، ويظل علماء الكونيات يتجادلون لعقود حول أيهما صحيح.

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.

تلسكوبان ينظران إلى الكون نفسه ويريان سرعتين مختلفتين. القياسات المحلية من المستعرات العظمى تعطي 73.04 ± 1.04 كم/ث/م.فخ، بينما بيانات إشعاع الخلفية الكونية في النموذج القياسي تتنبأ بـ 67.36 ± 0.54. الفارق البالغ 5.7σ لا يبدو صدفة — إنه توتر هابل، صدع في أساس علم الكونيات.

في الغرفة المظلمة للكون المبكر، اشتعلت أول شرارة. بعد بضع مئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، عندما كان الكون مليئًا بالهيدروجين والهيليوم فقط، وُلدت نجوم المجموعة الثالثة — عمالقة بلا معادن، كان ضوءها أول من مزق الظلام البدائي.

في أبريل 2023، التقطت كاشفات LIGO وVirgo وKAGRA موجة ثقالية من اندماج ثقبين أسودين. الكتلتان، 137 و103 كتلة شمسية، جعلتا الحدث GW231123 الأكثر ضخامة في تاريخ الملاحظات. كلا الثقبين يقعان في "فجوة عدم الاستقرار الزوجي"، وهو النطاق الذي لا يجب أن يترك فيه التطور النجمي العادي ثقوبًا سوداء. دوران المكونين، 0.90 و0.80، مرتفع أيضًا بشكل شاذ لمثل هذين العملاقين.

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.

في المختبرات على الأرض، يُنتَج تكاثف بوز-أينشتاين بتبريد سحابة من الذرات إلى أجزاء من المليار من الكلفن. تفقد الذرات فرديتها وتندمج في موجة كمومية واحدة تتصرف ككل واحد. لكن في الفضاء، ليست هناك حاجة لمثل هذه الظروف: فالجاذبية نفسها تحفر آبارًا عميقة تنضغط فيها المادة وتبرد إلى حالة من الضباب الكمومي. يتكاثف هذا الضباب في أماكن مختلفة تمامًا.

كان الكون بعد الانفجار العظيم متجانسًا تقريبًا بشكل مثالي. "تقريبًا" لأن الاضطرابات الصغيرة في الكثافة، التي مدّدها التضخم الكوني، أصبحت بذورًا للمجرات. ولكن ماذا لو كانت هذه الاضطرابات نفسها قادرة على توليد ليس فقط النجوم، بل أيضًا الثقوب السوداء؟ ليس الثقوب العادية، بل البدائية، وهي أجسام نشأت في اللحظات الأولى عندما كان الكون حارًا وكثيفًا.

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.

رصد مقياس الراديو ARCADE2 على منطاد على ارتفاع عالٍ إشعاعًا راديويًا زائدًا، بينما سجلت التجربة الأرضية EDGES انخفاضًا عميقًا بشكل شاذ في طيف الهيدروجين عند 21 سم. كلتا الإشارتين لا تتناسبان مع النموذج الكوني القياسي وتشيران إلى مصدر غير معروف للفوتونات الناعمة.

ثقبان أسودان يدوران في رقصة متقاربة، وحولهما يولد شيء مذهل: جزيء ثقالي. سحابة من البوزونات فائقة الخفة، وهي جسيمات كتلتها أقل من إلكترون فولت، تغلف الزوج مثل سحابة إلكترونية في أيون H2+. لكن الدور الذي تلعبه النوى هنا تلعبه الثقوب السوداء، والدور الذي يلعبه الإلكترون يلعبه حقل موزع على عشرات الكيلومترات.

يعيش المجتمع الكوني منذ عدة سنوات في حالة من الحرب الأهلية الهادئة. معسكران يقيسان معدل تمدد الكون ويحصلان على إجابات مختلفة. بلانك، وهو يحدق في الإشعاع الأثري، يقول: 67.4 كم/ث/م.ف.ق. أما SH0ES، وهو يتسلق سُلَّم المسافات من القيفاويات إلى المستعرات العظمى، فيصر على: 73.2. الفجوة البالغة 5.8 سيغما لا تبدو صدفة.

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.

في أعماق المبرد، تحت طبقات الملفات فائقة التوصيل، توجد كومة من مئات الطبقات شبه الموصلة. يبلغ سمك كل طبقة بضعة نانومترات: زرنيخيد الغاليوم، ثم زرنيخيد الألومنيوم والغاليوم. الإلكترونات داخل هذه الطبقات محاصرة في مستوى، مثل النمل على ورقة. عندما يصل المجال المغناطيسي إلى 36 تسلا، تبدأ الكومة في التصرف مثل مستقبل راديو مضبوط على تردد لا يسمعه أي كاشف عادي.

ندفة الثلج، وهي تتساقط من السحابة، تختار بين الشكل الأيسر والأيمن. الفرق بينهما يكاد لا يُحَس، مثل نَفَس الهواء، لكنه هو الذي يقرر أي نمط سينمو. في عالم الجسيمات الأولية، يُحدث هذا النَّفَس التفاعل الضعيف، وهو القوة الوحيدة من بين القوى الأساسية الأربع التي تكسر التناظر المرآتي.

قبل مئة عام، كانت المراصد المغناطيسية تسجل فقط التنفس البطيء لنواة الأرض. اليوم، تتحول بياناتها إلى أرض صيد لفيزياء الجسيمات. في مرصد إسكداليمور شمال إنجلترا، تُسجل تذبذبات المجال المغناطيسي كل جزء من مئة من الثانية. عشر سنوات من هذه التسجيلات، أي 9909 مقطعاً مدة كل منها ثماني ساعات، أصبحت فخاً لشبح: الفوتون المظلم.

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.

عملت ثلاثة فروع من الفيزياء — علم الكون وفيزياء الجسيمات والفيزياء النووية — لقرون كشواطئ منعزلة. على أحدها، يفك العلماء أسرار التجمعات النجمية ونشأة الكون، وعلى الآخر يختبرون القواعد الأساسية للعالم الميكروي، وعلى الثالث يدرسون نواة الذرة. لكل منها لغته وأساليبه.

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.

انفجارات أشعة غاما هي أقوى الانفجارات في الكون: ينكمش نجم محتضر إلى ثقب أسود، ويطلق تيارات هائلة من الطاقة. وغالبًا ما يحدث ذلك بعد انفجار مستعر أعظم. لكن علماء الفلك رصدوا إيقاعًا غريبًا — في إشعاع 34 من هذه الانفجارات، ظهرت نبضات واضحة، مثل دقات قلب كوني.

يستخدم علماء الفلك المستعرات العظمى من النوع Ia — وهي انفجارات نووية حرارية للأقزام البيضاء — بوصفها «شموعًا قياسية»: فقد اعتُبر لمعانها الأقصى ثابتًا في جميع أنحاء الكون لفترة طويلة.

كان الكون المبكر بعيدًا عن الكمال: بعض مناطق تتمدد أسرع من غيرها، مما يخلق تجاعيد وانحرافات في نسيج الزمكان. لكن الارتداد الكمومي — الانتقال من الانكماش إلى التمدد، الناتج عن قوانين العالم الصغير — يصلح كل شيء.

الكون أشبه بطريق سريع هائل، تتحرك فيه المجرات كسيارات تتباعد بسرعة متزايدة. وتعود مسؤولية دواسة الوقود إلى الطاقة المظلمة. في عام 1998، اكتشف سول بيرلموتر وبريان شميدت وآدم ريس هذا التسارع من خلال المستعرات العظمى، لكنهم ظنوا أن الدواسة مضغوطة بثبات.

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.

الكون مليء بكتلة غير مرئية - المادة المظلمة - والتي لا تظهر إلا من خلال الثقالة. تفترض إحدى الفرضيات أن المادة المظلمة تتكون من ثقوب سوداء بدائية - أجسام تشكلت في ظروف قصوى مباشرة بعد الانفجار العظيم. قد تبلغ كتلة هذه الثقوب السوداء كتلة كويكب، ويكون حجمها أصغر من نواة الذرة.

التقط تلسكوب جيمس ويب آلاف الأطياف لمجرات بعيدة — بصمات ضوئية لألوانها. ولكي لا يغرق الفلكيون في هذا التنوع، أسندوا إلى برنامج مهمة فرز هذه الاكتشافات. لكنه تصرّف كعالم طبيعة على شاطئ مجهول: دون معرفة مسبقة بالأنواع التي قد يصادفها، قام بتصنيف الأجسام حسب تشابهها الظاهري. بدلًا من الأصداف، كانت الأنماط الطيفية.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، ربما تشكلت في الكون أجسام لا تشبه النجوم المألوفة لدينا — نجوم مظلمة. كان الاختلاف الرئيسي بينها وبين النجوم العادية مثل الشمس يكمن في مصدر الطاقة: فبدلاً من الاندماج النووي الحراري، كانت تتغذى على إفناء جسيمات المادة المظلمة — وهي مادة افتراضية لا تصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، لكنها تظهر من خلال…

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».

ومضات الراديو السريعة هي ومضات كونية ساطعة، تشبه إشارة البداية التي تطلق سباقًا لموجات الراديو عبر الكون. استخدمها علماء الفلك كمختبر طبيعي لاختبار ما إذا كان الفوتون — كمية الضوء والجسيم الحامل للتفاعل الكهرومغناطيسي — يمتلك كتلة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون بلازما حارة، وُجدت فيها ثقوب سوداء بدائية — أجسام كتلتها مماثلة لكتلة جبل، مضغوطة إلى حجم ذرة. وفقًا لتنبؤ ستيفن هوكينغ، فإن هذه الثقوب السوداء تتبخر ببطء، باعثة إشعاع هوكينغ — تيارًا من الجسيمات يشبه الإشعاع الحراري الصادر عن فرن صغير.

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.

المادة المظلمة هي الهيكل الخفي للكون، الذي كشفت عن وجوده دوامات المجرات منذ زمن فريتز زفيكي وفيرا روبين. وظل تكوينها لغزاً طيلة نصف قرن. ترسم الفرضية الجديدة صورة غير مألوفة.

في ثلاثينيات القرن العشرين، لاحظ فريتز زفيكي أثناء مراقبته لعنقود الهلبة (كوما) سرعات عالية بشكل غير طبيعي للمجرات: حركتها أشارت إلى وجود كتلة خفية هائلة تربط النظام بفعل الجاذبية.

يعيش كوننا في حالة الفراغ الزائف — وهي بنية ميتامستقرة للحقل، تشبه الماء المحتجز خلف سد. خلف هذا الحاجز يكمن الفراغ الحقيقي — هاوية بقوانين فيزيائية مختلفة. في الظروف العادية، لا يمكن الانتقال إلا عبر النفق الكمي: يتسرب الماء في خيط رفيع عبر المسام، لكن على المستوى الكلي يكاد لا يُلاحظ.

في عالمنا المألوف، هناك ثلاثة أبعاد مكانية. ومع ذلك، تسمح الفيزياء النظرية بوجود اتجاهات إضافية مخفية عن الملاحظة المباشرة — أبعاد مدمجة (compactified)، أي مطوية إلى أحجام مجهرية.

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.