مادة مظلمة، طاقة مظلمة

25 - 29 يونيو 2001

الندوة

أين توجد المادة؟

في الفترة من 25 إلى 29 يونيو 2001، عُقدت في مارسيليا ندوة دولية جمعت مئتين من المشاركين، من بينهم مائة وأربعون متحدثًا، وكان موضوعها "أين توجد المادة؟". كما وُضع تحت عنوان فرعي:

تتبع المادة المضيئة والمعتمة باستخدام أحدث برامج المراقبة على نطاق واسع

الترجمة:

رسم خرائط للمادة المرئية والمادة المظلمة

باستخدام وسائل المراقبة الحديثة على نطاق واسع.

تكتسب هذه الكلمات أهمية كبيرة. فهي تُحدد فورًا هذا المؤتمر ضمن منظور نظري معين. إذ يُفترض أن الكون وحدة واحدة، وله مادتان: إحداهما متاحة لوسائط مراقبتنا (في النطاق المرئي، فوق البنفسجي، تحت الأحمر، بمعنى المراقبة التي تعتمد على الموجات الكهرومغناطيسية)، والأخرى، في الوقت الراهن، تفوت هذه الطريقة من التحقيق، وتُوصف بلفظ عام هو "المادة المظلمة"، بالإنجليزية "Dark Matter". كيف نُجري المراقبة؟ وكيف نُرسم خرائط للمادة المظلمة؟ من جهة، من خلال تأثيرات العدسة الجاذبية التي أظهرت، بشكل عام، أنها أكبر من أن تُفسر بوجود المادة المرئية وحدها، سواء كانت مكونة من مجرات أو مجموعات مجرية، ومن جهة أخرى، من خلال الاعتماد على المعطيات الحركية للأجسام المُراقبة.

قبل أن تُكتشف هذه التأثيرات "الزائدة" للعدسة الجاذبية، كان الباحثون مثل فريتز زويكي، يُستندون إلى تحليل منحنيات دوران المجرات أو قياس سرعة اهتزاز المجرات داخل المجموعات، ليخلصوا إلى أن المادة المرئية المُكتشفة لا يمكنها أن تضمن التماسك لهذه المجموعات. ويُقصد بمنحنيات الدوران القياسات التي تُجرى على الغاز بين النجوم، الذي يدور في الحقل الجاذبي العام، باستخدام تأثير دوبلر-فيزيو. من الواضح أن هذا الغاز يدور بسرعة كبيرة، خاصة في حدوده الخارجية (وجود "منحنى مسطح" مميز). تُشبه مجموعات المجرات "كتلاً من الغاز"، حيث تُعتبر المجرات "جزيئات" داخلها. وتصبح "السرعات الذاتية" للمجرات، كما يسميها علماء الفلك، مكافئة لسرعة الاهتزاز الحراري للجزيئات في غاز، أي سرعات موزعة عشوائيًا في جميع الاتجاهات. وباستمرار هذه المقارنة مع الغاز، فإن تجميع السرعات "الحرارية" مع الكثافة يُنتج ما يُعرف بـ"الضغط" (وهو قياس كثافة الطاقة الحركية للاهتزاز، لكل وحدة حجم). لا يتشتت سحابة غازية بين النجوم لأن القوة الجاذبية توازن القوى الضاغطة التي تسعى إلى تشتتها. فإذا أخذنا مجموعة من ألف مجرة على أنها نوع من "الكتلة الغازية"، يمكننا القول أيضًا أن قوى الضغط التي تسعى إلى تشتتها، المحسوبة بناءً على قياسات سرعة اهتزاز المجرات والكتلة المُكتشفة، تكون كبيرة جدًا بحيث لا يمكن للقوة الجاذبية أن توازنها. وباستخدام منطق آخر، ومع معرفة كتلة المجموعة، يمكننا حساب سرعة الهروب. وكما لاحظ زويكي، فإن سرعات المجرات الفردية تتجاوز سرعة الهروب للمجموعة التي تنتمي إليها. لو لم تكن هناك قوة إضافية، لكان ينبغي أن تغادر هذه المجرات المجموعة منذ زمن بعيد. الأمر نفسه ينطبق على النجوم داخل المجرات. إذًا، المشكلة حقيقية تمامًا. والسؤال يكمن في التفسير الذي نُعطيه لهذا الظاهرة.

الإجابة الموحّدة من قبل علماء الفلك تُعرف حاليًا باسم "المادة المظلمة"، رغم أن أحدًا لم يُقدِّم تفسيرًا ملموسًا لطبيعة هذه "المادة المظلمة". ولكن لم يُشكّ أحد في لحظة أن هذه التأثيرات قد تنبع من شيء آخر غير وجود مكون غير مُكتشف حاليًا، يتمتع بكتلة موجبة، ويوجد بهدوء في كوننا (الوحيد). في هذا السياق، بدأت بالفعل أعمال "رسم خرائط للمجهول". في البداية، اقتصرت التصريحات على قول "يجب أن توجد في هذا المجموعة من المجرات كتلة معينة M لكي لا تنفجر المجموعة، أو على الأقل لتفسير التأثيرات القوية للعدسة الجاذبية التي تُنتجها (صور متعددة، مجرات واقعة خلف المجموعة مشوهة، حيث تمتد هذه التشوهات إلى حد تكوين أقواس جاذبية)". لاحقًا، أضاف علماء الفيزياء الفلكية، مثل ألبرت بوسما، من مختبر الفيزياء الفلكية في مارسيليا، الذي أُنتمي إليه، بشكل تجريبي "أغلفة" من المادة المظلمة، ذات طبيعة غير محددة، بهدف "مطابقة منحنيات الدوران"، وهي مصطلح إنجليزي يشير إلى إجراء تطابق تجريبي للقوانين الحركية التي تتوافق مع القيم المستمدة من الملاحظات. وبالتالي، أصبح عدد من الأشخاص يعملون الآن بدوام كامل على حساب توزيع المادة داخل هذه الأغلفة غير المرئية من المادة المظلمة. وهذا ما يُعرف بـ"النظريات من الدرجة الصفرية". هذه النشاطات، التي لا تتطلب أي كفاءة خاصة، هي نشاطات تقنية بحتة. فالأشخاص الذين يمارسونها لا يسعون إلى تقديم أي تلميحات حول طبيعة هذه المادة المظلمة التي يرسمون خرائطها تجريبيًا، ولا حول العمليات التي أدت إلى وجودها داخل المجرات. وبما أننا لا نعرف طبيعة هذا المكون ولا أصله، فمن المستحيل تمامًا بناء "ديناميكية مجرية". في المؤتمر المذكور، سمعت امرأة أمريكية تقدم ملخصًا للنماذج التي تحاول وصف تكوّن المجرات (من مادة مظلمة باردة، بالإنجليزية "cold dark matter" أو "CDM"). جميع هذه النماذج، بطبيعة الحال، تعتمد فقط على قانون نيوتن (مع حاسوب ضخم يُعالج كل هذا). ورغم ذلك، تبقى هذه النماذج غير مقنعة، لأن أي بيانات أولية تُدخلها، فإن "المجرات الأولية" الناتجة تمتلك عزومًا زاوية ضعيفة جدًا. وبالتالي، كانت إحدى الأسئلة التي طرحها هؤلاء "النظراء الجدد" (قانون نيوتن + حاسوب ضخم) هي: "من أين تأتي العزم الحركي للمجرات؟" إننا نقف هنا على مستوى "النظريات من الدرجة الصفرية"، سواء في الرسم أو في محاولة المحاكاة.

منذ عام 1999، قام علماء الفيزياء الفلكية مثل يانك ميلير وفورت، تلاهم نصف دزينة من الفرق في أماكن مختلفة حول العالم، بنتائج ست سنوات من العمل، تُمثل برنامجًا واسعًا. إذا كانت المادة المظلمة موجودة في الكون، وخاصة داخل مجموعات المجرات، فإنها ستُنتج تأثيرات عدسة جاذبية. في أقصى الحالات، تُنتج صورًا شبه كاليديسكوبية، كما أظهرت لنا تلسكوب هابل، حيث تتفجر الأجسام الواقعة خلف المجموعة إلى مجموعة من الصور المتعددة، وربما تُنتج قوسًا جاذبيًا واحدًا أو أكثر.

إذًا، يُفهم أن عندما تكون التركيزات المفترضة للمادة المظلمة أقل أهمية، فإنها تُسبب تشوهات بسيطة في صور المجرات، مما يُعطي صورتها شكلًا بيضاويًا إضافيًا، ببساطة نتيجة تأثير بصري، يُضاف إلى البيضوية الحقيقية. وقد طوّر ميلير وفورت وآخرون يُتبعونهم لاحقًا طريقة معالجة للصور، حيث يكتشف الحاسوب التباينات المحلية في الصور (بافتراض أن المحاور الرئيسية للصور البيضاوية للمجرات يجب أن تكون موزعة عشوائيًا في غياب تأثير العدسة الجاذبية). ثم تُستخدم هذه الطريقة لاستعادة توزيع المادة المظلمة المفترضة التي يمكن أن تُنتج هذه الصور. في عام 1999، أثار ميلير وفورت جدلاً كبيرًا عندما نشرا صورة ملونة، من منظور ثلاثي الأبعاد، تُظهر توزيع المادة المظلمة في جزء من الكون، يُعادل جزءًا من السماء بمساحة تُعادل بضع درجات مربعة.

تم نشر الصورة في جريدة "ال monde" وسماها الكاتب، الصحفي جان فرانسوا أوغريو: "المادة المظلمة موجودة، لأنها تُنحني أشعة الضوء".

رابط إلى هذا المقال.

في ذلك الوقت، بدا كل هذا مثيرًا للغاية، ويشير إلى بداية "رسم خرائط للمجهول". ولكن بعد عام، قدم فورت (مدير معهد الفيزياء الفلكية في باريس، الذي ينتمي إليه أيضًا يانك ميلير) مقابلة لجريدة "السماء والفضاء" (عدد يونيو 2000)، حيث أشار إلى بعض المشكلات التي كانت حتى الآن مُهملة. أدى هذا الأسلوب إلى تحديد تجمعين مهمين جدًا من المادة المظلمة (5 × 10¹⁴ كتلة شمسية، ما يعادل ألف مجرة، كتلة مشابهة لأكبر المجموعات المعروفة: مجموعة الفرس وجمعية كوما). ولكن، ما يُربك، أن هذه مناطق السماء تبدو مذهلة في فراغها:

كانت هذه النتائج بالطبع مزعجة جدًا، وفي البداية، تجاهل المؤلفانها ببساطة، آملين أن تكون إما نتيجة خلل تقني، أو نوعًا جديدًا من المجموعات التي تُصدر في ترددات خاصة. لذلك، أُجريت مراقبات إضافية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية أو تحت الحمراء، ولكنها لم تُظهر أي شيء ملحوظ. في النهاية، سما فورت وميلير هذه الأجسام بـ"المجموعات المظلمة" (dark clusters)، مع التأكيد على إمكانية وجود مجموعات "مكوّنة بالكامل من مادة غريبة"، مادة غريبة جدًا، تُخضع لظاهرة عدم الاستقرار الجاذبي، ولكنها تجذب فقط مادة من نفس النوع. في مقابلته لعام 2000، قال فورت إنه يجد صعوبة في التصديق أن مثل هذا حفرة جاذبية لم تجذب أي مجرة، أو غاز، أو كائن يُصدر موجات كهرومغناطيسية. فيما يلي إعادة إنتاج جزء من مقابلة فورت.

كنت مشاركًا في هذا المؤتمر في يونيو 2001، وقدمت فيه عرضًا (عنوانه: "المادة المزدوجة مقابل المادة المظلمة"). كنت لذلك مهتمًا جدًا بسماع ميلير خلال هذا الحدث. بدأ بتأكيد أنه متأكد تمامًا من صحة طريقة معالجة بياناته. وفي هذه المناسبة، أعاد عرض الخريطة ثلاثية الأبعاد التي جعلته يحصل على صفحة كاملة في "ال monde" في عام 1999، وأكّد هوية "المجموعات المظلمة" التي حددها، وأضاف أنه منذ ذلك الحين، اكتشف كائنًا ثالثًا من نفس النوع، بنفس الكتلة. عندما سألته عن هذه الأجسام، أجابني علنًا كما يلي:

• شخصيًا، لا أصدق وجود هذه المجموعات المظلمة...

لم يكن من الممكن معرفة المزيد، وأعترف أن هذه الإجابة أربكتني بشدة. إما أن طريقة عمله تعاني من تقلبات لم تُكتشف بعد، وتُنتج آثارًا جانبية (تتوافق مع هذه الأجسام المربكة جدًا)، أو أنها موثوقة، ويُطرح سؤال مُربك للغاية حول وجود هذه الكائنات الثلاثة، ولا يمكن الإجابة عنه بحركة فنية كهذه. نضيف إلى ذلك أن منذ إطلاق التلسكوب الذي يُجري مراقبات في نطاق الأشعة السينية، تبين أن المجموعات هي مصادر مهمة جدًا، بطاقة تدور حول 10 كيلوإلكترون فولت. وبإسناد هذا الإشعاع إلى هيدروجين ساخن، يُقدّر أن درجة حرارة هذا الهيدروجين تصل إلى حوالي مئة مليون درجة، ما يُعادل سرعة اهتزاز حراري قدرها 1400 كم/ث.

قال ميلير: "هذه المجموعات المظلمة لا تُصدر أيضًا أشعة سينية".

يمكن تفسير هذا السلوك ببساطة من خلال إعادة قراءة العنوان الفرعي لهذا المؤتمر، الذي لا يترك مجالًا لأي تفسير سوى تفسير المادة المظلمة. لا يُعد هذا السلوك استثناءً في عالم الفلك والفيزياء الفلكية المعاصرة. نعطي مثالًا. أصبحت قاعدة هابل الشهيرة، التي تنص على أن الانزياح الأحمر متناسب مع بعد المصدر، منذ زمن بعيد نوعًا من المذهب. يجب أن تُخضع جميع المصادر لهذه القاعدة، والذين يرفضونها عرضة للاستبعاد. نعلم أن هالتون أرب، الذي يُعتبر من يُعيق البحث الدائري، زعم أنه حدد عددًا من "انزياحات غير طبيعية". وبما أنه لم يرغب في التسليم بأن هذه الصور "الغريبة" ليست سوى أخطاء مراقبة، فقد منعه زملاؤه (الذين يوزعون "أوقات المراقبة") من المراقبة، وتم نفيه إلى نيويورك. إذا عقد مؤتمر حول هذا الموضوع، فلن يكون سوى عن "مجالات مراقبة" تهدف إلى توضيح "ثابت هابل" بشكل أفضل. أي عمل يُظهر تباينًا في الانزياح الأحمر، أو تغيرًا ملحوظًا في هذه القاعدة لفئات مختلفة من الأجسام، أو تقلبات شبه دورية في اتجاه معين، سيُعتبر تهديدًا مقلقًا، أو ببساطة عملًا "خارج السياق".

عندما قررت تقديم عرض في هذا المؤتمر، استقبلت زميلتي إيفانجلينا آثاناسوولا، الباحثة في CNRS، والمنضمة إلى مراقبة مارسيليا مثلما أنا، هذه الأخبار بارتباك، واعتبرت أبحاثي "خارج السياق". بالفعل، هذه طريقة لرؤية الأمور، ولكنني أجد أنها غير علمية إلى حد كبير (كما كانت ملاحظة يانك ميلير عن أبحاثه الخاصة!). لذا، لا يُفاجأ أحد أن الأبحاث التي تمت الموافقة على عرضها في هذا المؤتمر لم تُثير اهتمامًا أو نقدًا: كانت ببساطة "خارج السياق". في يوم الثلاثاء 26 يونيو 2001، وبوجود 40 نسخة من "النسخة الطويلة" من عرضي (43 صفحة) و30 نسخة من النسخة المختصرة (16 صفحة)، قررت أن أكرر المحاولة، وذهبت إلى القاعة التي يُعقد فيها المؤتمر، ووضعت هذه السبعين وثيقة على الطاولات قبل بدء الجلسات الأولى، مع عبارة مكتوبة بقلم أحمر على الغلاف: "خذني، اقرأني". اختفى كل شيء في حقائب المشاركين. لم أجد أي وثيقة ملقاة على الأرض أو في سلة المهملات. وعلى الرغم من هذه المحاولة الجديدة لبدء مناقشة، لم يُبادر أي من المشاركين الـ200 إلى التواصل معي. في الأيام التالية، فشلت مداخلاتي خلال الجلسات تمامًا. دعونا نُلخّص. كان أحد المشاركين قد قدم "مجالًا مراقبة" حول المشكلة العامة لتأثير العدسة الجاذبية، قبل أن يُقدّم زملاؤه (من بينهم ميلير) نتائجهم الأحدث. الحوار:

• نتحدث الآن أكثر عن احتمال وجود مكون بطاقة سالبة، مُنفّرة من منظور الجاذبية، في كوننا. هل فكّرت في تأثيرات العدسة الجاذبية الناتجة عن تركيزات لجسيمات من هذا النوع؟ سيكون لدينا في هذه الحالة "عدسة سالبة". لقد وصفت هذا النوع من الظاهرة شخصيًا في مقال نُشر في عام 1995 في مجلة "الفيزياء الفلكية وعلوم الفضاء".

• في هذه الحالة، سيكون ذلك فراغًا في توزيع مادة ذات طاقة موجبة.

• لا، هذا ليس ما أقصده. أتحدث عن تأثيرات ناتجة عن أجسام ذات طاقة سالبة.

• إذًا، فراغات في مادة ذات طاقة موجبة...

نهاية الحوار، مع قاعة كاملة غير مهتمة بالمشكلة. في النهاية، قلت للمشاركين:

• نحن في يونيو 2001. تؤدي تحليلات تأثيرات العدسة الجاذبية ورسم الخرائط الناتجة عنها إلى كائنات غير مفهومة: "المجموعات المظلمة". الديناميكا المجرية تفرض أن معظم كتلة المجرة تكون على شكل غلاف من المادة المظلمة، التي لا أحد يكتشفها، ولا أحد يستطيع تحديد تركيبها أو أصلها. كل المحاولات لتحديد هذه المادة المظلمة فشلت خلال العقد الماضي. ظاهرة مماثلة في مجموعات المجرات، حيث يبلغ نسبة المادة غير المرئية إلى المادة المرئية 100. يُنبئنا علماء الفلك بوجود ثقوب سوداء بكتلة مليون كتلة شمسية في مركز كل مجرة، ولكن لا أحد يراها. لقد رأينا، خلال هذا المؤتمر، زملاء يعرضون صورًا متطورة باستمرار، تصف البنية الكبيرة جدًا (VLS)، وهي البنية الكبيرة للكون. من الواضح أن الصورة "البلاستيكية المتصلة" تُثبت تدريجيًا كل عام. ولكن كما رأينا، فإن أحدث المحاكاة الرقمية، التي تعتمد على CDM (المادة المظلمة الباردة)، تُنتج كونًا خيطيًا، يبدو أنه لا يشبه الملاحظات أبدًا. فيما يلي صورة حديثة عُرضت خلال المؤتمر.

ومع ذلك، رأيتم الصور التي أنتجناها منذ ثماني سنوات:

والتي تتماشى مع الملاحظات:

كيف يمكن أن يكون من المستحيل تمامًا إقامة حوار بين هذين التيارين الفكريين؟

صمت تام.

في نفس الوقت (يونيو 2001)، عُقد مؤتمر في بلووا، حيث تساءل علماء الفيزياء النظرية حول طبيعة مكون كوني جديد، أُطلق عليه اسم "الطاقة المظلمة" من قبل أحد العلماء. يُقال إن هذه المادة الغامضة، التي تمتلك خاصية دفع المادة، من خلال قوة تُسمى "ضد الجاذبية"، تمثل حوالي 65٪ من المحتوى الكوني. لماذا "ضد الجاذبية"؟ لأن تراكم الملاحظات على السوبرنوفا ذات الانزياح الأحمر العالي يُشير إلى تسارع متأخر في تمدد الكون.

لقد حظي هذا الكائن بأسماء متعددة. لاحظوا أن العلماء، في الوقت الراهن، وبسبب عدم قدرتهم على إثبات وجود كائنات دراستهم، سواء تجريبيًا أو مراقبة، يُنتجون... علامات كثيرة. أحد الأسماء المقترحة هو:

الكينونة الخامسة

هذا المصطلح مُهم. فـ"الكينونة الخامسة" هي "العنصر الخامس"، "العنصر الخامس". وقد استُلهم هذا المصطلح من الكيمياء، التي كانت تعتمد على وصف المادة من خلال أربعة عناصر: الماء، النار، الهواء، الأرض. وهنا يأتي العنصر الخامس. يبدو أن الفيزياء النظرية قد رجعت إلى العصور الوسطى. ولكن هذا ليس استثناءً. في زمن ينتشر فيه الجهل، حيث لا نعرف حقًا ما هو ما، يُجتمع العلماء خلف أعلام مختلفة. واسم فريق علماء الفيزياء الفلكية هو "المادة المظلمة"، أما علماء الفيزياء النظرية، فهم لا يعترفون إلا بالـ"أوتار الفائقة". لذا، لا ينبغي أن نفاجأ أن المؤتمرات العلمية المعاصرة تشبه اجتماعات رجال دين، يجتمعون حول أنظمة من المعتقدات.

نص عرضنا في المؤتمر الدولي "أين توجد المادة؟"

قليل من السخرية في الممر