”

عندما يتعلق الأمر بالكون، فإن ما يمكنك رؤيته بسهولة لا يعكس دائمًا كل ما هو موجود. هذا أحد الأسباب المهمة التي تجعل النظريات والملاحظات/القياسات يجب أن تسير جنبًا إلى جنب: تخبرك الملاحظات بما هو موجود بأفضل ما لدينا من قدرات قياس، وتسمح لنا النظرية بمقارنة ما نتوقعه حدوثه مقابل ما يُرى بالفعل. عندما تتطابق، يكون ذلك بشكل عام مؤشرًا على أن لدينا فهمًا جيدًا لما يحدث بالفعل. ولكن عندما لا تتطابق، فهذه علامة على حدوث أحد أمرين:

• إما أن القواعد النظرية التي نطبقها ليست صحيحة تمامًا لهذا الموقف،
• أو أن هناك مكونات إضافية هناك لم تكشف عنها ملاحظاتنا مباشرة.

تشير العديد من أبرز أوجه عدم التطابق في الكون – بين ما نلاحظه وما كنا نتوقعه بناءً على ما نراه فقط – إلى مكونين إضافيين: المادة المظلمة والطاقة المظلمة. لكن هاتين الظاهرتين غير المترابطتين ظاهرياً تتشابهان في شيء مقلق للغاية: لم يتم اكتشافهما إلا بشكل غير مباشر، من خلال آثارهما على الهياكل المرئية في كوننا، لكن لم يتم اكتشافهما قط مباشرة في بيئة مختبرية. وهذا ما يدفع المرء إلى التساؤل: هل هذان الجانبان المظلمان من كوننا، المادة المظلمة والطاقة المظلمة، مرتبطان ببعضهما البعض؟ وهل يمكن دمجهما، بحيث يكونا مجرد وجهين لعملة واحدة؟ على الرغم من أن علماء الكونيات لا يقومون عادةً بدمجهما معاً، إلا أن هذا ليس مستحيلاً. إليك ما تشير إليه (وما لا تشير إليه) العلوم.

يُظهر هذا المقطع المُسجَّل عبر الزمن لنجم قريب من مركز مجرتنا، والذي امتد لعشرين عاماً، بيانات من المرصد الأوروبي الجنوبي (ESO)، نُشِرَ في عام 2018. لاحظ كيف تزداد دقة وحساسية الميزات وتتحسن نحو النهاية، وكيف تدور جميع النجوم المركزية حول نقطة غير مرئية: الثقب الأسود المركزي لمجرتنا، بما يتوافق مع تنبؤات نظرية النسبية العامة لأينشتاين.

هناك جميع أنواع الألغاز التي يمكن التمعن فيها في الكون، ولكن على نطاقات كونية واسعة، كل واحد منها له طبيعة جاذبية. تكمن المشكلة في هذا: نعتقد أننا نعرف ما هي نظريتنا في الجاذبية، حيث إن نظرية النسبية العامة لأينشتاين تستمر في اجتياز الاختبار تلو الآخر تلو الآخر. بغض النظر عن الظاهرة التي نلقي بها، فإن ما تتنبأ به هذه النظرية غير البديهية يتطابق بشكل رائع مع ما نلاحظه.

نرى انحناء الضوء الكتلي بالكمية الدقيقة التي تنبأ بها نظرية أينشتاين: من ضوء النجوم المنحني بواسطة الشمس في نظامنا الشمسي إلى مجرات هائلة، وكوازارات، وعناقيد مجرات تعمل على عدسة جاذبية للضوء الخلفي.

نرى موجات الجاذبية بالتردد والسعة الدقيقين اللذين تنبأ بهما نظرية أينشتاين لاندماج الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية المتداخلة.

قائمة نجاحات أينشتاين طويلة، من الانزياحات الحمراء الجاذبية إلى تأثير لينز-ثيرينج إلى تقدم الثقوب السوداء في مدارات ثنائية إلى تمدد الزمن الجذبوي وأكثر من ذلك بكثير. كل اختبار توصلنا إلى إجرائه على النسبية العامة، من التجارب هنا على الأرض إلى الملاحظات داخل نظامنا الشمسي إلى وصول الإشارات من مليارات السنين الضوئية، كلها تشير إلى صحتها في ظل كل الظروف المعروفة.

في هذه الصورة، تظهر العديد من سمات العدسة القوية نتيجة لمجموعة ضخمة من المجرات في المركز. تُثنى أشعة المجرات الخلفية وتمتد وتتشوه بطرق أخرى لتشكل حلقات وأقواس، حيث يتم تكبيرها بواسطة العدسة أيضًا. يُعد نظام العدسة الثقالية هذا معقدًا، ولكنه غني بالمعلومات لفهم المزيد عن نظرية النسبية لأينشتاين قيد التنفيذ.

عندما نأخذ نظريتنا في الجاذبية ونطبقها على الكون بأكمله، نحصل على مجموعة من المعادلات التي تكشف عن علاقة مهمة جدًا. فهي تخبرنا بأنه إذا كنت تعرف مما يتكون كونك، فإن نظرية النسبية العامة يمكنها أن تتنبأ لك بكيفية سلوك كونك وتطوره. يمكنك حرفيًا أن تصنع كونك من أي شيء يمكنك تخيله، بما في ذلك المكونات العادية مثل المادة العادية والإشعاع والنيوترينوات، والتي تتكون من جسيمات موجودة في النموذج القياسي، بالإضافة إلى أي شيء آخر مثل الثقوب السوداء، والموجات الثقالية، أو حتى الكيانات النظرية مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة.

تؤثر هذه المكونات المختلفة على الكون بطرق مختلفة، ومن السهل نسبياً فهم السبب. كل ما عليك فعله هو تخيّل الكون كما كان منذ زمن بعيد، عندما كان أصغر حجماً، وأكثر سخونة، وأكثر كثافة، وأكثر تجانساً، وتخيّل كيف سيتطور مع مرور الوقت. مع تقدم الزمن، سيتمدد الكون، لكن أنواع الطاقة المختلفة ستتصرف بشكل مختلف عن بعضها البعض أثناء حدوث ذلك.

يمثل هذا المقتطف من محاكاة لتكوين البنية، مع حذف توسع الكون، مليارات السنين من النمو الجاذبي في كون غني بالمادة المظلمة. مع مرور الوقت، تتزايد الكتل الأكثر كثافة من المادة وتصبح أكثر ضخامة، لتصبح مجرات، ومجموعات، وعناقيد من المجرات، بينما المناطق الأقل كثافة من المتوسط تتخلى تفضيلياً عن مادتها إلى المناطق الأكثر كثافة المحيطة بها. تستمر مناطق “الفراغ” بين الهياكل المرتبطة بالتمدد، لكن الهياكل نفسها لا تتمدد.

فالمادة العادية، على سبيل المثال، ستصبح أكثر تخفيفًا مع توسع الكون: حيث يبقى عدد جسيمات المادة كما هو، ولكن الحجم الذي تشغله يزداد، وبالتالي تنخفض كثافتها. ومع ذلك، فإنها ستجذب أيضًا بالجاذبية، مما يعني أن مناطق الفضاء التي تتمتع بكثافات أعلى من المتوسط ​​سوف تجذب بشكل تفضيلي المزيد من المادة المحيطة بها أكثر من غيرها، بينما تميل المناطق التي تتمتع بكثافة أقل من المتوسط ​​إلى التخلي عن مادتها للمناطق المحيطة. مع مرور الوقت، لا يصبح الكون أكثر تخفيفًا فحسب، بل يبدأ في نمو هياكل كثيفة أولاً على نطاقات صغيرة، ثم على نطاقات أكبر مع مرور الوقت.

من ناحية أخرى، لا يقلّ إشعاع الخلفية الكونية فقط تركيزه، بل يفقد أيضًا طاقته مع اتّساع الكون. وذلك لأنّ عدد الفوتونات، شأنه في ذلك شأن عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، ثابت أيضًا، لذا فمع ازدياد الحجم، تنخفض الكثافة العددية. لكنّ طاقة كل فوتون على حدة، كما هو محدّد بطول موجته، ستنخفض أيضًا مع اتّساع الكون؛ فمع تمدّد المسافة بين أي نقطتين، يتمدّد طول موجة الفوتون الذي يسافر عبر الكون، مما يجعله يفقد طاقته.

يُظهر هذا الرسوم المتحركة المُبسّطة كيف يُحمرّ الضوء وكيف تتغيّر المسافات بين الأجسام غير المرتبطة بمرور الوقت في الكون المُتمدد. لاحظ أن الأجسام تبدأ أقرب من المدة التي يستغرقها الضوء للسفر بينها، ويُحمرّ الضوء بسبب تمدد الفضاء، وتنتهي المجرتان على مسافة أبعد بكثير من المسار الذي قطعه الفوتون المُتبادل بينهما.

عندما ننظر إلى المجرات في الكون، ومجموعات، وعناقيد المجرات، وحتى الشبكة الكونية الضخمة الهائلة التي تشكلت على مدى مليارات السنين، يمكننا فحص ما يلي:

• خصائصها الداخلية، مثل سرعة حركة النجوم والغاز والمكونات الأخرى بداخلها كدالة على المسافة من المركز،
• خصائص تكتلها، مثل احتمالية وجود مجرة أخرى على مسافة معينة من أي مجرة معينة،
• كتلتها، كما هو مستنتج من التأثيرات الجاذبية التي تسببها، مثل العدسة،
• ومكان (وكمية) المادة العادية التي تتكون منها هذه الأجسام، بما في ذلك الغاز، والغبار، والنجوم، والبلازما، وأكثر من ذلك.

عندما نفعل ذلك، نجد أن المادة التي نلاحظها – كل المادة العادية، والإشعاع، وكل جسيم آخر من النموذج القياسي الذي ينبغي أن يوجد في الكون – ليست كافية ببساطة لشرح ما نلاحظه. من جميع النواحي، من سرعات الدوران للمجرات الفردية إلى حركات المجرات الفردية داخل العناقيد إلى التجمع واسع النطاق للمجرات في الكون إلى الكثافة الكلية للكتلة في الكون، هناك ببساطة الكثير من الكتلة التي يجب أن تكون موجودة، بحوالي عامل 600٪، لتفسيرها بالمادة العادية وحدها.

ستُظهر مجرة تحكمها المادة العادية وحدها (يسار) سرعات دوران أقل بكثير في الضواحي منها نحو المركز، على غرار حركة الكواكب في النظام الشمسي. ومع ذلك، تشير الملاحظات إلى أن سرعات الدوران مستقلة إلى حد كبير عن نصف القطر (يمين) من مركز المجرة، مما يؤدي إلى الاستنتاج بوجود كمية كبيرة من المادة غير المرئية، أو المادة المظلمة.

كل هذه الظواهر المرصودة حقيقية للغاية، إذ لدينا أمثلة وفيرة على حدوث ذلك في عدد لا يحصى من الأجسام، وقليل جدًا من الأجسام التي لا تُظهر هذا التناقض بين المادة العادية الموجودة وآثار الجاذبية. ومع ذلك، نحن محظوظون بعض الشيء، فبإضافة مكون واحد فقط إلى الكون، يمكننا إعادة كل هذا إلى وضعه الطبيعي: وهي المادة المظلمة.

إذا أضفنا، بالإضافة إلى المادة العادية، هذا المكون الإضافي الذي يتميز بما يلي:

• البرودة، بمعنى أنه كان يتحرك ببطء نسبيًا مقارنة بسرعة الضوء عندما كان الكون صغيرًا جدًا،
• عدم التصادم، بمعنى أنه لا يصطدم ولا يتبادل الزخم مع المادة العادية أو الإشعاع أو جسيمات المادة المظلمة الأخرى،
• الظلام، بمعنى أنه غير مرئي وشفاف للإشعاع والمادة العادية،
• والمادة، بمعنى أنه ضخم وله جاذبية،

تتوافق جميع هذه الظواهر، والعديد من الظواهر الأخرى، فجأة مع تنبؤات جاذبية آينشتاين. هناك العديد من الحجج من الأشخاص في “المعسكر” الأقلية الذين يقومون بتعديل الجاذبية، والتي تفسر بعضًا من هذه الظواهر – نظرية MOND، أو الديناميكا النيوتونية المعدلة، على وجه الخصوص، تفسر العديد من الظواهر التي تحدث على المقاييس الكونية الصغيرة (بضعة ملايين من السنين الضوئية أو أقل) بنفس القدر أو حتى بشكل أفضل من المادة المظلمة – ولكن أي تعديل تقوم به يتطلب أيضًا تضمين المادة المظلمة أو شيء يبدو متطابقًا مع المادة المظلمة. وهذا يجعل المادة المظلمة مرشحًا مُقنعًا للغاية لشيء جديد موجود في كوننا.

يكشف النظر المُفصّل في الكون أنه مصنوع من المادة وليس من المُضاد للمادة، وأن المادة المظلمة والطاقة المظلمة ضروريتان، وأننا لا نعرف أصل أي من هذه الألغاز. ومع ذلك، فإن تقلبات الخلفية الكونية الميكروية، وتكوين الارتباطات بين البنية واسعة النطاق، والملاحظات الحديثة للعدسة الجاذبية، كلها تشير إلى نفس الصورة.

هناك أيضًا دليل مهم آخر لم نتحدث عنه بعد: الخلفية الكونية الميكروية. إذا بدأت بمحاكاة كونك مباشرةً في اللحظات الأولى للانفجار العظيم الساخن، وأضفت المكونات التي نتوقع وجودها، ستجد أنه بحلول الوقت الذي يتمدد فيه الكون ويبرد بما يكفي لتكوين ذرات متعادلة، سيظهر نمط من تقلبات درجة الحرارة بطريقة تعتمد على المقياس في توهج بقايا الانفجار العظيم: الحمام الحراري للإشعاع الذي تحول إلى موجات ميكروية بحلول الوقت الحاضر.

تم اكتشاف الإشعاع نفسه لأول مرة في منتصف ستينيات القرن العشرين، لكن قياس العيوب في تلك الخلفية شبه المنتظمة مهمة شاقة، لأن أشد مناطق السماء حرارة لا تزيد حرارتها إلا بنسبة 0.01% عن أبرد المناطق. لم نبدأ حقًا في قياس هذه العيوب الكونية البدائية إلا في التسعينيات من القرن العشرين مع قمر COBE الصناعي، الذي استندت نتائجه فيما بعد على BOOMERanG و WMAP و Planck (وغيرها). واليوم، قمنا بقياس درجة حرارة كامل السماء الميكروية في تسع نطاقات طول موجية مختلفة، بدقة تصل إلى ~ميكروكلفن، حتى المقاييس الزاويّة الصغيرة التي تصل إلى 0.05 درجة. ولا يمكن وصف البيانات التي لدينا إلا بأنها رائعة.

مع تطور قدرات أقمارنا الصناعية، تمكنت من استكشاف مقاييس أصغر، و نطاقات ترددات أكبر، واختلافات درجات حرارة أصغر في الخلفية الكونية الميكروية. تساعدنا عيوب درجة الحرارة على فهم ماهية الكون وماهية تكوينه وكيفية تطوره، مُرسمةً صورةً تتطلب المادة المظلمة لتفسيرها.

إنّ نمط التقلبات الذي تراه في الرسم البياني أعلاه حساس للغاية لما يوجد في كوننا. فمقدار ومواقع القمم والقيعان المختلفة تخبرنا بما يوجد في الكون، كما تستبعد نماذج الكون التي لا تتوافق مع البيانات. فعلى سبيل المثال، إذا قمت بمحاكاة كون يحتوي فقط على المادة العادية والإشعاع، فستحصل فقط على حوالي نصف القمم والقيعان التي نراها، بالإضافة إلى أن القمة ستحدث على مقياس زاوي صغير جدًا، بالإضافة إلى أن تقلبات درجة الحرارة ستكون أكبر بكثير من حيث المقدار. لهذه المجموعة من الملاحظات، تُشترط المادة المظلمة.

ولكن أيضًا، هناك شيء آخر، بالإضافة إلى المادة المظلمة، مطلوب. فإذا أخذنا كل المادة العادية، والمادة المظلمة، والإشعاع، والنيوترينوات، إلخ، التي نعرف أنها موجودة في الكون، فسنجد أن هذا لا يشكل سوى حوالي ثلث الكمية الإجمالية للطاقة التي يجب أن تكون موجودة لتزويدنا بهذه مجموعة البيانات التي نتلقاها من الكون. يجب أن يكون هناك شكل آخر إضافي من الطاقة موجود، وعلى عكس المادة المظلمة أو المادة العادية، لا يمكنه التكتل أو التجمع معًا. أيا كان شكل هذه الطاقة -وهو مطلوب لمطابقة الخلفية الكونية الميكروية لملاحظاتنا- فيجب أن يكون موجودًا بالإضافة إلى المادة المظلمة.

التذبذبات المُحاكاة لدرجة الحرارة على مختلف المقاييس الزاويّة التي ستظهر في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي في كونٍ يحتوي على الكمية المُقاسة من الإشعاع، ثم إما 70% طاقة مظلمة، و25% مادة مظلمة، و5% مادة عادية (يسار)، أو كون يحتوي على 100% مادة عادية بدون مادة مظلمة (يمين). يُلاحظ بسهولة الاختلافات في عدد القمم، بالإضافة إلى ارتفاعات القمم ومواقعها.

تختلف المادة المظلمة والطاقة المظلمة اختلافًا كبيرًا عن بعضهما البعض، لكن كلاهما “مظلمان” بمعنى أنهما غير مرئيين لأي طريقة كشف مباشرة معروفة. يمكننا رؤية آثارهما غير المباشرة – بالنسبة للمادة المظلمة، على البنية التي تتشكل في الكون؛ وبالنسبة للطاقة المظلمة، على كيفية توسع الكون وتطور الإشعاع داخله – لكنهما يتصرفان بشكل مختلف جدًا عن بعضهما البعض. أكبر الاختلافات هي:

• تتكتل المادة المظلمة، بينما يبدو أن الطاقة المظلمة موزعة بسلاسة في جميع أنحاء الفضاء،
• مع توسع الكون، تصبح كثافة المادة المظلمة أقل، لكن كثافة الطاقة المظلمة تظل ثابتة،
• وتعمل المادة المظلمة على إبطاء توسع الكون، بينما تعمل الطاقة المظلمة بنشاط على جعل المجرات البعيدة تبدو متسارعة مع ابتعادها عنا.

يمكنك دائمًا إنشاء “نموذج موحد” للمادة المظلمة والطاقة المظلمة، وقد فعل العديد من الفيزيائيين ذلك، ولكن لا يوجد أي دافع مقنع للقيام بذلك. إذا كنت تعتقد أن هناك دافعًا، فسيتعين عليك تقديم إجابة مقنعة على السؤال التالي:

“لماذا يكون من الأكثر إقناعًا إدخال مكون جديد موحد له معلمان حرّان – أحدهما لشرح آثار “المادة المظلمة” والآخر لشرح آثار “الطاقة المظلمة” – أكثر من إدخال مكونين مستقلين يتطوران بشكل مستقل عن بعضهما البعض؟”

<>

يبدو هذا السؤال بالغ الأهمية خاصة عندما ننظر إلى كيفية تطور المادة المظلمة والطاقة المظلمة من حيث الأهمية النسبية (من حيث النسبة المئوية لكثافة الطاقة التي تشكلها) كدالة للزمن. فمنذ أن كان عمر الكون بضعة عشرات الآلاف من السنين حتى بلغ حوالي 7 مليارات سنة، شكلت المادة المظلمة حوالي 80٪ من كثافة طاقة الكون. وعلى مدى السنوات الـ 6 مليارات الماضية، سيطرت الطاقة المظلمة على توسع الكون، حيث تشكل الآن حوالي 70٪ من إجمالي كمية الطاقة في الكون.

مع استمرار الزمن، ستزداد أهمية الطاقة المظلمة أكثر فأكثر، بينما ستصبح جميع أشكال الطاقة الأخرى، بما في ذلك المادة المظلمة، ضئيلة. وإذا كانت المادة المظلمة والطاقة المظلمة مرتبطتين ببعضهما البعض بطريقة ما، فإن هذه العلاقة دقيقة وليست واضحة للفيزيائيين بالنظر إلى فهمنا الحالي للطبيعة. أما بالنسبة للمادة المظلمة، فيجب إضافة عنصر إضافي يجذب بالجاذبية إلى كتل، لكنه لا يتصادم أو يبذل ضغطًا. أما بالنسبة للطاقة المظلمة، فإن هذا العنصر لا يتكتل أو يتصادم، ولكنه يبذل ضغطًا.

تتوافق المصائر المتوقعة للكون (التوضيحات الثلاثة العليا) جميعها مع كون حيث تقاوم المادة والطاقة مجتمعتين معدل التمدد الأولي. في كوننا المرصود، يُعزى التسارع الكوني إلى نوع ما من الطاقة المظلمة، التي لا تزال غير مفسرة حتى الآن. تحكم جميع هذه الأكوان معادلات فريدمان، التي تربط بين تمدد الكون وأنواع المادة والطاقة المختلفة الموجودة فيه.

هل هما مرتبطان؟ لا يمكننا الجزم بذلك. إلى أن نحصل على بعض الأدلة على أن هذين الأمرين مرتبطان بالفعل بطريقة ما، يتعين علينا اتباع النهج المحافظ. تُشكّل المادة المظلمة وتُحافظ على أكبر الهياكل المرتبطة معًا، ولكن الطاقة المظلمة تدفع هذه الهياكل الفردية بعيدًا عن بعضها البعض. وقد نجح هذا الأخير إلى حد أنه بعد مائة مليار سنة أو نحو ذلك، سيكون كل ما تبقى من كوننا المرئي هو المجموعة المحلية من المجرات. وخارج ذلك، لن يكون هناك سوى امتداد فارغ من العدم، بدون أي مجرات أخرى مرئية على مدى تريليونات تريليونات من السنين الضوئية.

إيثان في إجازة هذا الأسبوع. يُرجى التمتع بقراءة هذه المقالة من أرشيف “يبدأ بانفجار”!