تشكل المادة حوالي 31 % من الكون. وتؤكد عملية حسابية جديدة هذا الرقم؛ لقد اعتقد علماء الفيزياء الفلكية منذ فترة طويلة أن شيئاً آخر غير الأشياء الملموسة يشكل غالبية ما يحيط بنا في الواقع. إذاً، ما هي المادة بالضبط؟
إن إحدى السمات المميزة للنظرية النسبية الخاصة بألبرت آينشتاين هي أن الكتلة والطاقة لا ينفصلان. تتمتع كل كتلة بطاقة كامنة. وهذه هي أهمية معادلة آينشتاين الشهيرة E=mc². عندما يقدر علماء الكونيات وزن الكون، فإنهم يقيسون الكتلة والطاقة في وقت واحد. و31% من هذه الكمية عبارة عن مادة، سواء كانت مرئية أو غير مرئية.
هذا الاختلاف هو المفتاح؛ إذ ليست كل المواد متشابهة. وفي الواقع، فإن القليل جداً منها يشكل الأشياء التي يمكننا رؤيتها أو لمسها، فالكون مليء بأمثلة للمواد الأكثر غرابة.
ما هي المادة؟
عندما نفكر في "المادة"، قد نتصور الأشياء التي نراها أو وحدة بنائها الأساسية: الذرة. لقد تطور مفهومنا للذرة على مر السنين. كان لدى المفكرين عبر التاريخ أفكار غامضة حول إمكانية تقسيم الوجود إلى مكونات أساسية. لكن الشيء الذي يشبه الفكرة الحديثة للذرة يُنسب إلى الكيميائي البريطاني جون دالتون. وفي عام 1808، توصل إلى أن الجسيمات غير القابلة للتجزئة هي التي تشكل المادة. وقد نشأت مواد أساسية مختلفة العناصر من ذرات ذات أحجام وكتل وخصائص مختلفة.
أوضح جون دالتون، أن كل عنصر يتكون من ذرات مميزة وأن نسبة وزن الذرات في النواتج ستكون نفس نسبة المواد المتفاعلة. كان مخطط دالتون يحتوي على 20 عنصراً. أدى الجمع بين هذه العناصر إلى تكوين مركبات كيميائية أكثر تعقيداً.
عندما قام الكيميائي ديمتري مندلييف بوضع الجدول الدوري البدئي في عام 1869، قام بإدراج 63 عنصراً. ووصلنا اليوم إلى فهرسة 118.
ولكن الأمر ليس بهذه البساطة. منذ أوائل القرن العشرين، عرف الفيزيائيون أن هناك وحدات بناء أصغر تكمن داخل الذرات (الإلكترونات سالبة الشحنة التي تدور حول النواة الموجبة، المكونة من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات محايدة). ونحن نعلم الآن أيضاً أن كل عنصر يقابل ذرات تحتوي على عدد معين من البروتونات.
ولا يزال الأمر ليس بهذه البساطة. فبحلول منتصف القرن العشرين، أدرك الفيزيائيون أن البروتونات والنيوترونات هي في الواقع مجموعات من جسيمات أصغر حجماً، تسمى الكواركات. على وجه الدقة، يحتوي كل من البروتون والنيوترون على ثلاثة كواركات: نوع التكوين الذي يسميه الفيزيائيون الباريونات. لهذا السبب، غالباً ما تسمى البروتونات والنيوترونات والمادة التي تشكلها بـ "المادة الباريونية".
مادة غريبة في السماء
في عالمنا اليوم، توجد المادة الباريونية عادةً في إحدى الحالات الأربع: الصلبة والسائلة والغازية والبلازما.
مرة أخرى، المادة ليست بهذه البساطة. وفي ظل الظروف القاسية، يمكن أن تتخذ أشكالاً أكثر غرابة. عند تطبيق ضغوط عالية بما فيه الكفاية، يمكن للمواد أن تصبح سوائل فوق حرجة، سائلة وغازية في نفس الوقت. عند درجات حرارة منخفضة بشكل كاف تتجمع ذرات متعددة معاً لتتكثف وتتصرف كذرة واحدة بجميع أنواع الطرق الكمومية الغريبة.
ولا تقتصر مثل هذه الحالات الغريبة على المختبر. انظر إلى النجوم النيوترونية. نواتها غير الميتة ليست ضخمة بما يكفي لتتحول إلى ثقوب سوداء. وبدلاً من ذلك، عندما تنهار نواتها، تمزق القوى المكثفة نواتها الذرية وتسحق البقايا معاً. والنتيجة هي في الأساس كرة عملاقة من النيوترونات - والبروتونات التي تمتص الإلكترونات، وتتحول إلى نيوترونات كثيفة للغاية في هذه العملية.
تصور هذه الرسوم المتحركة نجماً نيوترونياً (RX J0806.4-4123) مع قرص من الغبار الدافئ الذي ينتج إشارة الأشعة تحت الحمراء كما اكتشفها تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا. لم يتم تصوير القرص بشكل مباشر، ولكن إحدى الطرق لشرح البيانات هي من خلال افتراض بنية القرص التي يمكن أن يصل عرضها إلى 18 مليار ميل. ناسا، ووكالة الفضاء الأوروبية، وإن ترينل (جامعة ولاية بنسلفانيا).
من المحتمل أن يكون هناك مئات الملايين من النجوم النيوترونية في مجرة درب التبانة وحدها. يعتقد بعض العلماء أنه في أعماق مراكزها، تكون الضغوط ودرجات الحرارة مرتفعة بما يكفي لتمزق النيوترونات أيضا. وقد تكسر هذه النيوترونات الكواركات التي تشكلها.
يدرس الفيزيائيون النجوم النيوترونية للتعرف على هذه الأجسام، وما حدث في بداية الكون. إن المادة التي نراها حولنا لم تكن موجودة دائماً؟ فقد تشكلت في أعقاب الانفجار الكوني الكبير. قبل أن تتشكل الذرات، كانت البروتونات والنيوترونات تسبح وحدها عبر الكون. وحتى قبل وجود البروتونات والنيوترونات، كان كل شيء عبارة عن كوارك شديد السخونة.
يمكن للعلماء إعادة إنشاء هذه الحالة، في مسرعات الجسيمات. لكن ذلك يختفي في ومضة لا تدوم سوى جزء من الثانية. يقول فريدولين ويبر، عالم الفيزياء في جامعة ولاية سان دييغو: "إن الأمر ليس مقارنة بالنجوم النيوترونية طويلة الأمد".
المادة في المخطط الكبير للكون
على مدى العقود العديدة الماضية، طور علماء الفلك عدة طرق لفهم المعالم الأساسية للكون. ويمكنهم فحص بنيتها واسعة النطاق وتحديد التقلبات الدقيقة في كثافة المادة التي يمكنهم رؤيتها. ويمكنهم مشاهدة كيف تؤدي جاذبية الأجسام إلى انكسار الضوء أثناء مروره.
إن إحدى الطرق المحددة لقياس كثافة المادة - أي نسبة الكون المكون من مادة مرئية وغير مرئية - هي تفكيك الخلفية الكونية الميكروية للانفجار الأعظم. ومن عام 2009 إلى عام 2013، حث مرصد بلانك التابع لوكالة الفضاء الأوروبية العلماء لإعطاء أفضل حساب لكثافة المادة حتى الآن، وهو 31%.
استخدمت أحدث الأبحاث التقنية المختلفة ما يسمى علاقة كثافة الكتلة (the mass-richness relation)، حيث تقوم بشكل أساسي بفحص مجموعات من المجرات، وحساب عدد المجرات الموجودة في كل مجموعة، واستخدام ذلك لحساب كتلة كل مجموعة، وإعادة هندسة كثافة المادة. هذه التقنية ليست حديثة، لكنها كانت حتى الآن بدائية وغير مكررة.
يقول جيليان ويلسون، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة كاليفورنيا ريفرسايد: "عندما قمنا بعملنا، كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام علاقة كثافة الكتلة للحصول على نتيجة تتفق مع نظرية العالم الالماني ماكس بلانك".
لكن تذكروا أن الأمر ليس بهذه البساطة. ولا يمكن رؤية سوى جزء صغير - يُعتقد أنه حوالي 15% من المادة، أو 3% من الكون. أما الباقي، كما يعتقد معظم العلماء، فهو المادة المظلمة. يمكننا اكتشاف التموجات التي تتركها المادة المظلمة في الجاذبية، ولكن لا يمكننا أن نلاحظ ذلك مباشرة.
وبالتالي، نحن لسنا متأكدين ما هي المادة المظلمة. يعتقد بعض العلماء أنها مادة باريونية، ولكن بشكل لا يمكننا رؤيته بسهولة: قد تكون الثقوب السوداء التي تشكلت في الكون منذ القدم مثالاً عنها. ويعتقد آخرون أنها تتكون من جسيمات بالكاد تتفاعل مع مادتنا المألوفة. ويعتقد البعض أيضاً أنها مزيج من كل ما سبق. في حين يعتقد آخرون أن المادة المظلمة غير موجودة على الإطلاق.
إذا كانت موجودة بالفعل، فقد نراها من خلال جيل جديد من التلسكوبات، مثل eROSITA، ومرصد روبن، وتلسكوب نانسي غريس الروماني الفضائي، وإقليدس، التي يمكنها مسح مساحات أكبر من الكون ورؤية مجموعة واسعة من المجرات في أوقات مختلفة من التوقيت الكوني. يقول محمد الحشاش، عالِم الفيزياء الفلكية بجامعة كاليفورنيا ريفرسايد: "قد تغير هذه المسوحات الجديدة فهمنا للكون بأكمله (ولمادته) وهذا ما أتوقعه شخصياً".
----