المجهولات المجهولة

المجهولات المعروفة

لقد تمكَّنا من تغطية الكثير من البديهيات والمجهولات المعروفة لنا. واتبعنا المسارات العديدة للضوء الأول، سواء كان قادمًا من النجوم أو من الثقوب السوداء أو المجرات. وأصبحت عمليات المحاكاة متقدمة للغاية لدرجة أنه يمكننا الآن متابعة ولادة النجوم الفردية في سحابة غازية متشظية، ومتابعة عائلات بأكملها أثناء تشكُّلها أو اندماجها أو تفرقها أو انفجارها. لم يكن أحد يتصور بلوغ هذا المستوى من التركيز قبل عقد من الزمن، وقد أدى هذا المستوى المتقدم من التفاصيل إلى الابتعاد عن اعتقاد أن النجوم الأولى قد وُلِدت فرادى، وأنها محكوم عليها بأن تبقى وحيدة طوال حياتها القصيرة. فنحن نعلم الآن أنها على الأرجح قد تشكَّلت في مجموعات، أو ثنائيات. وقد قادتنا عمليات المحاكاة نفسها إلى إدراك أن نجوم الجمهرة الثالثة المنخفضة الكتلة ربما تكوَّنت إلى جانب شقيقاتها ذات الكتلة الكبرى، وربما لا تزال على قيد الحياة حتى يومنا هذا في انتظار أن يكتشفها مَنْ يقتفي أثرها ويبحث عنها. تصدَّى باحثو علم الآثار النجمي لهذا التحدي وظلوا يسجلون أرقامًا قياسية جديدة لاكتشاف نجوم تحتوي على نسب أقل من المعادن. ربما لم يتوصَّل المجال إلى أي من النجوم الأولى بعد، لكنه توصَّل إلى ثاني أفضل شيء، وهو نجم من الجيل الثاني. ومن هذا النجم وحده يمكننا البدء في استنتاج تكوين أسلافه الأصليين، ولا شك في أننا سوف نكتشف المزيد بين مليارات النجوم في مجرتنا. وعند النظر بعيدًا خارج مجرتنا، اكتشفنا أن العديد من المجرات القزمة في المجموعة المحلية يمكن أن تكون مواقع مثالية لممارسة علم الآثار النجمي خارج المجرة في المستقبل بمجرد أن يتوفر لدينا تلسكوب قادر على مسح أكثر النجوم خفوتًا في السماء بكفاءة.

بالإضافة إلى البحث عن النجوم الأولى بطريقة مباشرة، استخدمنا طرقًا غير مباشرة، تشمل إجراء عمليات تحليل تشريحية للجيل الأول من النجوم. قد تعتقد أن موت النجم الأول يعني انعدام إمكانية الرصد، لكن الأمر على خلاف ذلك تمامًا. فقد ماتت النجوم الأولى بطرق دراماتيكية، إما عن طريق المستعرات العظمى غير المستقرة الأزواج ذات السطوع الفائق أو عن طريق انهيارها المباشر في الثقوب السوداء، ومن ثَمَّ أمكن اكتشافها باستخدام تلسكوباتٍ مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي أو هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي. إن حياة النجوم الأولى والثقوب السوداء وموتها لهما تأثير دائم على البيئات المحيطة بها، وهو تأثير يمكننا قياسه وتحليله للتعرف عليها.

هناك ثلاثة فصول رئيسية في عصر النجوم الأولى: العصور المظلمة، والفجر الكوني، وعصر إعادة التأيُّن. العصور المظلمة هي الفترة التي كان فيها الكون مظلمًا وخاليًا من أي هيكل مرئي. كانت سحب الغاز تندمج، ولكن بمجرد أن وصلت إلى درجة الانهيار الكافية لبدء تفاعلات الاندماج، سطعَ الفجرُ الكوني، مما جعل السماء ساطعة لأول مرة منذ مئات الملايين من السنين. قاست تجربة رصد تأثير عصر إعادة التأيُّن العالمي، التي تتكوَّن من طاولة معدنية في صحراء أستراليا الغربية، درجة حرارة الهيدروجين بعد ١٨٠ مليون سنة من الانفجار العظيم وحددت نهاية العصور المظلمة وبداية الفجر الكوني. ليس هذا فحسب، بل إنها قلبت فهمنا لتطوُّر الغاز في الكون المبكر رأسًا على عقب. وجعلتنا نتساءل: هل المادة المظلمة المشهورة بعدم التفاعل مع غيرها تصطدم بطريقة أو بأخرى بالغاز وتبرده؟ أم أن هناك تفسيرًا أكثر واقعية، مثل وجود إشارة غير مرغوب فيها ناجمة عن تداخل مجهول المصدر؟ وفي كلتا الحالتَين، فقد أُزيحَ الستار أخيرًا عن عصر لم يُكتشَف من قبل.

إن عصر إعادة التأيُّن هو العصر الذي تكون فيه تلك النجوم الأولى والثقوب السوداء والمجرات عديدة وقوية بما يكفي لتأيين الهيدروجين المحيط بها، وتكوين فقاعات من الهيدروجين المتأين. وينتج عن هذا نمط الجبن السويسري في بحر الهيدروجين المتعادل، الذي يمكننا رصده بسبب الإشعاع الذي يبلغ طوله الموجي ٢١سم والذي ينبعث من الهيدروجين المتعادل. كانت التلسكوبات الراديوية حول العالم ترصد موجات الراديو وتراقبها منذ ذلك الوقت، لكن الضجيج الذي تنتجه مجرتنا والمجرات الأخرى كان كفيلًا بأن يحجب الإشارات. وبعد ما يقرب من عَقد من الزمن من تنظيف البيانات، أصبحنا الآن قاب قوسَين أو أدنى من الاكتشاف الأول. ومن خلال رصد كيفية تزايد هذه الفقاعات واندماجها، يمكننا رسم صورة للنجوم غير المرئية بداخلها؛ أي النجوم التي ماتت منذ مليارات السنين. وباستخدام التلسكوبات الحالية، سنجري ما يسمى بالكشف الإحصائي، وهو يتمحور حول تحديد الوقت بدقة كما في تجربة رصد تأثير عصر إعادة التأيُّن العالمي، ولكن ليس تصوير الفقاعات الذي نطمح إلى تحقيقه يومًا.

«ماذا بعد؟» هذا هو السؤال الذي طالما تردَّد على ألسنة علماء الفلك. تطلَّب هذا الكَمُّ الهائل من تجارب علم الفلك في العصر الحديث تخطيطًا وتفانيًا على مدى عقود مضت، فبمجرد انطلاق إحدى البعثات، يبدأ وضع الأساس للتجربة التالية والإعداد لها. وبوصفنا علماء في الفيزياء الفلكية، دائمًا ما نُضطر إلى التفكير في الخطوة التالية. ومع تلسكوبات الجيل الحالي مثل مصفوفة الترددات المنخفضة وتجربة رصد تأثير عصر إعادة التأيُّن العالمي، لا يمكننا التعمق كثيرًا إلا في عصر إعادة التأيُّن والفجر الكوني … أما العصور المظلمة، فإنها تكاد تكون بعيدة المنال تمامًا. ويمكننا باستخدام التكنولوجيا الأرضية المتقدمة وحدها إحرازُ مزيد من التقدم في المراحل التي تلي عصر النجوم الأولى — الفجر الكوني وعصر إعادة التأيُّن — لكننا سنحتاج إلى الاسترشاد بالقمر فيما يخص العصور المظلمة.

مصفوفة الكيلومتر المربع

فيما يخص الفجر الكوني، ينصبُّ تركيزنا على مصفوفة الكيلومتر المربع المنخفضة الترددات في منطقة مورشيسون بصحراء أستراليا الغربية. إن مصفوفة الكيلومتر المربع المنخفضة الترددات عبارة عن مصفوفة هوائيات شبكية، مما يعني أنها تتكوَّن من مجموعة كبيرة من الهوائيات الثابتة المتصلة، التي لا يمكنها الدوران للتوجيه نحو السماء. وتعد حاليًّا مصفوفة الترددات المنخفضة أكبر تلسكوب راديوي متصل، حيث تتكوَّن التجربة الكاملة من عدة آلاف من الهوائيات. في المقابل، تضم مصفوفة الكيلومتر المربع ١٣١ ألف هوائي، يبعد كلٌّ منها عن الآخر مسافة ٦٥ كيلومترًا (٤٠ ميلًا) كحد أقصى، وفي مرحلة ثانية من التطوير سيصل هذا العدد إلى ما يقرب من مليون هوائي. من المبادئ الأساسية لتصميم مصفوفة الكيلومتر المربع تقليل عدد الأجزاء المتحركة في التلسكوب لتقليل تكلفة النشر والصيانة. يمكنني أن أشهد شخصيًّا على مدى سهولة نشر هذه الهوائيات، حيث إن لدينا واحدًا في المنطقة المشتركة بمكتبي. عند تسلُّمه، وجدنا معه إرشادات لضمان سرعة التركيب. من الواضح أن (الافتقار إلى) المهارة اليدوية لدى عالِم الفيزياء الفلكية المُعتمِد على النظريات لم يُؤخَذ في الاعتبار. إذ استغرق أربعة منا بضعَ ساعاتٍ في تركيبه. تتميز الهوائيات بأسعارها الزهيدة للغاية أيضًا، حيث يبلغ سعرها حوالي ٢٠٠ يورو فقط، من دون الأجهزة الإلكترونية. لم نتأكد بعد مما إذا كنا قد وصلنا إلى التصميم النهائي للهوائي، لكنه يشبه بشكل عام شجرة عيد الميلاد، ومن ثَمَّ نسميه هوائي شجرة عيد الميلاد (وبالتالي نزينه في ديسمبر).

شكل ١١-١: يعتمد التأخير الزمني بين هوائيين يستقبلان إشارة على الموقع المصدر. يمكن عكس برمجة هذا الوضع بحيث نحلل فقط الإشارات ذات التأخير الزمني المناسب للاتجاه الذي نريد النظر إليه.

مع الجيل الحالي من التلسكوبات، مثل مصفوفة الترددات المنخفضة ومصفوفة مورشيسون الواسعة المجال، نطمح إلى تحقيق أول اكتشاف لعصر إعادة التأيُّن؛ وهو قياس درجة حرارة الهيدروجين التي تشير إلى تكوُّن الفقاعات المتأينة وتداخلها في نهاية المطاف. وفي النهاية، تتأثر نتائج هذه التجارب بعوامل كثيرة، مثل مقدار الضجيج المتداخل مع الإشارة، والضجيج الصادر عن الجهاز نفسه، والضجيج القادم من السماء. ويمكننا التغلب على هذا الضجيج كلما زاد عدد عمليات الرصد التي نجريها أو كلما زاد عدد الهوائيات المستخدمة في التلسكوب. ولالتقاط صورة، لا بد أن تكون نسبة الإشارة إلى الضجيج واحدًا صحيحًا أو أكثر؛ أي يجب أن تكون قوة الإشارة متناسبة على الأقل مع مقدار الضجيج الصادر. يصعب تحقيق ذلك الأمر باستخدام الجيل الحالي من التلسكوبات، ولذا علينا أن نقنع بإجراء أول استكشافاتٍ إحصائية من نوعها. ومع ذلك، في حالة مصفوفة الكيلومتر المربع، التي تضم ١٣١ ألف هوائي، فإن مستوى الضجيج يكون أقل بكثير حتى إن شرط «نسبة الإشارة : الضجيج = ١» يمكن أن يتحقق تقريبًا بمجرد تشغيل المصفوفة. سيتعين إجراء بعض التعديلات في إعدادات التلسكوب، ولكن عندما يصبح جاهزًا للعمل في أواخر العشرينيات من القرن الحادي والعشرين، يمكننا أن نتوقع الحصول على صور واضحة للفقاعات. والمذهل حقًّا في الأمر أننا سنتمكن من التقاط هذه الصور على مدى فترة زمنية تقارب مليار عام، مما يتيح لنا رسم خريطة لكيفية تطور الكون. إنه فيلم واقعي لكوننا وهو ينمو على مدى مليار سنة، أمام أعيننا مباشرة.

رحلة ذهاب وعودة إلى القمر

تَعِد مصفوفة الكيلومتر المربع بمستقبل باهر بسبب قدرتها على تصوير الفقاعات واستكشاف الماضي وصولًا إلى الفجر الكوني. إنَّ وضعها في منطقة كهذه، ذات كثافة سكانية منخفضة وتداخل راديوي ضئيل، سيسهل علينا الأمور بعض الشيء. حيث كنا نحتاج عادةً إلى بذل الكثير من الجهد لإزالة الضوضاء البشرية الصادرة عن الهواتف المحمولة وطواحين الهواء والطائرات والراديو وما إلى ذلك. ولا يزال يتعيَّن علينا فعل ذلك إلى حد ما، حتى في قلب الصحراء (فهناك موجات راديو صادرة عن أفران الميكروويف!). وهذا مهم بوجه خاص لعمليات الرصد المستقبلية للعصور المظلمة، وهي الفترة التي سبقت ظهور النجوم الأولى؛ أي بعد ١٠٠ مليون سنة من الانفجار العظيم. ولرصد الضوء من هذه المسافة السحيقة، يتعين علينا ضبط تلسكوباتنا الراديوية على تردداتٍ منخفضة للغاية، تتراوح بين ٠٫١ ميجاهرتز و٣٠ ميجاهرتز، ويشكِّل هذا تحديًا في حالة التلسكوبات الأرضية. فهناك طبقات من الغلاف الجوي تعلو رءوسنا، وتُعرف الطبقة العليا باسم الأيونوسفير. تتأين طبقة الأيونوسفير بفِعل الإشعاع الشمسي، ويؤثر اضطراب الذرات داخلها كثيرًا على نقل موجات الراديو. في حالة تلسكوبات مثل مصفوفة الترددات المنخفضة ومصفوفة الكيلومتر المربع، يُبذل الكثير من الجهد للتخفيف من تأثير الأيونوسفير على البيانات المرصودة، لكن المشكلة تتطور باستمرار. تتغير الأيونوسفير يومًا بعد يوم، وساعة بعد ساعة، بسبب تقلب الرياح الشمسية التي تؤينها. ولن تسمح بنقل موجات الراديو على الإطلاق عندما يقل ترددها عن حد معين، ويمكن أن يصل هذا الحد الأدنى للتردد إلى ١٠ ميجاهرتز، كما حدث تمامًا في العصور المظلمة. ومن ثَمَّ، ترتد موجات الراديو التي يقل ترددها عن هذا الحد من طبقة الأيونوسفير مباشرة، إما عائدةً إلى الفضاء أو إلى الأرض، حسب المكان الذي بدأت منه. يستخدم مهندسو الاتصالات اللاسلكية هذا التأثير كطريقة فعَّالة لنقل إشارات الراديو اللاسلكية عبر القارات عن طريق ارتداد الإشارات من الغلاف الجوي. وهذا يعني أن تداخل الترددات الراديوية الذي يحدث لترددات العصور المظلمة يمثل مشكلة كبيرة، لدرجة أنه يكاد يكون من المستحيل العثور على منطقة خالية من الموجات الراديوية في أي مكان على الأرض. ولذلك علينا التوجه إلى الفضاء!

•••

هل سيتجه علم الفلك الراديوي المهتم بالفوتون الذي يبلغ طوله الموجي ٢١سم إلى الفضاء في العقود القليلة المقبلة؟ آملُ ذلك. فالتوجه نحو الفضاء هو فرصتنا الحقيقية الوحيدة لاستكشاف العصور المظلمة. والعصور المظلمة عامل أساسي في تعزيز فهمنا للفيزياء الفلكية وعلم الكونيات، وذلك بوصفها تمثل أنقى الفترات وأبسطها في تاريخ الكون. فقبل التعقيدات التي طرأت على الكون بتكوُّن النجوم والمجرات والكواكب، لم يكن هناك سوى كون هادئ مليء بالمادة المظلمة والهيدروجين. ومن ثَمَّ، يمكننا على سبيل المثال التوصل إلى توقعاتٍ دقيقة بشأن حالة المادة المظلمة، وحتى لو انطوت توقعاتنا على بعض الأخطاء، فذلك يشير إلى وجود ظواهر فيزيائية تتعدى حدود النظريات الفيزيائية القياسية، مما يستوجب وضع قوانين ونظريات فيزيائية جديدة.

تكمن أهمية علم الفلك الراديوي حاليًّا في كونه يجمع بين الممارسات التقليدية البسيطة وأحدث الأبحاث العلمية. فبينما نحن واقفون على أرض صلبة، نضع الركائز الأساسية لبناء مصفوفاتٍ من الهوائيات الضخمة في الأماكن النائية. ولكن البيانات التي تجمعها هذه الهوائيات تفوق إمكانيات المعالجة في تقنياتنا الحالية. ومن ثَمَّ، نسعى إلى تطوير التقنيات الخاصة بكابلات الألياف الضوئية وتخزين البيانات وأنظمة التبريد.

من المتوقع أن يبلغ العمر الافتراضي لمصفوفة الكيلومتر المربع نحو ٥٠ عامًا، ومن ثَمَّ ستستمر في أخذ القياسات لفترة طويلة بعد تقاعدي. ومن المثير حقًّا أن الأشخاص الذين سيبرعون في استخدام مصفوفة الكيلومتر المربع في نهاية عمرها الافتراضي لم يُولَدوا بعد. وهم مَن سيجيبون عن الأسئلة التي لم تخطر حتى على أذهاننا.

في محاضرة ألقيتُها خلال صيف عام ٢٠١٩، رفع طالب في المرحلة الثانوية يده وسألني: «هل يُشعركِ علم الكونيات بالإحباط؟» كان يشير بذلك إلى العناصر التي تناولتُها في المحاضرة حيث سلَّطتُ الضوء على حجمنا المتناهي الصغر وأعمارنا اللحظية، مقارنةً بالكون العتيق المترامي الأطراف من حولنا. في بعض الأحيان، قد يكون العمل في وظيفة تذكِّرك يوميًّا بمدى ضآلتك وعدم أهميتك … أمرًا منهكًا ومستنفدًا للطاقة. ومع ذلك، فإن علاقتي بعلم الكونيات كانت إيجابية إلى حد كبير. فهو يجعلني أشعر بأنني محظوظة. ذلك حيث أدرك مدى توازن الأحداث التي أفضت إلى وجودنا، وعنصر المصادفة الذي ساعدنا في فهم الكون بهذا القدر الذي عليه الحال الآن. لقد وصلت مهارتنا إلى درجة أن قطعة صخرية تدور حول كوكبنا أصبحت مدخلنا إلى فهم ماضينا السحيق؛ ذلك الماضي الذي نحن على وشك رؤيته بأنفسنا. بطريقة ما، نجحنا نحن البشر، رغم ما نوصف به من كوننا كائنات صغيرة وضئيلة الأهمية، في وقف الصراع المحتدم بينهم لفترة كافية لوضع خطة لإجراء تجربة تمتد لعقود. أشعر كما لو أنني حصلتُ على تذاكر لحضور أعظم عرض في العالم. وهذا ليس بالأمر المحبط على الإطلاق، بل هو أمر مذهل. وقد حان الوقت للاستمتاع بالعرض.

مراجع مفيدة