السلام عليكم ورحمه الله وبركاته
دورة حياة المجرات
في كثير من روايات الخيال العلمي، تحكم إمبراطورية جبارة على نفسها بالهلاك من خلال غطرستها وشعورها بجبروتها: فهي تطمح إلى احتلال مجرة برمتها وحكمها. ويبدو ذلك طُموحا بعيد المنال حقا. فمن أجل السيطرة على مجرتنا (درب التبانة) يجب على هذه الإمبراطورية أن تقهر 100 بليون نجم. ومع ذلك، فإن علماء الكونيات (الكوسمولوجيين) ـ الفلكيون الذين يدرسون الكون بكليته ـ لا يجدون في هذا ما يُبهر. فمجرة درب التبانة ليست إلا واحدة من 50 بليون مجرة أو أكثر موجودة ضمن أرجاء الفضاء القابلة للرصد. واحتلالها لا يعدو أن يكون احتلال بقعة ضئيلة.
قبل قرن من الزمن، لم يكن أحد يعلم أن تلك المجرات كلها موجودة، وكان معظم الفلكيين يعتقدون أن المجرة والكون مترادفان. وربما احتوى الفضاء حينذاك على بليون نجم متناثر مع لطاخات باهتة بدت كنجوم في سيرورة نشوء أو موت. ثم أتى العصر الذهبي لعلم الفلك في العقود الأولى من القرن العشرين حينما قرر الفلكي الأمريكي هابل وآخرون أن تلك اللطاخات الباهتة كانت غالبا مجرات كاملة قائمة بذاتها.
لماذا تقع النجوم في تكتلات هائلة يفصل بينها فراغ شاسع، وكيف تأخذ المجرات هذا التنوع المحير من الأشكال والحجوم والكتل؟ لقد أضنت هذه الأسئلة الفلكيين لعقود عدة. ومن غير الممكن لنا رصد نشوء مجرة، فتلك السيرورة بطيئة جدا. وعلى الباحثين بدلا من ذلك تجميع أجزاء اللغز معا برصد كثير من المجرات المختلفة التي يمثل كل منها طورا مختلفا من تاريخ تطورها المجرّي. ولم تصبح مثل تلك القياسات أمرا نمطيا إلا قبل نحو عقد من الزمن حين دخل علم الفلك عهدا ذهبيا جديد
وحاليا تُعطي التطورات المدهشة في تقانة المقراب والمكشاف الفلكيين فكرة عن الكيفية التي تغيرت بها المجرات عبر مقاييس زمنية كونية. فقد أخذ مقراب هَبِل الفضائي صورا فوتوغرافية لأعماق السماء البعيدة، كاشفا بذلك عن مجرات إشعاعها على درجة من الخفوت لم تُعهد من قبل. وجمعت أجهزة القواعد الأرضية، مثل مقاريب كيك Keck العملاقة، إحصاءات عن المجرات البعيدة (وبالتالي الهَرِمة). إن الأمر يبدو كما لو أُعطي لعلماء التطور الحيوي آلة زمن تسمح لهم بالسفر إلى الوراء عبر ما قبل التاريخ، وبأخذ صور للحيوانات والنباتات التي استوطنت الأرض في سلسلة من العهود المختلفة. إن التحدي الذي يواجه الفلكيين، والذي كان سيواجه علماء التطور الحيوي، هو إدراك الكيفية التي تطورت بها الأنواع المرصودة في الأزمنة الأقدم لتصبح على ما نعرفه حاليا.
إن المجرة سومبريرو (القبعة) Sombrero تمثل تقريبا كل ظاهرة مجرّية بذل الفلكيون جهدهم طوال قرن لتفسيرها. فيها انتفاخ إهليلجي ساطع من النجوم، وثقب أسود فائق الكتلة مدفون في عمق ذلك الانتفاخ، وقرص ذو أذرع حلزونية (يُرى مُجانبة edge on تقريبا)، وحشود نجوم مبعثرة حول الضواحي. ويُعتقد أن هناك هالة شاسعة من المادة الخفية غير المرئية تمتد فيما وراء هذه الصورة.
إن المهمة في الحقيقة فلكية الحجم. فهي تشتمل على فيزيائيات ذات مقاييس شاسعة التفاوت، تمتد من التطور الشامل للكون برمته حتى تشكُّل نجم واحد. وهذا ما يجعل بناء نماذج معقولة لتشكل المجرات أمرا صعبا، لكنه يعيد الموضوع كله إلى نقطة البداية. إن اكتشاف تلك البلايين من المجرات جعل علم الفلك النجمي وعلم الكونيات يبدوان غير مترابطين معا. وتبعا لمخطط الأشياء الشامل، كانت النجوم أصغر من أن تكون ذات قيمة. وعلى النقيض من ذلك، رأى معظم فلكيي النجوم أن الجدل حول أصل الكون هو تجريد لا طائل منه. أما الآن، فنحن نعلم أن الصورة المتكاملة للكون يجب أن تشتمل على كل من الكبير والصغير.
الأنواع المجرّية
من أجل فهم كيفية تشكل المجرات، يبحث الفلكيون عن أنماط ونوازع في خصائصها. وتبعا لنظام التصنيف الذي طوره هبل، يمكن تقسيم المجرات بصورة عامة إلى ثلاثة أنواع رئيسية: إهليلجية، وحلزونية، وغير منتظمة (انظر الشكل في الصفحة المقابلة). وأكبرها كتلة هي المجرات الإهليلجية، وهذه المجرات في معظمها منظومات كروية تقريبا، ناعمة المظهر وبلا معالم، وتحوي قليلا من الغاز والغبار أو لا شيء منهما. وتئز buzz النجوم حول وسط المجرة، كما يئز النحل حول خليته. ومعظم هذه النجوم عتيقة جدا.
أما المجرات الحلزونية، ومن أمثلتها مجرتنا درب التبانة، فهي بنى شديدة التسطح والترتيب، يتحرك ضمنها النجوم والغاز في مدارات دائرية أو شبه دائرية حول المركز. وفي الواقع تُدعى هذه المجرات أيضا بالمجرات القرصية. أما أذرعها الحلزونية المشابهة لدولاب الهواء (لعبة الأطفال المعروفة) فهي خيوط من نجوم حارة فتية وغاز وغبار. وتحوي المجرات الحلزونية في مراكزها انتفاخات هي تكتلات كروية من النجوم، تذكرنا بالمجرات الإهليلجية الصغيرة. وثلث المجرات الإهليلجية تقريبا ذات بنية مستطيلة نحو المركز. ويُعتقد أن هذه الاستطالات bars تنجم عن إضطرابات في القرص.
أما المجرات غير المنتظمة، فهي تلك التي لا تندرج ضمن التصنيف الحلزوني أو الإهليلجي. فبعضها يبدو حلزونيا أو إهليلجيا، تعرض لتشويه عنيف بسبب اصطدامه حديثا مع جار له. وبعضها الآخر منظومات منعزلة ذات بنى غير بلورية ولا تبدي دلائل على أية اضطرابات حديثة.
وتغطي كل من هذه الفئات الثلاث مجرات واسعة التفاوت في ضيائيتها luminosity. إلا أنه عادة ما تكون المجرات الإهليلجية أشد بريقا من الحلزونية، والمجرات الأخفت هي أعلى احتمالا لأن تكون غير منتظمة من نظيراتها المضيئة luminous. أما بالنسبة إلى المجرات الأشد خفوتا، فإن نظام التصنيف يُخفق معها إخفاقا تاما. فهذه المجرات القزمية dwarf galaxies غير متجانسة في طبيعتها، وثبت أن محاولة تصنيفها أمر غير متفق عليه. وبشكل عام يمكننا القول إنها تقع في فئتين: منظومات غنية بالغاز ينشط فيها تشكل النجوم، وأخرى فقيرة بالغاز حيث لا تتشكل أية نجوم.
يأتي أحد الأدلة المهمة حول أصل أنواع المجرات من الترابط المدهش بين نوع المجرة المحلية وكثافتها. إن معظم المجرات مبعثرة عبر الفضاء وتفصل بينها مسافات شاسعة، و10 إلى 20 في المئة منها فقط مجرات إهليلجية، في حين أن المجرات الحلزونية هي السائدة. وبقية المجرات مرزومة في حشود، ويختلف الأمر بالنسبة إليها: فالإهليلجية هي الأغلبية فيها، والحلزونية، إن وُجدت، فهي منظومات خاملة فقيرة بالغاز والنجوم الفتية. لقد حيرت هذه العلاقة المسماة الشكل-الكثافة morphology-density الفلكيين فترةً طويلة.
خفيف ومظلم
تتفرد نسبة ضئيلة من المجرات الحلزونية والإهليلجية في أنها تحتوي على نواة شبه نقطية فائقة الضيائية: نواة مجرية نشطة active galactic nucleus (AGN) . والأمثلة الأكثر غرابة وندرة لتلك النوى هي الكوازارات quasars التي تتجاوز درجة سطوعها brightness سطوع المجرات المضيفة لها كليا. ويعتقد الفلكيون عموما أن النوى المجرية النشطة تستمد طاقتها من ثقوب سوداء تزن من ملايين إلى بلايين من الكتل الشمسية. وتتنبأ النظرية بأن الغاز الذي يسقط في هذه الكيانات المرعبة سوف يشع نحو 10 في المئة من طاقته الذاتية، وهذا يكفي لتوليد منارة يمكن كشفها في الجانب الآخر من الكون.
وبعد أن كانت النوى المجرّية الفعالة تُعدُّ شذوذات، فقد بُرهن مؤخرا على أنها جزء لا يتجزأ من سيرورة تَشكُّل المجرة. وقد حصلت الذروة في فعالية النوى المجرية النشطة عندما كان الكون في ربع عمره الحالي، أي في نفس الوقت الذي تشكلت فيه معظم النجوم في المجرات الإهليلجية. يُضاف إلى ذلك أنه يُعتقد أن الثقوب السوداء الفائقة الكتلة تقبع تقريبا في كل مجرة إهليلجية، أو حلزونية ذات انتفاخ، سواء أكانت تلك المجرات تحتوي على نوى مجرية نشطة أم لا(1). وما ينطوي عليه هذا هو أن كل مجرة يمكن أن تشهد حدثا أو أكثر من أحداث نشاط النوى المجرية النشطة. فمادامت المادة تسقط في الثقب الأسود، تكون النوى نشطة. وعندما لا يُغذَّى المركز بمادة جديدة، ترقد النوى خامدة.
إن معظم المعلومات التي لدينا حول جميع هذه الظواهر تأتي من الفوتونات: الفوتونات الضوئية من النجوم، والفوتونات الراديوية من غاز الهدروجين المتعادل، وفوتونات الأشعة السينية من الغاز المتأين. لكن معظم المادة في الكون ربما لا تشع فوتونات بأي طول موجي. وهذه هي المادة الخفية (المعتمة) dark سيئة السمعة التي يُستنتج وجودها من آثارها الثقالية فقط. إذ يُعتقد أن الأجزاء المرئية من المجرات مغلفة ب«هالات» عملاقة من المادة الخفية. وهذه الهالات، خلافا لتلك التي توجد فوق رؤوس القديسين، ذات شكل كروي أو إهليلجي. وعلى المقاييس الأكبر، يُعتقد أن هالات مماثلة تحافظ على حشود المجرات متماسكة معا.
وما يُؤسف له أن أحدا لم يكشف مطلقا المادة الخفية مباشرة، ومازالت طبيعتها واحدا من أكبر الألغاز في العلم. ويفضل معظم العلماء حاليا فكرة أن المادة الخفية تتكون في معظمها من جسيمات غير محددة حتى الآن ولا تكاد تتآثر مع الجسيمات العادية أو فيما بينها. ويسمي الفلكيون عادة هذه الفئة من الجسيمات بالمادة الخفية الباردة، ويسمون أي نموذج كوني يفترض وجودها بنموذج المادة الخفية الباردة وخلال العقدين الماضيين، بذل الفلكيون جهدهم في تطوير نموذج لتشكل المجرة يقوم على نموذج المادة الخفية الباردة. أما إطار العمل الأساسي لذلك فهو نظرية الانفجار الأعظم حول توسع (تمدد) الكون. إن علماء الكونيات مستمرون في الجدل حول الكيفية التي حصل بها التوسع وحول ما حدث قبل ذلك، لكن هذه المبهمات لا تؤثر كثيرا في تشكل المجرات. فنحن نتناول الحكاية في حقبة ما بعد نحو 000 100سنة من الانفجار الأعظم، حينما كان الكون يتألف من الباريونات baryons (أي المادة العادية التي هيمنت فيها نوى الهدروجين والهليوم)، والإلكترونات (المشدودة إلى النوى)، والنيوترينوات والفوتونات والمادة الخفية الباردة. وتشير الأرصاد إلى أن المادة والإشعاع كانا موزعين توزعا سلسا، إذ اختلفت الكثافة بين المواضع المختلفة بنحو جزء واحد من 000 100 جزء فقط. إن التحدي هو اقتفاء الكيفية التي استطاعت بها هذه المكونات البسيطة أن تولد التنوع المذهل من المجرات.
إذا قارن المرء الظروف التي كانت سائدة حينذاك مع توزع المادة اليوم، يجد أن هناك اختلافين مهمين. أولا، يغطي الكون في الأيام الحالية مدى هائلا من الكثافات. فالمناطق المركزية من المجرات ذات كثافة تزيد على 100 بليون ضعف من كثافة الكون المتوسطة. والأرض أكثف من ذلك ب10 بلايين بليون مرة. ثانيا، وبينما كانت الباريونات والمادة الخفية الباردة في البداية متمازجة معا تماما، تُشكِّل الباريونات اليوم عُقدا كثيفة (هي المجرات) داخل هالات ضخمة من المادة الخفية. وبطريقة ما، انفصلت الباريونات عن المادة الخفية الباردة.
يمكن تفسير أول هذه الاختلافات بسيرورة عدم الاستقرار الثقالي. فإذا كانت منطقة ما أكثف بقليل من المتوسط، فإن الكتلة الزائدة سوف تُبدي قوة ثقالية أقوى بقليل من المتوسط، جاذبة مادة إضافية نحوها. وهذا ما يخلق مجالا ثقاليا، ربما أقوى جذبا لمزيد من المادة. وتُضخم هذه السيرورة الجامحة فوارق الكثافة الابتدائية
وطوال الوقت، يكون على ثقالة المنطقة أن تنافس توسع الكون الذي يباعد ما بين المادة. في البداية، يتغلب التوسع الكوني وتتناقص كثافة المنطقة، ولكن على نحو أبطأ من كثافة ما يحيط بها. وعند حد معين، تصبح الكثافة الزائدة للمنطقة، مقارنة بكثافة ما يحيط بها، واضحة إلى درجة أن جذبها الثقالي يتغلب على التوسع الكوني، ومن ثَمَّ تبدأ المنطقة بالانهيار.
وحتى تلك اللحظة، لا تكون المنطقة جسما متماسكا، بل مجرد تحسن عشوائي للكثافة في سديم المادة التي تملأ الكون. لكن ما إن تنهار المنطقة حتى تبدأ حياة داخلية خاصة بها. وتسعى المنظومة ـ التي سوف نطلق عليها من الآن فصاعدا مجرة جنينية (أولية) protogalaxy ـ إلى إقامة شكل ما من التوازن. يسمي الفلكيون هذه السيرورة بالاسترخاء relaxation، حيث تتصرف الباريونات كجسيمات أي غاز. وبسبب تسخينها بالموجات الصدمية التي يقدحها الانهيار، تتبادل الباريونات الطاقة بالتصادم المباشر بعضها مع بعض، مُحدثة بذلك توازنا هدروستاتيكيا، وهي حالةَ توازن بين الضغط والثقالة. إن جو الأرض أيضا في حالة توازن هدروستاتيكي (تقريبا)، وهذا هو السبب في تناقص الضغط أُسِّيا مع الارتفاع.
أما بالنسبة إلى المادة الخفية، فالاسترخاء مختلف على نحو جلي. ومن التعريف، تكون جسيمات المادة الخفية الباردة ذات تفاعل ضعيف، وغير قادرة على إعادة توزيع الطاقة فيما بينها بالتصادم المباشر. ولا تستطيع منظومة من مثل هذه الجسيمات الوصول إلى حالة التوازن الهدروستاتيكي. وبدلا من ذلك، تخضع إلى ما يدعى، ربما تجاوزا، بالاسترخاء العنيف. فكل جسيم يتبادل الطاقة، لا مع جسيم منفرد آخر، بل مع الكتلة الإجمالية للجسيمات بوساطة المجال الثقالي.
..................
انتظروا الجزء الثاني
والختام السلام
نسألكم الدعاء بظهر الغيب
