«المنحنيات الكونية» .. طريقة أدق لقياس تمدد الفضاء

ترجمة: أحمد شافعي -

هل سمعتم بالنجم الذي مات مرتين؟ في عام 2014، رأى علماء الفضاء انفجار نجم ريفسدال الضخم، ثم إنهم بعد ثلاثمائة وستين يومًا رأوه ينفجر من جديد.

ترجع تلك الواقعة الغريبة إلى ظاهرة تعرف بعدسة الجاذبية؛ إذ تقوم الأجسام الهائلة بليِّ نسيج الفضاء بدرجة تتسبب في انحناء الضوء. وقد تغيّر مسار الوميض الصادر عن النجم الضخم على هذا النحو في رحلته إلينا، فمضت أقسامه في مسارات مختلفة ووصلت في أوقات مختلفة، أو في وقتين مختلفين بلغ المدى بينهما قرابة عام في هذه الحالة القصوى.

ومثلما يتبيّن من هذه القصة، فظاهرة عدسة الجاذبية موجودة منذ بعض الوقت، ولكنها الآن توشك أن تستهل فصلًا جديدًا مبهرًا؛ إذ يعرف العلماء أن الضوء ليس وحده الذي يتعرض لهذه الظاهرة، وإنما موجات الجاذبية أيضا. وهذا مفهوم مربك للغاية؛ لأن تموجات الزمكان نفسها تتعرض للتشويه بسبب انحناء الفضاء. وهي أيضا ظاهرة في غاية الأهمية يمكن أن تكشف الأجزاء الداخلية السرية للنجوم النيوترونية، وتحل لغز قوة الطاقة المظلمة، وتختبر الجاذبية نفسها بشكل أكثر حدة من ذي قبل. وإليكم أفضل ما في الأمر، وهو أننا قد نكون على أعتاب رصد أول موجة جاذبية تمر بظاهرة التعدُّس.

ما من أحد يتوهّم أن هذا الأمر لن يكون بالغ الصعوبة. ومع ذلك، ثمة إحساس بأنه عاجلًا أم آجلًا سوف يحدث، وهناك حيل بوسعنا أن نستعملها لتسريع الاكتشاف. يقول سايمون بيرير من جامعة ستوني بروك في نيويورك: «إنه لأمر مثير، ولسوف يحدث. فمن المستحيل أن تكون هذه الموجات غير موجودة».

عندما نشخص بأبصارنا إلى الفضاء فإنه يبدو لنا أشبه بعدم فارغ. لكن العلماء -لأغراض دراسة الكون- يتصورونه زمكانًا، وهو أشبه بعض الشيء بنسيج متمدد. وتنبئنا نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين بأنه كلما ازداد جسم ضخامة، ازداد ليُّه لهذا النسيج الكوني الأساسي. والتغيرات المفاجئة الدراماتيكية في الكتلة ـ من قبيل ما يجري عند تصادم ثقوب سوداء ـ تجعل النسيج يتماوج، وذلك هو التأثير الذي نطلق عليه موجة الجاذبية.

وأول رصد مباشر لهذه الموجات كان عن طريق مرصد قياس تداخل موجات الجاذبية بالليزر (ليجو LIGO) في الولايات المتحدة في عام 2015. ويجري الراصدون عملهم السحري من خلال إطلاق شعاعي ليزر على طول ذراعين متعامدين، يبلغ طول كل منهما أربعة كيلومترات. ويستطيع الراصدون استشعار موجة الجاذبية العابرة؛ لأنها تحطم وتمدد الفضاء الذي تشغله الأذرع بكمية ضئيلة مبدلة المسافة التي تقطعها الحزم فيما يتعلق ببعضها البعض. وقد قوبل الرصد الأول باعتباره فتحًا هائلًا، وسرعان ما أعقبته جائزة نوبل.

ومنذ ذلك الحين، تم إنجاز قرابة تسعين رصدًا مؤكدًا في ثلاث حملات مراقبة. كل منها نشأ عن تصادم، أو اندماج، بين نجمين نيوترونيين، أو ثقبين أسودين، أو أحد هذين بأحد الآخرين. وتأتي في أعقاب بعض اندماجات النجوم النيوترونية انفجارات مرئية ذات سطوع هائل يطلق عليها الكيلونوفا. وقد تعلمنا من مراقبة موجات الجاذبية المتولدة عن الاندماجات الكثير عن الأجسام التي تحدثها، ومما تعلمناه توزيع أحجامها. بل لقد رصدنا ما يعرف بخلفية موجة الجاذبية، وهي عبارة عن طنين منخفض المستوى لمثل هذه التموجات التي تنبعث من الكون المبكر.

يجري مرصد ليجو الآن دورته الرابعة في الرصد، ويكملها مرصد إضافي في إيطاليا اسمه فيرجو، وآخر في اليابان اسمه مرصد كاميوكا لموجات الجاذبية. ونتوقع أن يتم اكتشاف مئات الاندماجات الإضافية في هذه الجولة التي تستمر حتى فبراير 2025. بل إن من المقرر افتتاح مرصد آخر هو (ليجو الهند) في وقت لاحق من العقد الحالي.

وباختصار نقول: إنَّ مشاهدات موجات الجاذبية تتحول إلى روتين.

لكن الروتين في حالتنا هذه هو نقيض الرتابة. فكلما كثر ما نشاهد من هذه الموجات، زادت فرصتنا في اصطياد الأنواع النادرة. وشأن علماء الطيور الذين يكمنون في صبر داخل مخابئهم، يشعر مراقبو موجات الجاذبية أنهم قد ينالون عما قريب نظرة إلى طائر نادر بحق.

من حيث المبدأ، تعمل موجة الجاذبية المعدَّسة بطريقة شديدة الشبه بشعاع الضوء المعدَّس. وينتج الاندماج مويجات في الزمكان تنتشر في كل اتجاه. ففي حال وجود جسم ما هائل الحجم من قبيل عنقود مجرات بين مصدر الموجات والأرض، فإنه يلوي المكان ويقوم بمقام العدسة. وقد يثني هذا بعض الموجات المنتقلة تقريبًا باتجاه الأرض، فيجعلها تتركز علينا. وفي حالة الضوء يمكن أن يؤدي هذا إلى صور مشوهة أو متكررة. ونادرًا ما يشكل «حلقة أينشتاين» حيث تكون الصورة الناتجة عبارة عن دائرة وهو ما يحدث عند الاصطفاف التام للمصدر وللجسم المعدّس وللمراقب.

وينطبق مثل هذا في حالة موجات الجاذبية، فقد تتعرض الموجة للتشويه، أو التضخيم، أو حتى التكرار على طريقة الصدى. «وهذا أمر بالغ القوة بالنسبة للعلم الذي يمكننا القيام به» بحسب ما يقول يقول جراهام سميث من جامعة برمنجهام بالمملكة المتحدة.

الانتظار

بأي وتيرة لنا أن نتوقع اكتشاف هذه الأصداء الغريبة؟ في عام 2023، حسب سميث وزملاؤه الأرقام وقدَّروا أننا في أفضل الحالات يمكن أن نتوقع أن تتعرض واحدة من كل ألف موجة جاذبية مكتشفة للتعدُّس. وفي ضوء توقعنا أن نرى مئات في هذه الدورة الحالية من المراقبة، فبوسعنا لو حالفنا الحظ أن نرى واحدة في أي لحظة. وفي اجتماع علمي أقيم أخيرًا لمناقشة هذا، أجمع الحاضرون على أننا سوف نرى موجات جاذبية معدسة خلال سنوات قلائل. تقول تيسا بيكر من جامعة بورتسماوث في الملكة المتحدة: «لعلكم تحتاجون إلى مئات قليلة من أحداث موجات الجاذبية قبل أن ترجح مشاهدة موجة معدَّسة، وهذا هو الميدان الذي نلجه الآن».

ستكون لحظة عظيمة. يجدر بمشاهدة موجات الجاذبية المعدّسة أن تفتح ما لا يقل عن ثلاثة مسارات جديدة في العلم. الأول يتعلق بقياس سرعة الجاذبية.

وفقًا لنظرية النسبية العامة، يجب أن تنتقل موجات الجاذبية بسرعة الضوء. ومن شأن مراقبة موجات معدسة أن تمكّننا من التحقق من هذا بدقة غير مسبوقة. وعلماء الفيزياء يسعون إلى مفاتيح قد تفضي إلى نظرية كمية للجاذبية، وقد تشير الانحرافات عن النسبية العامة إلى الطريق.

كما أن مقدار تشوه موجات إشارات موجات الجاذبية الواردة يمكن أن يوفر لنا معلومات أساسية حول المادة المظلمة، وهي المادة المجهولة التي يعتقد أنها تشكل ما يصل إلى 85% من خامة الكون. ومن شأن كل عنقود مَجَرِيٍّ حائل أن يحتوي كميات كبيرة من المادة المظلمة، قد تكون على شكل كتل من كتلة الكواكب حسبما يقول بيير، مضيفا إنه «بالاعتماد على كيفية تشكُّل المادة المظلمة، سوف تكون بصمتها على هذه الأشكال الموجية»، وهو ما سوف يساعدنا على التفرقة بين الافتراضات المختلفة المتعلقة بماهية المادة المظلمة وكيفية سلوكها.

والأكثر إثارة هو أن أنواعًا معينةً من موجات الجاذبية المعدسة قد تساعد في حل مشكلة ملحة في علم الكونيات تعرف بـ(توتُّر هابل). فنحن نعلم أن الكون يتمدد بوتيرة متزايدة، بدافع من قوة غامضة يطلق عليها الطاقة المظلمة. يمكن أن يقيس علماء الفضاء هذا المعدل، المعروف بـ(ثابت هابل)، بإحدى طريقتين. واحدة تتعلق بتحليل التقلبات الهائلة في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي الذي يخترق الكون. والأخرى تنظر إلى انفجارات النجوم الهائلة القريبة منا نسبيا. غير أن هاتين الطريقتين تعطيان قيمًا متعارضة لمعدل التمدد، فهي قرابة ثلاثة وسبعين كيلومترًا في الثانية الواحدة لكل ميجابارسيك (والميجابارسيك تقدر بقرابة ثلاثة ملايين سنة ضوئية) في الكون المحلي، ولكنها تبلغ سبعة وستين كم/ثانية/ميجابارسيك على مقاييس أكبر.

ومن شأن مراقبة موجة الجاذبية المعدّسة أن تعطينا طريقة أخرى لقياس المسافة الكونية، ومن ثم قياسا مستقلا ثالثا لثابت هابل يكون الشك فيه أقل كثيرًا من الطرق الأخرى. تقول تيسا بيكر: «إننا نعرف أن نموذجنا الكوني المعياري الراهن مكسور بعض الشيء. فإما أن شيئًا ما أخطأت نمذجته أو أن هناك فيزياء جديدة». وليس من شأن مراقبة موجة الجاذبية المعدسة أن تحل توتر هابل بين عشية وضحاها، لكن من شأنها أن «تضيف قياسًا تكميليًا» يعيننا على المضي نحو حل.

وهذا خبر جيد. أما الخبر السيء فهو أن تحديد موجة الجاذبية المعدسة بالاعتماد فقط على إشارة من مرصد ليجو سوف تنطوي على مغالاة كبيرة. فالبحوث عن واحدة في كتالوج الرصد السابق لدى المرصد لم ينته إلى شيء حتى الآن.

عندما ينثني الضوء حول عدسة جاذبية يكون الأثر الناتج واضحًا.

فقد ظهر نجم ريفسدال الهائل حرفيًا ـ وهو يحمل اسم الفلكي النرويجي سجور ريفسدال ـ في السماء مرتين. فليس هذا بالشيء الذي يمكن أن يفلته الفلكيون. أما موجة الجاذبية المعدسة فستكون أدق كثيرًا بالمقارنة. الإشارات المرصودة من مرصد ليجو هي «زقزقات» أي موجة تزداد سعتها بشدة ثم تصغر. والتعديس قد يؤثر عليها بطرق قليلة.

أولا، يمكن أن تزيد العدسة من سعة الموجة أو قوتها. المشكلة هي أن ذلك لن يكون نهائيًا، فما من طريقة مؤكدة للتمييز بين موجة الجاذبية المعدّسة والموجة الناجمة عن اندماج أكبر أو أقرب. يقول أوتو هانوكسيلا من الجامعة الصينية في هنج كونج: إن «هناك بالقطع سيناريوهات يحدث فيها تعدس موجة جاذبية، لكن النتيجة لا تكون حاسمة».

غير أنه قد يكون هناك حل بديل. فبوسعنا أن نستنتج من إشارات مرصد ليجو كتلة الجسمين المندمجين اللذين ينتجان موجة الجاذبية المرئية. وبناء على حالات الرصد المؤكدة حتى الآن من مرصد ليجو، فإننا نعتقد بوجود «فجوة كتلة» بين أثقل النجوم النيوترونية، وتبلغ كتلتها 2.2 مثل كتلة الشمس، وأخف الثقوب السوداء، التي تقترب من خمسة أمثال الكتلة الشمسية. إذا رأينا اندماجا مع أجسام سالفة يبدو أنها موجودة في هذه الفجوة الكتلية، فلعلنا ننظر حينئذ إلى حدث اندماج نجم نيوتروني ضخَّمته العدسات ليبدو أكبر مما هو في الحقيقة. تقول أنوبريتا مور من مركز الفلك والفيزياء الفلكية في الهند إنه «سيتم تعزيز بعضها [عن طريق التعديس] ويقع في هذه الفجوة الكتلية».

الطريقة الثانية التي قد يؤثر بها التعديس على موجات الجاذبية هي تشويهها بطرق يصعب التنبؤ بها. لكن الطريقة الثالثة تعد بما هو أكثر. ففي حالات خاصة، قد تتكرر الموجة. وفي هذه الحالة، يمكننا الحصول على زقزقتين شبه متطابقتين تصل إحداهما بعد الأخرى، ويعتمد التأخير على كتلة العدسة. وسوف يمثل هذا أكثر كثيرا من دليل. غير أن اكتشاف أي من هذه سوف يعتمد على معالجة الإشارات المعقدة وتفسيرها. ولذلك فإن لدى صيادي صدى الجاذبية فرصة أخرى. لتوفير أدلة راسخة على عدسة الجاذبية يكون المثالي لعلماء الفلك هو أن يعثروا على العدسة نفسها ـ وغالبا ما تكون عنقودا مجريا ـ ويبينون أنه مصطف مع المصدر من زاوية الأرض. لكن أجهزة الاستكشاف لا تستطيع إلا أن تضيق أصل تموجات الزمكان لمنطقة واسعة بعض الشيء من السماء. ولذلك فإنها تسعى إلى نيل بعض المساعدة من تلسكوب جديد.

تتمثل الخطة في محاولة رؤية انفجار كيلونوفا مرئي ينبعث من اندماج ينتج مويجات. وهذا يصل إلى الأرض دائمًا في غضون يوم من موجة الجاذبية. وهو وقت قصير للغاية يجعل إجراء مسح للسماء للعثور عليه أمرًا بالغ الصعوبة. لكن مرصد فيرا سي روبين في قمة سيرو باشون في شيلي أحد أكثر تلسكوبات العالم تطورًا. ومن المقرر أن يعمل ابتداء بعام 2025 وسوف يستعمل مرآته التي تبلغ 8.4 متر عرضًا وكاميرا رقمية هائلة لالتقاط صور سريعة للسماء كاملة.

اقتناص البارق

هدف روبين الأساسي هو إجراء مسحن أكثر تفصيلية لسماء الليل. على مدى عشر سنوات، ومن المتوقع أن يقوم بتصوير أكثر من أربعين مليار جسم كوني. لكن في مارس، التقى سميث بفريق روبين لمناقشة ما إذا كان بوسع التلسكوب أن يستريح بين الحين والآخر من المسح، ويحاول العثور على نظير مرئي لإشارة موجة جاذبية معدسة. وتحرص فيديريكا بيانكو من جامعة ديلاوير، وهي نائبة رئيس مشروع روبين، على الفكرة وتستكشفها بنشاط مع سميث.

وفي حال رؤية سميث وزملائه أو عند رؤيتهم لما يشبه احتمالًا موجة جاذبية معدسة، فإنهم يخططون لإشعار تليسكوب روبين. وسوف يمسح السماء للعثور على البارق المماثل، ثم يرسل الإحداثيات للمراصد الفضائية، ومنها تليسكوب جيمس ويب الفضائي القوي الذي يستطيع حينئذ أن يشاهد التفاصيل. وذلك برجاء أن تجري أتمتة العملية برمتها برقصة التلسكوبات مليارية الدولارات التي لا تدوم إلا لدقائق معدودة.

من شأن عمل هذا كله أن يساعد في تحديد العدسة نفسها، وتأكيد أن موجة الجاذبية المعدسة حقيقة. ولكنه سوف يكون حاسمًا أيضا في فتح بعض الاحتمالات العلمية من جراء هذا الاستكشاف. فعلى سبيل المثال، قياس سرعة موجات الجاذبية لن يتسنى إلا إذا استطعنا تحديد مصدر تلك الموجات باستعمال روبين. ومن بعد ذلك سيفتح المجال للمزيد من العلم.

لم نر من قبل إلا كيلونوفا واحدًا مؤكدًا. حدث ذلك في أغسطس 2017، عندما التقط ليجو موجة جاذبية تعرف بـ (جي دبليو 170817) وتمكن علماء الفلك من العثور على انفجار مرئي أعقبها بعد إحدى عشرة ساعة. تقول مور: إن «هذا الاكتشاف الأول أكد أن أصل الكيلونوفا يمكن أن يكون هو هذه النجوم النيوترونية الثنائية».

من أسباب أهمية دراسة الكيلونوفا أن هذه الانفجارات قد تكون الأحداث الوحيدة التي تبلغ من القوة ما يكفي لإيجاد نصف عناصر الجدول الدوري الأثقل من الحديد. كان كيلونوفا عام 2017 هو المرة الأولى والوحيدة التي رأينا فيها صنع هذه العناصر، وبتحليل الضوء المنبعث تبينت لنا بصمات كل عنصر.

ولكننا لم نلتقط إلا الطرف النهائي من الانفجار. والحلم الذي يراود سميث وزملاءه هو أن تعطينا موجة جاذبية معدسة إنذارًا مبكرًا بكيلونوفا، فيتسنى لنا حينئذ أن نشاهد من البداية إلى النهاية بالتليسكوبات. وبوسع ذلك أن يرسم صورة كاملة لتركيب العناصر فيحتمل أن يجيب أسئلة مهمة لدينا عن كيفية عملها، ومنها ما لو أن الكيلونوفا ينتج ما يكفي من العناصر الثقيلة بحيث يكون هو المسؤول عن الكميات التي نراها في الكون أم أنه لا بد من وجود مصدر آخر.

من الممكن أن تحوي نفس الإشارة المرئية إجابات لأسئلة أساسية عن كيفية سلوك المادة النووية في الحالات القصوى. فالنجم النيوتروني ـ بحسب ما يوحي اسمه ـ عبارة عن نقطة تتكون بشكل حصري تقريبا من النيوترونات المضغوطة إلى مستوى لا يصدق من الضغط. وفي مواضع أخرى تندرج النيوترونات عادة في ذرات، ولدى الفيزيائيين افتراضات لوصف كيفية سلوكها، ولكن من المستحيل في العادة أن نختبرها بعيدا عن الضغوط الذرية والترتيبات المعيارية.

النجوم النيوترونية هي المكان الوحيد الذي يمكن أن يدفع إلى ما وراء هذا. ومرة أخرى، قد تبين لنا دراسة بارق الكيلونوفا كيفية تصرف النجوم النيوترونية عند تصادمها، وبامتداد ذلك تنبئنا بما بداخلها من نيوترونات. يقول مات نيكول من جامعة كوينز بلفاست في المملكة المتحدة: «إنها تقريبا المكان الوحيد في الكون الذي يتسنى فيه ذلك، ومن هنا أهمية الأمر».

ومن أجل رؤية الكيلونوفا المعدس وموجات الجاذبية المعدسة من نفس الاندماج فإن ذلك يقتضي عمل كل من ليجو وروبين بالتزامن، وهو ما قد لا يحدث خلال سنوات قليلة. يقول سميث: «إننا سوف ننتظر حتى ما بين 2027 و2028». ومع ذلك، فثمة دائما احتمال بأننا قد نرى لمحات من موجة جاذبية معدسة قبل ذلك في بيانات ليجو. في حال حدوث ذلك، وإن يكن الاكتشاف غامضا، فسوف تكون لحظة مثيرة لاكتشاف علمي محتمل. ولذلك ـ كما يقول سميث ـ «علينا أن نكون متأهبين».