Gravitational Lensing: A Natural Cosmic Telescope

العدسات الجاذبية: تلسكوب كوني طبيعي

استخدام تركيزات الكتلة الأمامية لتكبير وتشويه الأجسام الخلفية

تنبؤ أينشتاين ومفهوم العدسة

العدسات الجاذبية هي نتيجة لـ النسبية العامة—الكتلة (أو الطاقة) تقوس الزمكان، لذا تتبع أشعة الضوء التي تمر بالقرب من الأجسام الضخمة مسارات منحنية. بدلاً من السفر في خطوط مستقيمة، تنحرف الفوتونات نحو تركيز الكتلة. أدرك ألبرت أينشتاين أن جسمًا أماميًا ذا كتلة كافية يمكن أن يعمل كـ "عدسة" للمصادر الخلفية، مماثلًا للعدسة البصرية التي تثني الضوء وتركزه. ومع ذلك، رأى أينشتاين في البداية أن هذه ظاهرة نادرة. تُظهر الفلك الحديث أن العدسات ليست مجرد فضول، بل هي تأثير منتشر في الكون بأكمله، مما يتيح رؤى فريدة في توزيعات الكتلة (بما في ذلك المادة المظلمة) ويكبر المجرات أو الكوازارات الخلفية البعيدة والخافتة.

تظهر ظواهر العدسات على مقاييس متعددة:

  • العدسات القوية: صور متعددة درامية، أقواس، أو حلقات أينشتاين عندما تكون المحاذاة محكمة.
  • العدسات الضعيفة: تشوهات صغيرة في الشكل (قص) في المجرات الخلفية، تُستخدم إحصائيًا لرسم خرائط الهيكل واسع النطاق.
  • العدسات الدقيقة: نجم أمامي أو جسم مضغوط يكبر نجمًا خلفيًا، كاشفًا عن كواكب خارج المجموعة الشمسية أو بقايا نجمية مظلمة.

كل نوع من العدسات يستفيد من كيفية انحناء الضوء بفعل الجاذبية لاستكشاف الهياكل الضخمة—تجمعات المجرات، هالات المجرات، أو حتى النجوم الفردية. ونتيجة لذلك، تعمل العدسات الجاذبية كـ "تلسكوب طبيعي"، أحيانًا موفرة تكبيرات شديدة للأجسام الكونية البعيدة التي قد تكون غير مرئية بخلاف ذلك.

2. الأسس النظرية للعدسات الجاذبية

2.1 انحراف الضوء في النسبية العامة

تخبرنا النسبية العامة أن الفوتونات تتبع الجيوب في الزمكان المنحني. حول كتلة كروية (مثل نجم أو تجمع)، زاوية الانحراف في تقريب المجال الضعيف هي:

α ≈ 4GM / (r c²)،

حيث G هو ثابت الجاذبية، M كتلة العدسة، r معامل التأثير، و c سرعة الضوء. بالنسبة لتجمعات المجرات الضخمة أو الهالات الكبيرة، يمكن أن يكون الانحراف بضع ثوان قوسية إلى عشرات الثواني القوسية، وهو ما يكفي لإنتاج صور متعددة مرئية للمجرات الخلفية.

2.2 معادلة العدسة والعلاقات الزاوية

في هندسة العدسات، معادلة العدسة تربط الموضع الزاوي المرصود للصورة (θ) بالموضع الزاوي الحقيقي للمصدر (β) وزاوية الانحراف α(θ). يمكن أن تؤدي حلول هذه المعادلة إلى صور متعددة، أقواس، أو حلقات اعتمادًا على المحاذاة وتوزيع كتلة العدسة. "نصف قطر حلقة أينشتاين" لعدسة نقطة بسيطة هو:

θد = √(4GM / c² × DLS / (Dل جس)),

حيث Dل, Dس, DLS هي المسافات الزاوية القطرية إلى العدسة، إلى المصدر، ومن العدسة إلى المصدر، على التوالي. في العدسات الممتدة الأكثر واقعية (عناقيد المجرات، المجرات الإهليلجية)، يتم حل إمكانات العدسة باستخدام توزيعات الكتلة ثنائية الأبعاد.

3. العدسة القوية: الأقواس، الحلقات، والصور المتعددة

3.1 حلقات أينشتاين والصور المتعددة

عندما يكون المصدر الخلفي، والعدسة، والمراقب تقريباً على استقامة واحدة، يمكن أن يظهر حلقة شبه كاملة تُسمى حلقة أينشتاين. إذا كان الاصطفاف أقل دقة أو كان توزيع الكتلة غير متماثل، يرى المرء صوراً متعددة لنفس المجرة الخلفية أو الكوازار. أمثلة كلاسيكية:

  • توأم الكوازار QSO 0957+561
  • صليب أينشتاين (Q2237+030) في مجرة أمامية
  • أقواس Abell 2218 في عدسة عنقودية

3.2 عدسات العناقيد والأقواس العملاقة

العناقيد المجرية الضخمة هي عدسات قوية رئيسية. يمكن لجاذبيتها الكبيرة أن تنتج أقواساً عملاقة—صوراً ممدودة للمجرات الخلفية—وأحياناً أقواساً شعاعية أو مجموعات متعددة من الأقواس من مصادر مختلفة. كشف تلسكوب هابل الفضائي عن صور مذهلة لأقواس حول عناقيد مثل Abell 1689، MACS J1149، وغيرها. يمكن لهذه الأقواس أن تحقق تكبيرات من 10× إلى 100×، كاشفة تفاصيل المجرات ذات الانزياح الأحمر العالي. أحياناً تتشكل أقواس "الحلقة الكاملة" أو الأقواس الجزئية، والتي تُستخدم لقياس توزيع المادة المظلمة في العنقود.

3.3 العدسة كتلسكوب كوني

العدسة القوية تتيح لعلماء الفلك دراسة المجرات البعيدة بدقة أو سطوع أعلى مما هو ممكن بخلاف ذلك. على سبيل المثال، قد يتم تكبير مجرة خافتة عند z > 2 بما يكفي بواسطة عنقود أمامي للسماح بالتحليل الطيفي التفصيلي أو التحليل الشكلي. هذا التأثير المعروف بـ "تلسكوب الطبيعة" أدى إلى اكتشاف مناطق تكوين النجوم، والفلزات، أو الميزات الشكلية في مجرات ذات انزياح أحمر عالي جداً، مما يجسر الفجوات الرصدية في دراسات تطور المجرات.

4. العدسة الضعيفة: الانحناء الكوني ورسم خرائط الكتلة

4.1 تشوهات صغيرة في المجرات الخلفية

في العدسة الضعيفة، تكون الانحرافات طفيفة، لذا تظهر المجرات الخلفية مشوهة قليلاً في الشكل. من خلال متوسط أشكال العديد من المجرات عبر مناطق واسعة من السماء، يتم اكتشاف أنماط انحناء متماسكة إحصائياً تتبع توزيع الكتلة الأمامية. ضوضاء شكل المجرات الفردية كبيرة، لكن دمج مئات الآلاف أو الملايين في منطقة يكشف عن حقل انحناء بمستوى ~1%.

4.2 العدسة الضعيفة للمجرات العنقودية

يمكن قياس كتل العناقيد وملفات الكتلة بتحليل القص المماس المتوسط حول مركز العنقود. هذه الطريقة مستقلة عن الافتراضات حول التوازن الديناميكي أو فيزياء غاز الأشعة السينية، لذا فهي تستكشف مباشرة هالات المادة المظلمة. تؤكد الملاحظات أن العناقيد تحتوي على كتلة أكبر بكثير من المادة المضيئة وحدها، مما يبرز سيطرة المادة المظلمة.

4.3 مسوحات القص الكوني

القص الكوني—العدسة الضعيفة واسعة النطاق الناتجة عن توزيع المادة على طول خط الرؤية—يوفر قياسًا قويًا لنمو البنية والهندسة. تقيس مسوحات مثل CFHTLenS، DES (مسح الطاقة المظلمة)، KiDS، والقادمتان Euclid وRoman القص الكوني على آلاف الدرجات المربعة، مقيدة سعة تقلبات المادة (σ8)، كثافة المادة (Ωm)، والطاقة المظلمة. يمكن لهذه التحليلات التحقق من معلمات مشتقة من CMB والبحث عن فيزياء جديدة.

5. العدسة الدقيقة: مقاييس نجمية أو كوكبية

5.1 عدسات الكتلة النقطية

عندما يعمل جسم مضغوط (نجم، ثقب أسود، كوكب خارجي) كعدسة لنجم خلفي، يمكن أن يؤدي الاصطفاف إلى عدسة دقيقة. يزداد سطوع النجم الخلفي مع مرور العدسة أمامه، مكونًا منحنيات ضوئية مميزة. نظرًا لصغر مقياس حلقة أينشتاين، لا تُحلل صور متعددة، لكن التدفق الكلي يتغير، أحيانًا بعوامل كبيرة.

5.2 اكتشاف الكواكب الخارجية

العدسة الدقيقة حساسة بشكل خاص للرفقاء الكوكبيين لنجم العدسة. تكشف شذوذ صغير في منحنى ضوء العدسة عن وجود كوكب بنسبة كتلة ~1:1000 أو أقل. اكتشفت مسوحات مثل OGLE وMOA وKMTNet كواكب خارج المجموعة في مدارات واسعة أو حول نجوم خافتة/في البطن المجري لا يمكن الوصول إليها بطرق أخرى. كما تستكشف العدسة الدقيقة بقايا نجمية من الثقوب السوداء أو الأجسام المتجولة في درب التبانة.

6. التطبيقات العلمية والنقاط البارزة

6.1 توزيع كتلة المجرات والعناقيد

تنتج العدسة (القوية والضعيفة) خرائط كتلة ثنائية الأبعاد للعدسات، مما يتيح قياسًا مباشرًا لـ الكتلة المظلمة للهالات. بالنسبة للعناقيد مثل عناقيد الرصاصة، تكشف العدسة كيف أن توزيع المادة المظلمة متباعد عن الغاز الباريوني بعد التصادم—دليل قوي على طبيعة المادة المظلمة غير التصادمية. تكديس عدسة المجرة-المجرة يجمع إشارات العدسة الضعيفة حول العديد من المجرات، مستخلصًا متوسط ملفات الهالة كدالة للسطوع أو نوع المجرة.

6.2 الطاقة المظلمة والتوسع

يمكن أن يقيد الجمع بين هندسة العدسة (مثل أقواس العدسة القوية في العناقيد أو تصوير القص الكوني) مع علاقات المسافة-الانزياح الأحمر التوسع الكوني، خصوصًا عند تحليل العدسة عند انزياحات حمراء متعددة. على سبيل المثال، يمكن لتأخير الوقت في أنظمة الكوازارات متعددة الصور تقدير H0 إذا كان نموذج كتلة العدسة معروفًا جيدًا. استخدمت تعاون "H0LiCOW" تأخيرات الوقت في الكوازارات لقياس H0 بالقرب من ~73 كم/ث/ميجا فرسخ، جزء من نقاش "توتر هابل".

6.3 تكبير الكون البعيد

يوفر العدس القوي بواسطة العناقيد تكبيرًا للمجرات البعيدة، مما يخفض فعليًا عتبة الكشف. سمح هذا الأسلوب باكتشاف مجرات ذات انزياح أحمر مرتفع جدًا (z > 6–10)، ودراستها بتفصيل كان مستحيلًا مع التلسكوبات الحالية. من الأمثلة برنامج Frontier Fields، الذي استخدم هابل لمراقبة ستة عناقيد ضخمة كتلسكوبات جاذبية، مكتشفًا مئات المصادر الضعيفة المُعدسة.

7. الاتجاهات المستقبلية والمهام القادمة

7.1 المسوحات الأرضية

ستقيس مسوحات مثل LSST (الآن مرصد فيرا سي. روبن) القص الكوني على مساحة ~18,000 deg2 بعمق غير مسبوق، منتجة مليارات أشكال المجرات لتحليلات عدس قوية. في الوقت نفسه، ستُحسّن برامج عدس العناقيد المخصصة في مرافق متعددة الأطوال الموجية قياسات الكتلة لآلاف العناقيد، لدراسة البنية واسعة النطاق وخصائص المادة المظلمة.

7.2 مهام الفضاء: Euclid وRoman

ستُجري تلسكوبات Euclid وRoman تصويرًا طيفيًا بالأشعة تحت الحمراء واسعة المجال من الفضاء، مما يتيح عدسًا ضعيفًا عالي الدقة عبر مساحات شاسعة من السماء مع تشويه جوي ضئيل. يمكن لهذا أن يرسم بدقة القص الكوني حتى z ∼ 2، رابطًا إشارات العدس مباشرة بالتوسع الكوني، ونمو المادة، وقيود كتلة النيوترينو. تكاملها مع المسوحات الطيفية الأرضية (DESI، وغيرها) ضروري لمعايرة الانزياحات الحمراء الفوتومترية، مما يفتح الباب لتصوير عدس ثلاثي الأبعاد قوي.

7.3 دراسات العناقيد والعدس القوي للجيل القادم

سيواصل تلسكوب هابل الحالي وتلسكوبات جيمس ويب المستقبلية وتلسكوبات الأرضية ذات الفئة 30 م التحقيق في المجرات ذات العدس القوي بتفصيل أكبر، مع إمكانية تحديد عناقيد نجمية فردية أو مناطق تكوين النجوم في فجر الكون. تُطوَّر خوارزميات حاسوبية جديدة (التعلم الآلي) لتحديد أحداث العدس القوي بسرعة في فهارس التصوير الضخمة، مما يوسع عينة العدسات الجاذبية.

8. التحديات والآفاق المتبقية

8.1 منهجيات نمذجة الكتلة

بالنسبة للعدس القوي، يمكن أن تعيق الشكوك في توزيع كتلة العدسة الاستدلالات الدقيقة على المسافات أو ثابت هابل. أما بالنسبة للعدس الضعيف، فتظل منهجيات قياس الشكل وأخطاء الانزياح الأحمر الفوتومتري تحديات مستمرة. هناك حاجة إلى معايرات دقيقة ونمذجة متقدمة لاستغلال بيانات العدس بالكامل في علم الكون الدقيق.

8.2 البحث عن فيزياء غريبة

قد يكشف العدس الجاذبي عن ظواهر غريبة: البنية الفرعية للمادة المظلمة في الهالات، وقيود على المادة المظلمة ذات التفاعل الذاتي، أو اكتشاف الثقوب السوداء البدائية. كما يختبر العدس نظريات الجاذبية المعدلة إذا أظهرت عناقيد العدس ملفات كتلة غير متوافقة مع ΛCDM. حتى الآن، يظل نموذج ΛCDM القياسي قويًا، لكن تحليلات العدس المتقدمة قد تكشف عن شذوذات صغيرة تشير إلى فيزياء جديدة.

8.3 توتر هابل وعدسات تأخير الزمن

العدسة بتأخير الزمن، التي تقيس فرق أوقات وصول صور الكوازار المختلفة، تعطي قياسًا مباشرًا لـ H0. بعض المجموعات تجد قيم H أعلى0 قيم متوافقة مع نتائج سلم المسافات المحلي، مما يغذي {\"}توتر هابل{\"}. تهدف التحسينات المستمرة في نماذج كتلة العدسة، ورصد النوى النشطة للمجرات، وتوسيع الدراسة إلى أنظمة أكثر إلى تقليل الشكوك المنهجية، مما قد يحل أو يؤكد هذا التوتر.

9. الخاتمة

العدسة الجاذبية—انحراف الضوء بفعل الكتل الأمامية—تعمل ك{\"}تلسكوب كوني طبيعي{\"}، مقدمة تآزرًا نادرًا لقياس توزيع الكتلة (بما في ذلك المادة المظلمة) وتكبير المصادر الخلفية البعيدة. من أقواس وحلقات {\"}العدسة القوية{\"} حول العناقيد أو المجرات الضخمة، إلى القص الكوني {\"}العدسة الضعيفة{\"} عبر مساحات شاسعة من السماء، إلى أحداث {\"}العدسة الدقيقة{\"} التي تكشف عن الكواكب الخارجية أو الأجسام المضغوطة، أصبحت طرق العدسة مركزية في علم الفلك والكونيات الحديثة.

من خلال دراسة كيفية انحناء الضوء، يقوم العلماء برسم خرائط ل{\"}هالات المادة المظلمة{\"} مع افتراضات قليلة، وقياس سعة نمو {\"}البنية واسعة النطاق{\"}، وتحسين معلمات توسع الكون—خاصة عبر التحقق المتبادل من {\"}تذبذبات الباريونات الصوتية{\"} أو قياسات مسافات تأخير الزمن ل{\"}ثابت هابل{\"}. في المستقبل، ستوسع الدراسات الجديدة الكبرى (مرصد روبن، يوليد، رومان، مصفوفات 21 سم المتقدمة) مجموعات بيانات العدسات، مما قد يكشف عن خصائص المادة المظلمة على نطاقات صغيرة، ويوضح تطور الطاقة المظلمة، أو حتى يكتشف ظواهر جاذبية جديدة. وهكذا، تقف العدسة الجاذبية في طليعة {\"}علم الكون الدقيق{\"}، جسرًا بين التنبؤات النظرية للنسبية العامة والسعي الرصدي لكشف الهيكل الكوني الخفي والكون البعيد.

المراجع والقراءة الإضافية

  1. آينشتاين، أ. (1936). “تأثير العدسة النجمية بانحراف الضوء في المجال الجاذبي.” العلوم، 84، 506–507.
  2. زويكي، ف. (1937). “حول احتمال اكتشاف السدم التي تعمل كعدسات جاذبية.” المراجعة الفيزيائية، 51، 679.
  3. Clowe, D., et al. (2006). “دليل تجريبي مباشر على وجود المادة المظلمة.” The Astrophysical Journal Letters, 648, L109–L113.
  4. بارتلمان، م.، وشنايدر، ب. (2001). “العدسة الجاذبية الضعيفة.” تقارير الفيزياء، 340، 291–472.
  5. ترو، ت. (2010). “العدسة القوية بواسطة المجرات.” المراجعة السنوية للفلك والفيزياء الفلكية، 48، 87–125.

 

← المقال السابق                    المقال التالي →

 

 

العودة إلى الأعلى

العودة إلى المدونة